风电场无功补偿设计研究

2016-08-24宋佳俊

现代建筑电气 2016年6期

关键词：风电场损耗风机

宋佳俊

(上海市政工程设计研究总院有限公司, 上海　200092)

风电场无功补偿设计研究

宋佳俊

(上海市政工程设计研究总院有限公司, 上海200092)

为使风电场并网点电压相对稳定,需通过对风电场进行无功控制以实现电压控制。结合某风电场无功补偿实例,从风电场无功补偿目的及要求、无功损耗计算、无功补偿装置方式比选、无功补偿装置工程方案方面分析了风电场无功补偿的方案设计。选用静止型动态无功补偿装置作为风电厂无功补偿装置,能够很好地满足风电场对于无功补偿装置的性能需求,其装置容量应根据风电场实际情况进行无功损耗计算后再进行选择。

风电场; 电压控制; 无功损耗; 静止型动态无功补偿装置

0　引　言

开发新能源是我国能源发展战略的重要组成部分,风电场项目的开发建设符合我国能源发展战略和可持续发展方向。由于风电场需并入电网,因此需对并网点电压实现控制。风电场无功功率控制是实现并网点电压控制的重要手段,相关无功功率补偿方案不仅需满足电网对风电场无功功率容量的要求,更需满足电网对风电场通过无功功率自动调节以实现并网点电压自控调节的要求[1-4]。

本文结合某风电场实例,介绍了风电场无功补偿设计方案研究。

1　项目概况

某风电场装设24台2 MW风力发电机组,场内采用1台风机配1台35 kV箱变的形式,风机出口电压为690 V,经箱式变压器升压至35 kV,风机升压后采用分段串接汇流接线方式接入风电场升压站。风电场110 kV升压变电站建设规模为1×50 MVA,经1回110 kV 架空线出线并网。风电场主接线如图1所示。

图1　风电场主接线图

2　风电场无功补偿目的及要求

风电场通过升压实现并网,当风电场并网点的电压偏差在额定电压的-10%～+10%时才能正常运行;且当公共电网电压处于正常范围时,风电场应当能控制风电场并网点电压在额定电压的97%～107%。所以,风电场需具备对并网点电压的调节控制功能,其调节速度和控制精度应能满足电网电压调节的要求。风电场-无限大系统间简化电路如图2所示。

图2　风电场-无限大系统简化电路图

需要进行电压调节控制的风电场并网点电压为

(1)

式中:U2——电力系统公共接入点电压;

P2——线路输送有功功率;

Q2——线路输送无功功率;

R——线路电阻;

X——线路电抗。

通常情况下,有

所以式(1)可以简化为

(2)

从式(2)可以看出,当确定接入系统外线后其参数即可确定了。公共接入点电压U2由电网侧确定,线路输送有功功率P2主要由风机出力情况决定,所以要对U1进行调节就需对Q2进行调节,而Q2主要由风电场无功功率Q1决定,因此要实现并网点电压的调节控制功能,风电场就必须具备无功功率调节控制功能。

风电场的无功电源包括风电机组及风电场无功补偿装置。风电场可以利用风电机组的无功容量及其调节能力,但由于风电机组出口功率因数为-0.98～0.98,所以仅靠风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要,应在风电场集中加装适当容量的无功补偿装置,且无功补偿装置应具有自动电压调节能力[5]。

《国家电网公司风电场接入电网技术规定》中对于无功补偿装置的容量也有相关要求。对于直接接入公共电网的风电场,其配置的容性无功容量除能够补偿并网点以下风电场汇集系统及主变压器的感性无功损耗外,还要补偿风电场满发时送出线路50%的感性无功损耗;其配置的感性无功容量能够补偿风电场送出线路50%的充电无功功率。

3　风电场无功损耗计算

风电场无功损耗主要包括主变无功损耗、风力发电机组箱变的无功损耗、场内集电线路无功损耗以及送出线路无功损耗,其中送出线路无功损耗由接入系统提供。

主变、箱变无功损耗为

(3)

式中: ΔQ0——变压器空载无功损耗;

ΔQk——变压器满载无功损耗;

Sc——变压器计算负荷;

Sr——变压器额定容量。

集电线路无功损耗为

(4)

式中: ΔQL——集电线路无功损耗;

X——每相线路电抗;

IC——计算相电流。

风电场充电无功主要为场内集电线路充电无功,即:

(5)

式中:XC——每相线路容抗;

U——线路线电压。

由于风电场无功损耗随电流即风电场出力情况变化,所以需统计风机满发及风机零出力两种工况下风电场无功损耗的无功损耗情况,得出风电场所需无功补偿功率范围。风电场无功损耗如表1所示。

根据上述计算,风机满出力时风电场需配置的容性无功功率为8.03 Mvar;风机零出力时,风电场需配置的感性无功功率为2.22 Mvar。因此,该风电场需配置-3～9 Mvar动态无功补偿装置。

表1　风电场无功损耗　kvar

4　风电场无功补偿装置比选

根据风电场无功损耗计算结果,风电场所需配置的动态无功补偿装置需在感性及容性无功之间可调。目前风电场采用的动态无功补偿方案可分为三种方案:① 并联电容器、电抗器式无功补偿装置;② 静止式动态无功补偿装置(SVC);③ 静止式动态无功补偿装置(SVG)。

并联电容器、电抗器式无功补偿装置属于有级调节方式,基本不产生谐波电流,但也并不具备三相平衡能力。尽管可以在电容器、电抗器前段增加有载调压变压器,通过调节变压器分接头来改变电容器、电抗器间的端电压,以实现各级间的分步调节,但终究还是属于有级调节方式,且其响应速度受制于投切开关设备的投切速度。

