风电场内部电气接线的潮流计算研究

李向超，洪从鲁，冯继营

(1．郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052;2．许继集团风电科技有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

近年来，全球风电技术发展迅猛，风电机组的单机容量逐步加大，发电成本显著降低，逐步接近常规能源发电的水平。然而，这些大型风电场的并网，对系统的稳定、运行和电能质量带来了影响，需对此进行深入的研究。

当风机并接至配电系统时，重要的研究课题包括电压调节、谐波污染、电压闪烁及故障电流等;而并接至输电系统时，另须考虑无功量值、稳定度及备转容量等的需求。另外，当风力发电容量占到当地发电总量某一比例时，一般还要考虑其对系统各种操作成本所产生的影响。

考虑到风电场并网对系统的冲击，就必须分析系统虚功补偿、弱电网并接架构、以及传输容量限制等技术问题。国内风力发电系统申请并网时，有关电力品质的内容主要包括:(1)稳态及切换运转时的电压变动;(2)谐波;(3)功率因数;(4)电压闪烁等。

本文仅对在不同集电模式下风场的功率和电压要素进行分析。

1 风场系统计算模型

以张北某风场为例。本风场24台单机容量为2000kW的风机分布在三个集中区域，方圆数十公里。独立风机采用DFIG+变桨矩控制模式，同时设定35kV箱式变电站为风机内部器件，高压侧输出电压110kV，组成系统并分析，如图1。

图1 风场并网系统图

为举例说明，风场内部仅选用链式和单边环形接线方案讨论，如图2、3。系统模型为:

(1)链型结构。将24台风机机组分为3组，每组8台风机。其额定状态下，每组流过有功功率为16MW。

(2)环形结构。和链型相比，多出一条馈线，提供冗余功率。如果线路上某一点出线故障，可以通过加装在其上的开关设备切除，保证风机正常运行。

图2 链式结构

图3 单边环式结构

2 潮流计算内容

现比较两种方案的有功P，无功Q损耗，以及电压偏差ΔU。

(1)根据电力系统初步设计，35kV架空线选择LGJ－240，线路最高环境温度为90℃，查得允许电流为 635A;r=0．263Ω/km，x=0．200Ω/km;

对工程设计前期的系统投资，风机出口到110kV变电站线路长度为10km，系统功率因数为cosφ =0．95。

则:S=P/cosφ =2000/0．95=2105．26(kVA)(1)

R=r×l=0．263 ×10=2．63Ω

X=x×l=0．392 ×10=3．92Ω

由于线路长度不足100km，电阻值R没有远远大于电抗值X，故R值不可忽略;同理，线路长度不足100km，故不计电导G、电纳B参数。

(2)计算风机定子阻抗为:

定子电阻 Rs=1．015Ω;

定子电感 l=5．9mH，

ω =2πf=50 ×2π =314．159Rad/s

XL=jωL=j5．9 ×10－3× ω =1．854Ω

当采用简化算法后，

2．1 链型结构

根据上面计算，简化后的线路模型如图4:

图4 阻抗模型

如图3，以第一链为例进行计算。已知该线路布置为8台风机，其阻抗等值电路如图4所示。有如下关系:

由式(1)得:

(1)线路潮流计算

如图2所示，链路1线损为:

链路1的线路末端输出功率为:

三条链路末端功率为:

线路电压分布为:

纵向分量:

由于U1+ΔU≫δU，故此处不计电压的横向分量δU。

线路末端电压为:UL=35 －1．89=33．11kV

由上式可知:

符合GB12325－90《电能质量—供电电压允许偏差》中规定的:35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和，不超过额定电压10%的规定值。

(2)变压器功率分布计算

本工程初期设计一台50MVA双绕组电力变压器，根据变压器出厂参数可得:

两绕组电压器额定运行时损耗

由式(7)带入式(12)计算得:

变压器的导纳损耗:

由式(14)得，变压器的总损耗为:

由式(15)可知，站上总功率:

站上变压器的压降(不计横向电压降δU)为:

则变压器高压侧的输出电压为:

站上出口电压损失:

2．2 单边环形结构

如图5，对环形线路进行简化计算:

图5 等效系统图

线路等效阻抗为:

风机定子等效阻挡:

系统等效总阻抗为:

(1)线路潮流计算

如图3，以单环1为例进行计算:

由式(3)，(18)可得，环路损耗为:

单环1末端功率为:

系统总的末端功率为:

线路侧的电压分布(不计横向分量δU)为:

纵向分量:

线路末端电压:

(2)变电站潮流计算

变压器额定运行时的损耗:

由式(10)，(20)可知:

如式(14)，变压器的总损耗为:

则变压器高压侧输出功率为:

变压器压降为:

则变压器高压侧的输出电压为:

站上出口电压损失:

3 结论

根据文章第2节潮流计算内容，两种系统线路有功损耗/无功损耗/电压损耗比较如表1:

表1 潮流计算数值比较

从以上数据可以看出:

(1)链式结构简单，控制简洁(如图2)，但是运行可靠性低，建设投资也低;

(2)链式结构的系统，功率损耗、电压偏差较单边环形大;

(3)环形结构(如图3)可以通过冗余线路来控制潮流方向，以减少线路故障带来的损失。

(4)环形在环形末端多出了三组35kV开关柜(如图3)，以及相关的控制、测量设备，线路的长度也是链式的2倍，增加了投资，也增加了环式结构复杂性和不可靠性。

鉴于此，采用单边环形集线方式在功率和电压损耗上都具有优越性，可有效降低升压站侧无功补偿设备(SVC、STATCOM等)的投资，也抵消了其在冗余线路和控制、测量设备上的前期投资，降低了并网后对系统稳定性的冲击，增加了系统的可靠性。

［1］王守相，江兴月，王成山．含风力发电机组的配电网潮流计算［J］．电网技术，2006，(11)．

［2］李蓓，李兴源．分布式发电及其对配电网的影响［J］．国际电力，2005，(9)．

［3］王承煦，张源．风力发电［M］．北京:中国电力出版社，2003．