风电场无功补偿装置的配置分析

刘中

[摘    要 ]本文将风电场无功配置原则进行了阐述，从而就风电场开关站无功补偿装置的无功损耗计算分析进行了深入地分析，着重从送出线路、风电机组、集电线路、箱变、主变等几个方面进行了论述。在满足无功补偿要求的基础上，实现了无功补偿装置SVG的配置优化。

[关键词]风电场;无功配置;动态无功补偿装

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）09–00–02

[Abstract]This paper expounds the principle of reactive power allocation in wind farm combined with the author's working practice， and analyzes the calculation and analysis of reactive power loss of reactive power compensation device in wind farm switch station in depth， focusing on the transmission line， wind turbine， collector line， box transformer， main transformer and so on. Based on satisfying the requirement of reactive power compensation， the configuration optimization of reactive power compensation device SVG is realized.

[Keywords]wind farm; reactive power configuration; dynamic reactive power compensation installation

近年来，我国清洁能源发展取得巨大成就，以风能、太阳能为代表的新能源已经全面进入增量替代阶段，改变了传统的水力、火力等发电模式，也带了了一些新的问题。

风力发电由于具有不可控性、随机性、间歇性的特点，导致在风电场运行过程中风电场出力和升压站电压波动发生较大的变化。与此同时，风机经风电场变压器升压以后，再将它送入电网，这将会产生一些无功损耗，因此，我们应在风电场安装相关的无功补偿装置。本文结合工程实践，就枣阳太平风电场无功补偿装置配置问题进行探讨。

1 风电场概况及开关站一次接线

枣阳太平风电场装机规模49.5 MW，以2回35 kV线路接入110 kV沙河变的35 kV母线侧，线路长度约2×15 km，导线截面LGJ-240。太平风电场系统接入图如图1所示。

本风电场工程拟安装33台单机容量1.5 MW的风电发电机组，采用“一机一变”单元接线形式，风力发电机额定输出电压为0.69 kV，通过33台容量为1.6 MVA，变比为37.5±2×2.5 %/0.69 kV的箱式变升压至35 kV。单回集电线路接线图如图2所示，每10台或12台箱变在高压侧并联，通过3回35 kV集电线路接入风电场35 kV开关站的35 kV母线侧。

开关站的主接线图如图3所示，3回35 kV集电线路接入风电场开关站的35 kV母线侧，开关站最终通过2回35 kV线路送入电网系统。一般开关站还配置有35 kV所用变，这里为讨论主要内容。

2 风电场无功补偿配置原则

根据《风力发电场设计规范》GB51096-2015及《风电场接入电力系统技术规定》GB/T19963-2011相关规定，风电厂的无功补偿配置应考虑以下几个原则。

2.1 风电厂的电压控制

（1）在风电场进行无功电压控制系统配置，实现了电压控制。对于公共電网来说，如果其电压正处于合理范围之内，可利用风电场对风电场并网点电压进行控制，一般将它控制在97 %～107 %标称电压范围内。

（2）在变电站主变压器选择时，应选用有载调压变压器，利用分接头进行电压调节，无功补偿装置可接在风力发电场的主变压器低压侧母线上，也可接在主变压器第三绕组上。

2.2 风电厂的无功补偿配置

（1）对于风电场来说，其无功电源主要由于两个部分组成，即无功补偿装置和风电机组。风电机组的功率因数应满足动态可调要求，一般控制在超前0.95～滞后0.95的范围内。

（2）如果电网的风电场能够直接接入，需要配置容性无功容量，这样可实现风电场满发时场内不同配置的补偿，包括主变压器的感性无功、汇集线路等。同时，对于送出线路的一半充电无功功率以及风电场容性充电无功功率，可通过配置的感性无功容量进行补偿。

（3）对于220 kV风电场来说，可利用汇集系统进行升压，当升压至500 kV电压等级时，应与公共电网的风电场相连，且能够利用容性无功容量配置对主变压器的感性无功、汇集线路等进行补偿，且对于送出线路的一半充电无功功率以及风电场容性充电无功功率，可通过配置的感性无功容量进行补偿。

（4）对于最大单组无功补偿装置，在投切时将会引起母线电压变化，但这个变化不能超过电压额定值的2.5 %。

3 风电场无功补偿计算方案

3.1 变压器的无功损耗

变压器的无功损耗计算公式如下：

变压器电抗：

变压器损耗：

其中：VX %为变压器短路电压;VN为变压器额定电压， kV;IN为变压器额定电流，kA;I0 %为变压器空载电流;SN为变压器额定容量，MVA;PLDb为负荷的有功，MW;QLDb为负荷的无功，MVar。

3.2 送电线路无功损耗

送电线路无功损耗计算公式如下：

式（3）中：PLDb为负荷的有功，kW;QLDb为负荷的无功， kVar;BL为线路电纳，S;XL为线路电抗;VNL为线路额定电压， kV;V为实际线路电压， kV;ILDb为线路负荷电流，A。

3.3 风电场无功补偿

太平风电场发电机为直驱永磁同步电机，功率控制方式为变速变桨距控制，风机采用无功功率变流器上网，可实现无级快速动态无功功率调节，自身具备功率因数﹣0.95～+0.95对应的无功调节能力。故在考虑标准配置情况下，补偿前风电场的功率因数按1.0计算，对该类型风机不考虑无功补偿。

4 计算结果与分析

4.1 箱式变压器的无功损耗

风电场内配置33台35 kV/1.6 MVA的箱式变压器，箱变短路阻抗按6.5 %计，按上节中公式（1）、（2）计算，电站满发时箱变总无功功率消耗约3.02 MVar。

4.2 枣阳太平风电场内35 kV送电线路损耗

根据线路长度计算线路的无功损耗，按上节公式（3）计算结果为风电场送电线路电抗中的无功功率损耗总计约1.7287 MVar。

4.3 风电场35 kV出线一半线路无功损耗

风电场满发时，按按上节公式（3）计算，2回35 kV送出线路一半无功损耗约为2.68 MVar;风电场停发时，2回35 kV送出线路一半的充电功率是0.056 MVar。

4.4 风电场无功补偿

考虑风电机组配置标准模块，风电机组功率因数为1，风电场满发时，风电场内箱变、以及送出线路一半感性无功之和7.42 MVar;风电场停发时，送出线路一半容性无功之和为0.056 MVar。

建议风电场内装设动态无功补偿装置容量留有一定的裕度，建议风电场开关站侧装设容量为8 MVar的动态无功补偿装置。

5 结语

本文首先介绍了风电场开关站接入系统方案及一次接线，并分析了风电场的无功损耗和充电功率构成、计算公式等，并结合工程实践案例，对风电场的充电功率及无功损耗进行计算分析，从中提出了风电场无功补偿的优化配置方案。通过无功补偿计算方法的探讨，为今后风电场接入电力系统设计提供理论依据。

参考文献

[1]风力发电场设计规范：GB51096-2015[S].

[2]风电场接入电力系统技术规定：GB/T19963-2011[S].

[3]吴斯，沈石水.风电场无功补偿装置的优化配置分析[J].风能，  2014（5）：62-67.

[4]王天宇，李岩，陈远华.暂态风电场无功补偿配置優化及评估方法[J]科技成果管理与研究，2015（6）：51-56.

[5]王强，陈江巍.风电场无功补偿装置配置浅析[J].工程技术（引文版），2016（9）：246.