SVC是基于大功率开关元件晶闸管控制的动态无功补偿装置,通过调节晶闸管导通角来改变流过其内部电抗器的电流,从而改变电抗器的等值电抗,来实现无功功率调节。SVC采用的开关器件为晶闸管,属半控器件,只能人为控制其导通,必须过零关断。因此,SVC响应速度受电网工频制约,每个周波内最多关断两次,系统响应时间不可能小于10 ms,抑制电压波动与闪变的能力可达50%。由于功率器件为大功率晶闸管,其工作时会产生整流类设备的5、7、11次特征谐波,因此需加装5、7、11次滤波通道。SVC动态无功补偿装置占地面积相对较大,整体损耗约为其额定容量的1.5%～2.0%。

SVG工作原理如图3所示。

图3　SVG工作原理

SVG功率单元主要由IGBT、二极管、薄膜电容和驱动板组成,工作时由IGBT将薄膜电容输出的直流电压逆变为与电网电压同频同相的交流电压波形。设电网电压和SVG输出的交流电压分别为US和Ul,则连接电抗X上的电压UL即为US和Ul的相量差,而连接电抗的电流可以由其电压来控制。该电流就是SVG从电网吸收的电流IL。在这种情况下,只需使Ul与US同相位,仅改变Ul幅值大小,即可控制SVG从电网吸收的电流是超前90或滞后90,并且能控制电流的大小。

SVG关断时间不受电网工频限制,响应速度小于5ms,抑制电压闪变的能力可达80%。同时,SVG也是一种滤波装置,通过全控器件IGBT的控制还可以实现13次以下谐波的滤波功能。SVG动态无功补偿装置占地面积相对较小,整体损耗约为其额定容量的0.8%。

综上所述,并联电容器、电抗器式无功补偿装置属于有级调节方式,且响应速度受制于投切开关设备的投切速度,目前已不能满足现代风电场对无功补偿装置的要求。SVG较SVC,具有响应速度快、调制精度高、占地面积小、整体损耗低等优点,更能适应现代风电场的无功补偿装置需求,且避免了滤波器滤波效果受系统阻抗影响、设计不当时可能引发谐振的风险。因此,最终选择SVG作为该风电场的无功补偿装置。

5　风电场无功补偿装置工程方案

由于该风电场风电机组采用1台风机配1台35 kV箱变的形式,风机出口电压为690 V,经箱式变压器升压至35 kV,汇流升压后通过110 kV线路并网,且SVG需具备一定的空间安装,所以合理的动态无功补偿装置的接入点还是在风电场升压站内汇流35 kV母线。根据风电场无功损耗计算结果,该风电场需配置-3～9 Mvar动态无功补偿装置,而可以配置的容性及感性无功功率等值,所以选择直接安装1台-9～9 Mvar SVG。SVG接入系统电压为35 kV,所以可以直接采用35 kV等级接入风电场35 kV母线,也可以采用10 kV等级,然后升压至35 kV后接入风电场35 kV母线。故增加了1个可能存在的故障点,且升压变自身也存在损耗,所以该风电场采用35 kV等级SVG和1台35 kV开关柜直接接入风电场35 kV母线的方案。方案系统电路如图4所示。

图4　方案系统电路

SVG运行需对系统进行采样,其采样电流选择在110 kV主变高压侧、低压总进线侧及35 kV开关柜侧,采样电压选择在110 kV侧及35 kV母线侧,保证SVG能根据系统实时状态准确运行。

因SVG占地面积小,所以在该风电场采用全户内式安装方式,避免了户外型设备占地面积大、维护量大、易受环境影响等缺点,可直接安装在风电场升压站设备楼内,并通过电缆与风机汇流母线上35 kV开关柜进行连接。

6　结　语

本文介绍了风电场无功补偿设计,提出动态无功补偿装置SVG具有响应速度快、控制精度高、占地面积小、整体损耗低、安全系数高、可靠性好等优点,能很好地满足风电场对于无功补偿装置的性能需求,其容量应根据风电场实际情况在无功损耗计算后再进行选择,而接入风电场电气系统的接入点可以选择在升压站风机汇流母线上。

[1]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

[2]杨校生,吴金城.风电场建设、运行与管理[M].北京:中国环境科学出版社,2010.

[3]胡超,李新强,金宝俊.基于SPIL技术的混合式动态无功补偿装置研究[J].电器与能效管理技术,2015(20):49-55.

[4]袁翔,朱钦,赵晓峰,等.SVC与STATCOM建模及风电场仿真应用研究[J].电器与能效管理技术,2014(22):71-74.

[5]王嘉毅,张延迟,杨宏坤,等.基于蒙特卡洛法风电场谐波叠加可靠性评估[J].电器与能效管理技术,2015(22):52-58.

Research About Reactive Compensation Design of Wind Power Plant

SONG Jiajun

(Shanghai Municipal Engineering Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

In order to insure the stability of the wind plant’s grid connected point,the voltage should be controlled by dealing the reactive compensation of wind plant.Combining by a wind power plant as example,the reactive compensation designs of wind power plant were analyzed in aspects of the purpose and demand of reactive compensation,reactive losses calculation,comparesion of reactive compensation devices,and project scheme of reactive compensation device.Finally,the static var generator was selected as the reactive compensation device of wind powerplant,which can meet the performance requirements of wind power plant.According to the actural situation of wind power plant, the capacity of static var generator is selected after the reactive power loss is calculated.

wind power plant; voltage control; reactive compensation; static var generator