摘要：风电场运行中，由于风力发电机组运行及风场接入系统的特殊性，使得从风力发电机到升压站高压线路出口（关口计量点）的电网体系中，其网络节点上无功的流向和电压的控制，成为了电能传输的根本保障。本文从风力发电机组无功能力（功率因数）、风电场接入电力系统的技术要求、无功补偿容量的配置，及电力网潮流计算的结果来分析，阐明正确的设计程序及解决该课题的关键。

   关键词：无功补偿；潮流计算；升压变电站

   Abstract: In the windfarm, the special nature of WTGs and access System,makes the control of the flow of reactive power and the conformity of Voltage inthe network nodes in the grid system from WTGs to the export of high voltagetransmission(Metering point), the fundamental guarantee of power transmission inthe network. By analyzing the capabilityof the WTGs(Power Factor), the technicalrequirements of grid system, the reactive power compensation capacity, and theresults of power flow calculation, the article clearly explains the key of solving theissue and the order of layout, due to.

   Key words: Reactive power compensation; Power flow calculation; Boost transformersubstation 

   1 前言

   当前，大中型风力发电机的主流机型，结构一般为双馈型或直驱型，其结构上的限制，使其发出无功的能力较弱。
        
             
         
                                图1为V90双馈风机的有功无功图。  

    直驱型风机的无功特性与双馈的类似。当机端电压为额定电压时， 金风1 . 5MW机组的无功功率与有功出力的关系，如图2所示。图中阴影部分为各个运行点中可实现的无功控制范围，即在任何出力下，风机的无功功率可调节范围为-500kVar~500kVar，根据综合效益，推荐风机运行的功率因数在-0.975~+0.975之间。

              
                               图2 直驱风电机组典型无功能力图

    这仅是设计上的理论范围，近年实践中，出于经济性考虑，机组制造往往是cosф＝1。这表明风力发电机只能作为电力系统的有功源，不能作为无功源，风电场不能像火电厂、水电厂那样，既可向系统输送有功又可满足系统对无功的需要，因此电力系统对风电场的接入运行，做出了严格的规定。

    例如某省电力公司在对风电场接入系统的文件中规定：风电场本体设计应考虑必需的无功配置，投运后不得从大网吸收无功，在购电协议中也将予以明确，并作为运行考核内容。

    2 升压站中无功补偿要求

    华能洮北风电场使用的是双馈风力发电机组，升压站的电气主接线及运行方式如下：升压站3台主变压器分列运行，高压侧连接在共同66kV的母线上，而低压侧10kV侧不并联运行。风电场每一台发电机都采取发－变单元组接线，所接箱式变压器，其中大部分选用油浸式，电压变比为10/0.69kV。这是第一级升压，其目的是将电能升到风电场集电线路的电压等级，通过集电线路再汇集到风电场变电站10kV配电装置的汇流母线上。风电场电气主接线示意图如图3所示。
       
                
                             图3 风电场电气主接线示意图

    根据国家电网公司对风电场的有功控制、无功控制、电压调节等方面做出具体的要求和建议性规定，华能洮北风电场无功配置如下：一期安装2套3Mvar固定补偿电容，二期安装1套有载调压无功补偿装置。

    风电场发出和吸收无功功率的主要电气设备有风力发电机组、一次升压用箱式变压器、汇流线路、升压站主变压器以及场用变等。

    为保证在风电场机组满出力情况下，不从电网吸收或大量无功，风电场需要配置电容补偿容量应为各台主变压器满容量运行时无功损耗和主变低压侧各集电回路连接的机组变压器（通常为单体的箱式变压器）的损耗之和。若洮北风场采用电缆线路作为集电线路，其充电电容效应显著。近似的公式如下：

           

