风电场无功补偿容量的估算与补偿方式选择

石 巍,张彦昌,张 超

(中南电力设计院,武汉 430071)

在并网运行的风力发电项目中,升压站是将风电电力输送到电网的关键环节。在风电场实际运行中,由于风力的间歇性和随机性,导致风力发电机组不能持续稳定地发电,而风力发电机组的不稳定运行(尤其是频繁启动、脱网、低电压穿越等过程)会造成升压站电压非常大的波动,威胁到用电安全。为了保持升压站的电压波动在要求的范围内,就需要在升压站进行动态无功补偿,因此研究升压站的无功补偿容量和无功补偿方式,对于风电场来说非常重要。本文将讨论升压站的无功补偿容量的估算方法,包括变压器、风电场架空集电线路和风电机组的无功功率的估算,并举例说明估算的结果,还将对补偿方式的选择展开讨论。

1 升压站无功补偿容量的估算

一般情况下,风电场升压站的无功补偿容量应该满足系统稳定要求、满足升压站稳定运行的要求和满足风电电力不稳定时升压站运行的要求,这些要求都与变压器、风电场架空集电线路和风电机组的无功功率有关。

1.1 变压器

为了满足升压站稳定运行的要求,风电场升压站的无功补偿容量必须补偿电气设备,例如主变、箱变等的无功损耗。

式中:ΔQT为变压器的无功损耗;ΔQ为变压器的励磁损耗;ΔQs为变压器漏抗中的损耗(负载无功损耗);S为变压器的视在功率;SN为变压器的额定容量;I0%变压器空载电流百分数;Us%为变压器短路阻抗百分数。

1.2 风电场架空集电线路

为了满足系统稳定要求,风电场升压站的无功补偿容量必须能够补偿输电线路的无功损耗:

式中:ΔQ为架空线路的无功损耗;ΔQL为架空线路中电抗的无功损耗;ΔQB为架空线路的充电功率;P1和Q1分别为架空线路输送的有功功率和无功功率;U1和U2分别为架空线路两端的电压;X为架空线路的电抗;B为架空线路的等值电纳;I为架空线路的电流。

与线路中电抗的无功损耗ΔQ L相比,35 kV线路的充电功率ΔQB很小可以忽略不计。各种电压等级架空线路的电纳值变化不大,单导线线路单位长度的等值电纳为2.8μS/km。

1.3 风电机组

为了保证风电电力不稳定时风电运行的稳定,升压站必须补偿风力发电机组吸收的无功功率。目前应用较多的风力发电机组按照发电机的类型大致可以分为恒频恒速异步发电机、恒频变速双馈异步发电机和直驱永磁同步发电机。

1)恒频恒速异步发电机 以金风750 kW的风电机组为代表的恒频恒速异步发电机是一种鼠笼式异步发电机,通常在机端都并联了无功补偿装置,采用多组电容器组分组投切的方式进行无功补偿,补偿容量一般是风机容量的30%～50%左右,风机正常运行时的功率因数可以保证大于0.98。但是鼠笼式异步发电机在启动过程中需要吸收大量的无功功率,吸收的无功容量接近于发电机的容量。因此,对于采用恒频恒速异步发电机的风电场,要保证其启动过程的电压稳定,还需要增加无功补偿容量。每一台机组本身设置虽然都有无功补偿装置,但是容量不能满足风机启动和脱网时的无功功率要求,恒频恒速异步发电机的启动和脱网需要从系统吸收50%～70%机组容量的无功功率。当然,整个风电场所有风机同时启动或脱网的可能性比较小(一般会存在先后时间间隔,而风机吸收无功功率的时间大约是0.1 s),因此风场如果全部采用恒频恒速异步发电机,所有的发电机组无功补偿容量的估算可以取30%的总装机容量。

