风电场的计量系统及问题分析

赵世祥，赵俊新，付志刚，柴文战

（1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；2.国网长春供电公司，长春 130021；3.国网白城供电公司，吉林 白城 137000）

我国风力资源丰富，吉林省是国内六大风力发电基地之一。相对于火电厂，风电场计量系统有很多自身特点，比如关口电能计量装置既是发电装置又兼做购电装置。计量系统各环节的监控画面及电量监测数据存在着许多让业内技术人员困惑的地方，深入开展技术分析、计量管理探究很有必要，对于科学配置相关设备、合理调整节能运行方式，以及做好风电场营销、计量管理，有着重要的现实意义。

1 风电场的计量系统

1.1 风电场设计规模

风电场的典型设计规模是220kV 上网的200 MW 容量，依据风资源地理分布状况的差异，规模一般为100 MW 的整数倍，风资源很小的地理区域规模仅为50 MW。由于风资源地理分布或资金分期投入原因，已投运的风电场以100 MW 容量为大多数。200 MW 风电场的主要一次电气设备典型设计联络图见图1，典型设计中主变压器、无功自动补偿装置（SVG）的额定容量分别为100 000kVA 和10 000kVA。接地变压器兼站用变压器的容量应依据实际计算得到，一般为800kVA/400kVA 左右。如果均采用1.5 MW 额定容量的风机，200 MW 风电场典型设计发电线路为12条、每条线路大约11台风机。

1.2 风电场计量系统组成

以33 台1.5 MW 风机组成的额定容量为100 MW风电场为例，风电场的整个计量系统由下列几部分组成［1］：

a.每台风机产生的电能大多经变比为690V/35kV 的箱变升压汇集在35kV 低压母线上，每台风机的运行功率由机组控制柜中的功率采样模块采集传输到运行监控微机中显示；

b.35kV 低压母线上的各条发电线路、每台SVG 连接变压器的高压侧及每台接地变压器（其中1台还兼站用变压器）的高压侧都安装电能计量装置，接地变压器兼站用变压器抽头的低压侧安装380V 的电能计量装置；

c.一般情况下，33台风机的发电电能经6条35 kV 低压发电线路汇集在低压母线上，经一台额定容量为100MW 的主变压器升压成220kV，主变压器低压侧一般情况下不必安装电能计量装置，如果风电场设计规模总额定容量超过100 MW，则每台主变压器低压侧对应的35kV 母线要采取分段式连接，每台主变压器的高压侧均需安装电能计量装置；

图1 风电场计量系统简图

e.整个风电场停电检修时所需电能（包括办公楼生活用电），由该计量系统外的10kV 农电线路供电。

2 计量系统存在问题

主控室运行监控微机画面、电能计量装置运行性能、监测数据，风电场计量系统各环节需要进一步解决管理问题。系统性地探究这些计量问题，对于做好营销工作和调整运行方式有所帮助。

2.1 关口计量环节

a.在风机全部停运、风电场购网用电时，主控室运行监控微机画面显示上网线路侧的监测电流、瞬时功率仍为微正或零，即仍为发电状态，部分风电场只有在“深度购电”运行时，上网监控显示方为“微负”状态（甚至有的风电场从未显示过“微负”状态）。

b.从运行监控微机画面看，发电状态时上网线路侧功率因数均接近于＋1.00，而购网用电时显示接近于－1.00，或－0.50、－0.30、－0.1，最低－0.005均为常见。

c.当具有2台以上主变压器时，主变压器高压侧计量电量之和与上网线路侧关口计量电量差别较大。

d.以只有1 台主变压器的100 MW 风电场为例，在不使用加热或制冷设备的春秋季节，供电公司安装的国产计量表显示购网用电电流为0.008A 左右，而兰吉尔关口表常常显示为0.01A 或0.00A。

2.2 主变压器监控

a.购网用电时，主变压器高、低压两侧有功功率、功率因数监测数据不一致，主变压器低压侧监测数据变化较大且稍显频繁；

b.以只有1台主变压器的100 MW 风电场为例，主变压器高压侧监测的购网用电有功功率常常为270kW 及以下，甚至为零。

印度属于多民族国家，而且还受到中东及西洋文化的影响，因此，这里的饮食随着地区和宗教的变化而变化。南印度与北印度的饮食习惯差异很大，所以这些饮食习惯的形成并不是由于食物味道的好坏，而是因为宗教信仰的原因。不同的城市，不同的家庭，都有自己的饮食特色。印度菜口味较浓，但愈往北口味愈淡。