    其中： Q_b —升压站中各主变压器无功损耗；

    Q_x —各风电机组配套容量的箱式变压器无功损耗；

    Q_L —各集电回路电缆段的电容功率总和；

    m —主变压器台数；

    n —风电场箱式变压器台数。

    电力系统通常要求大型风电场升压站设置一定容量的动补无功，以利于系统的静态稳定。由于风电场满容量运行的概率很小，且风电机组年利用小时数一般为2000小时左右。

    根据其他已建风电场的经验，风电场满发时所需无功功率最大，在计算无功补偿装置容量时分别计算风电场100%、75%、50%以及25%额定装机容量考虑。

    风电场无功不变损耗主要包括升压站主变的空载损耗，集电线路充电功率，风电机组单元升压变空载损耗等三部分。风电场无功可变损耗随风电场发出电力的变化以平方关系而变化，当风电场出力最大时，可变损耗达到最大。根据洮北风电场运行的实际情况，58台风电机组最大出力同时率按95%考虑，可变损耗主要包括升压站主变的满载损耗，集电线路最大无功损耗，风电机组单元升压变满载损耗等三部分。根据以上原则计算，洮北风电场升压站66kV母线的无功特性为最小值为-670kVar（在风速3m/s以下，风机处于不发电状态），随发电量增加而增加，满负荷时达到最大值6870kVar。设计基建安装时在10kV侧安装2套3000kVar集合式高压并联电容器组；实际运行时根据风电场负荷出力、以及调度要求，分组投入运行。操作比较频繁。

    风电场升压站内低压侧的电压水平，通过上述的电容补偿得以控制，根据无功电压考核指标计算公式：母线电压合格率=母线电压合格小时数/母线运行小时数*100%。

    电容器可投入率=（运行千乏小时+备用千乏小时）/安装容量x日历小时x100%

    华能洮北风电场电压合格率是比较高，满足了电网公司的要求。随着二期的建设，洮北风电场又配置了一套6000kVar有载调压型无功补偿装置，并且计划充分发挥双馈风电机组的无功能力，以解决因部分因无功，及66KV母线电压升高而限电的问题。

    3 升压站中主变压器抽分接头的确定

    风电场升压站的高压侧电压要满足并网要求，就必须合理确定升压站中主变压器分接头。电力系统对风电场并网点电压的规定是：当并网点电压在额定电压的90％~110％范围内，风电场应能正常运行。这就要求风电场主变压器，要适用于电压波动大、电压变化频繁的特点。

    此外风电场的运行方式较复杂，它时而作为电力系统的交流电源输出电力，时而又作为电力系统的供电对象，以满足所用电及机组启动前的辅助设施用电，为满足上述要求，最有效的办法是主变压器都采用有载调压方式，抽分接头范围66±8×1.25％。利用主变的有载调压装置采用逆调压方式，一方面满足并网点系统电压运行中的波动，一方面将10kV侧的电压波动范围控制在1.25％额定电压范围内。

    4 箱式变压器分接头的选择

    由于升压站采取有载升压变压器，并且按电力系统要求装设电容器无功补偿装置，这样升压站低压侧电压基本稳定在10kV，因此风电机组按发电机－变压器单元配置的变压器都选用无励磁调压变压器，高压侧设计为10±2×2.5％kV，低压侧设计为0.69kV，变压器及相关的高低压设备采用组合成型的箱式变压器。

    变压器在负载运行时，由于自身阻抗压降，高压侧或10kV电压降随负载电流和功率因数的变化而变化。变压器电压调整率计算公式：

    ε％=Ue－U/ Ue≈K（Ur cosф－Ux sinф）

    式中： Ue —变压器升高电压侧额定电压；

    U —负载时电压；

    Ur —变压器的电阻电压百分数；

    Ux —变压器的电抗电压百分数；

    K —负载率K＝I/Ie。当风力发电机满出力时，集电线路的cosф接近于1，电压调整率ε％≈KUr，当K＝1时，则ε％≈Ur。对于洮北10kV容量0.9MVA的变压器来说 ，Uz=4.5，Ux / Ur≈5，这样ε％≈1.3，目前风电场集电线路沿用配电线路的标准执行，每回线路从最远端的风机起始到升压站的10kV母线，线路电压损失不难控制在5％以内，因此箱变的额定抽头合理。

    5 结束语

    随着风电场运行经验的积累以及风电技术的进步，风电场无功补偿技术也有巨大的发展，利用自动无功补偿装置做到双向（容性和感性无功）补偿，并进行无级动态跟踪控制，可降低线损，有利于提高风电场的综合经济效益。

    参考文献：

    [1] 风电场接入电力系统技术规定[Z]. GB/Z1996 3-2005.

    [2] 电力系统电压和无功电力技术导则[Z]. SD325-1989.

    郝晓宇（1980-）本科，工程师，现就职于中国水电建设集团新能源开发有限责任公司，任哈尔滨办事处机电部主任，主要研究方向为风电场无功、电压控制、接地。

    摘自《自动化博览》2011年第九期