2)恒频变速双馈异步发电机 以华锐1500 kW的风电机组为代表的恒频变速双馈异步发电机是一种绕线式异步发电机,在转子绕组装设有控制单元,可以控制发电机机端电压的幅值和频率。控制单元实质上是一台变流器,一般采用背靠背双PWM结构,正常运行时通过控制转子电流的频率、幅值和相位让定子频率、机端电压和功率因数保持恒定,不需要电网提供无功功率。但在风电场故障或低电压穿越过程时,电网电压出现大幅度跌落,定子回路通过较大的故障电流,转子控制回路可能因为过流保护动作而闭锁转子侧变流器并且投入转子回路旁路保护装置(释能电阻),同时双馈感应发电机按电动机方式运行。在这种情况下控制单元的网侧变流器虽然也能发出无功功率来调整机端电压,但是一般只有发电机组容量的30%左右,不能完全满足处在电动机状态的发电机组对无功功率的需要,因此发生低电压时发电机组还需要从系统再吸收一定的无功功率。考虑到正常运行时恒频变速双馈异步发电机不需要电网提供无功功率,无功补偿仅仅为了对付风电场故障或低电压穿越需要,因此整个风电场如果全部采用恒频变速双馈异步发电机,当其处于低电压穿越过程时,风力发电机处于感应发电机的运行状态,建议增加无功补偿容量为10%～20%的总装机容量。

3)直驱永磁同步发电机 以金风1500 kW的风电机组为代表的直驱永磁同步发电机第三类风机在机端装设有全功率变流器,可以控制发电机输出电压的幅值和频率。正常运行和风电场故障时,全功率变流器可以进行无功功率调节,永磁同步发电机都不需要从系统吸收无功功率。变流器的容量和发电机的容量是匹配的,因此整个风场如果全部采用直驱永磁同步发电机,也可以不考虑增加无功补偿容量。

2 风电场无功估算举例

对于处于电网枢纽中心的风电场或大型风电场,其无功补偿除了考虑单个风电场内所需求的无功功率之外,还需要从整个电网的角度来分析无功补偿容量,因此需要进行潮流计算和分析。对于电网末端的中小型风电场,风电场运行对电网的影响相对较小,在缺少系统资料的情况下,可以认为在电网接入点处实现了无功平衡。

例如某50 MW风电场布置1500 kW的风电机组33台,风电场配备一台额定容量 SN为50 MVA的主变,该变压器的 I0%为 1%,U s%为10.5%,代入式(1)可以得到主变无功损耗为5.65 MVA;每台机组配备额定容量 S N为1.6 MVA的箱变,I0%=1.4%,U s%=6.5%,无功损耗为0.114 MVA,33台箱变的无功损耗约为3.762MVA。

主变无功损耗:

箱变无功损耗:

代入数据可以得到主变无功损耗和箱变无功损耗分别为65.65MVA和0.114MVA.

集电线路三回,每回长度7 km,如果集电线路采用架空线路,导线根据经济电流密度可选择为LGJ-185/30,利用式(2)可以得到架空线路的无功损耗为1.87 MVA。如果集电线路采用电缆线路,电缆根据负荷电流可以选择截面150 mm2的铜芯电缆。该电缆的电抗X为0.125Ω/km,对地电容C为0.167μF/km,则电缆线路的无功损耗为-0.77 MVA。

架空线路的无功损耗:

代入数据,架空线路无功损耗为1.87MVA。

电缆线路的无功损耗:

代入数据,电缆线路无功损耗为-0.77MVA。

风电场总容量约50 MW,风电机组采用恒频恒速发电机,发电机组吸收的无功功率为风电场总容量的30%,即15 MVA;采用恒频变速发电机组,吸收的无功功率为风电场总容量的10%,即5M VA;采用直驱同步发电机组,吸收的无功功率接近零。