2.3 35 kV低压母线节点

a.我国风电基地的电网无功均适合在风电场升压站侧来进行补偿原因没有深入研究。

b.自动无功补偿装置（SVG）进行无功补偿时以什么技术指标为跟踪目标没有规定。

c.在发电及购电状态下，SVG 的投切转换时功率因数常常穿越零时对计量产生较大影响。

d.在发电及购电状态下，35kV 低压母线节点上每台SVG 以及接地变的负载损耗、空载损耗没有深入探究资料。

e.接地变压器兼站用变压器提供的站用电“损耗”功率大小不能准确测量。

2.4 风机及箱式变压器环节

a.风机投切过程中，自身损耗的切换状态及大小没有资料。

b.风机停运后，箱式变压器工作状态及损耗没有资料。

c.风机发电功率采集模块输出到运行监控微机中的显示值与电能表计量值差异较大，各环节监测数据存在很大的不平衡性。

d.风电场节能降耗的最优途径需要探究。

e.低压发电线路的自身线损缺乏研究资料。

3 结果分析及技术方向

风电场等新能源企业计量系统各个环节之所以存在这些需要探究的问题，主要是由于电能计量存在测量准确性的问题。造成这一问题的根本原因并不是因为电能计量设备的测量准确度不够，而是因为电能计量设备在某些测量区域的测量性能准确程度不高甚至没有测量性能，在这些特定区域内的偏弱测量性能又常常被电能计量设备的具体运行方式和参数所左右，即变化着的运行参数又使电能计量设备的测量性能产生进一步的差异，所以，系统地分析风电场整个计量系统测量设备的运行状态及其参数应是探究问题的切入点，解决微小电流的准确测量是探究所有计量方面问题的关键。

3.1 结果分析

a.上网线路侧和主变压器高压侧运行监控体系的监测显示情况，来源于上网线路侧电流互感器TA 和主变压器高压侧TA 的0.5级仪表监测绕组或继电保护某P级绕组，监测显示效果除了与设备测量性能有关，还与上网节点调度运行方式要求的电压、功率因数等主要参数相关。

b.关口电能计量装置的计量情况，来源于关口计量TA 的0.2S级电能计量绕组，关口计量的准确性与关口设备的运行性能有关。

c.各主要节点运行状态监测及厂用电考核计量点的采集情况，其监测显示情况来源于测量用TA的0.5级仪表监测绕组或继电保护某P级绕组，节点电量考核准确性来源于测量用TA 的0.2S级电能计量绕组，监测显示效果和考核电量准确性主要与当时无功补偿等运行参数综合作用下相关设备的测量性能相关联。

3.2 计量问题的核心

实际上，在旺风季节发电状态下，风电场运行监测效果及电能计量准确性是正常、准确、可信的，但在微风临界发电状态和风机停备购网用电状态时，因运行电流很小使运行监测系统和电能计量设备存在很多失准、失信现象；对关口计量准确性的影响程度也需要进一步确认，以确保关口贸易电量及双方经济利益的公平、公正。

综上所述，微小电流能否准确测量是风电场等新能源发电企业计量系统一系列现状与问题的症结，探究目前采用的测量用电流互感器（尤其是关口计量TA）的运行性能及其测量准确性是解决问题的关键。

3.3 技术方向

a.设立几个典型规模的风电场系统分析计量问题，并建立典型分析单元模型以使不同规模、具体设计有所差异的风电场计量问题简单化。在全部风机停运待机状态下，深入细致分析每一电气设备及办公楼设施的运行状态、运行参数及其性能指标，找到典型分析单元购网用电时电流最大值与最小值，最大值用以说明现用电能计量装置无法实现准确测量，最小值用于解决问题设定预期技术指标，能达到的启动电流指标越小越好。

b.除了以常规风电场发电状态最大电流作为关口计量装置测量电流外，应满足Q/GDW 23－6935－2013－10608《弱磁场电流互感器技术条件》的要求，在合理考虑额定热、动稳定性要求的前提下，确立典型分析单元关口计量设备运行参数的合理保证区间，即“弱磁场测量范围”，此时电气设备的运行状态称之为“弱磁场运行工况”，寻求实现该工况下关口计量装置更加准确计量的科学合理方案，在此方案指引下寻求具体的实施途径和措施，并挂网试运行予以验证发电、购电状态的准确度，从而使其他次要的计量问题迎刃而解。

c.在综合考虑调度运行方式、无功补偿等要求因素下，给出有利于风电场计量系统更加准确计量、更加科学合理运行的相关设备（尤其关口计量设备）配置建议。

［1］ 朱永强，张旭.风电场电气系统的构成［M］.北京：机械工业出版社，2010.