50 MW风电场工程几种组合方案的无功损耗估算见表1,风电场无功功率包括主变无功损耗5.65MVA,箱变无功损耗3.762MVA,10 km外送线路的无功功率0.8M VA,不同发电机组和不同集电线路的无功功率是不同的。

表1 风电场采用不同发电机组和不同集电线路的无功功率 MVA

根据表1,对于机型为恒频恒速发电机的风电场,建议为整个风电场装机容量的 50%～60%;对于机型为恒频变速发电机的风电场,建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的30%～40%;对于机型为直驱同步发电机的风电场,建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的20%～30%。

目前大部分风电场的风机只能实现对自身的无功功率调节,在很多情况下还需要吸收风电场升压站的无功功率。如果能够实现风电场所有的风电机组都联合参与无功功率的调节,一方面能够减少升压站无功补偿装置的容量,另一方面可以提高无功补偿的响应速度,这将是风电场未来发展的趋势。

3 风电场升压站的无功补偿方式

目前常用的无功补偿方式大致分为集合式并联电容器组、并联电容器组加调压变压器、静止无功补偿装置和静止无功发生器4种,4种无功补偿装置的特点比较见表2。

表24 种无功补偿装置的特点比较

1)集合式并联电容器组 并联电容器组只能通过开关分组投入或切除,但分组数量有限,一般是2～4组,通常用于电网的变电站。

2)并联电容器组加调压变压器 调压变压器可以通过机械开关改变变压器的抽头实现有级差的调节补偿的无功功率,但调压变压器的抽头数量有限,一般是九档,同时还有一定的基准无功容量,因此无功功率的调节能力有限。

3)静止无功补偿装置SVC(Static Var Compensator) SVC又分为 MCR型、TCR型和TSC型。其中MCR型SVC是将集合式电容器组和磁控电抗器作为一个整体并联到电网中,通过改变磁控电抗器的饱和程度来调节感性无功功率的容量,从而实现调节容性无功功率。TCR型SVC是将集合式电容器组和相控电抗器作为一个整体并联到电网中,通过晶闸管线性控制电抗器来调节感性无功功率的容量,从而实现调节容性无功功率。TSC型SVC是通过晶闸管的导通和关断来实现电容器组的投入和切除,但无功功率调节的线性度和电容器组的分组数量之间很难做到两全其美。MCR型SVC和TCR型SVC在风电场升压站中运用得较普遍,TSC型SVC一般用于低压领域。

4)静止无功发生器SVG(Static Var Generation) 通过使用大功率可关断晶闸管(GTO)器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿装置虽然价格较高,但还是风电场无功补偿发展的趋势。

风电场的升压站应该选用无功功率调节线性度较好的补偿装置。MCR型SVC损耗虽然较高,但价格较低,比较适合于中小型风电场。TCR型SVC的晶闸管直接安装在高压回路中,故障率和损耗均最高,因此不推荐采用。同是TCR型的SVG的价格虽然要比SVC高一些,但占地面积小、运行和维护费用低,因此很适合用于风电场升压站无功补偿。

4 结论

1)对于处于电网枢纽中心的风电场或大型风电场,考虑到电网的稳定性,需要进行潮流计算以确定风电场升压站应补偿的无功容量。

2)对于处于电网末端的中小型风电场,考虑到其对电网影响相对较小,在缺少系统资料的情况下可以根据发电机类型进行估计。对于采用恒频恒速发电机的风电场,建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的50%～60%;对于机型为恒频变速发电机的风电场,建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的30%～40%;对于机型为直驱同步发电机的风电场,建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的20%～30%。

3)新建的或有条件的风电场采用风电机组无功调节,应充分发挥每台机组的无功调节能力。

4)风电场的无功补偿容量还要考虑具体的工程情况和电网情况,最终的补偿容量需要由接入系统设计部分确定;对于风电场升压站的无功补偿装置,处于电网末端的中小型风电场可以考虑装设MCR型SVC,处于电网枢纽中心的风电场或大型风电场可以考虑装设SVG。