风电场SVG配置方案的经济性分析

一
，
。
，
，
角度上讲并不一定为最佳方案
。
半
的感性无 功损耗； 其配置 的感 性无功容 量能够补偿
３ ． １ Ｓ Ｖ Ｇ及 Ｆ Ｃ装置损耗分析
陶２ 给出Ｓ Ｖ Ｇ效 率 随补 偿 容 量 的 变化 曲线
。
风 电场送 出线路一半 的充电无功功率
。
风电场内无 功损耗公式 可由式 （ ８ ） 计算
置容量上下 限值 。假设这个上下限值 分别为 。 和 ６
。
器 以控制合 闸时的涌流 和消 除谐波
定 。５ ３ ￣ ｔ ， ， 电容 器机械投 切过程 中一般 功率消耗 也
非常小。所 以 ， 相对 于 Ｓ Ｖ Ｇ设备 的能耗
，
Ｆ Ｃ设备 的
损耗值基本可 以忽略
日
综 合介绍 ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ＿ ｖ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｒ ０ ｄ ｏ ｎ
功总 消耗量 ， 与 风 电场 总 出力 近似 成正 比） ， 估 算风
．
ｎ ． Ｎ ｒｚ
机出力为 尸 ｄ 时， 对应 的场 内各部分 的无功损耗；
ｉ ．
风机 至箱式变压器 间低压 电缆 、 ３ ５ ｋ Ｖ场 内集 电线路 和送 出线路的无功损耗 ， 则各 自按照章节 ２ ． １ 、 ２ ＿ ３和
（ ｐ ＿ ｕ ． ）
（ ２ ）
＝
等 Ｓ １ Ｏ ０ （ Ｑ ）
＋ ｌ ｏ ％Ｓ ￣
（ 、 ３ ）
（ ４ ）
章节 ２ ． ５中给出 的公式计 算 。输 电线路 的充 电无功
风 电蚜 出 力 （ ＭＷ ）
对 于采用 Ｓ Ｖ Ｇ装 置 的无功 补偿 系统 Ｓ ＶＧ 装 置 的补 偿容量 是正负 可调的 即能输 出等量的最 大 容 量的感性 和容性无功。在风 电场接入系统报告确
，
＋
△ Ｑ ｆ＋
△
＋
△ ＊
△ Ｑ ７
△ Ｑ ＋
Ｑ ｔ
图 １ 无 功 损 耗 随风 机 出力 变 化 趋 势 曲线
功率正 比于 电压 的平方 Ｈ ］ ， 由式 （ ７ ） 计算
‘
△ Ｑ Ｔ ：
Ｑ ｒ ： Ｕ Ｂ
（ ７）
以上式 中
——箱式变压 器电抗 的标 幺值；
— —
式 中， 为该线路 的总电纳值 。由公式可见 ， 输 电线 路发 出无功 与线路并联 电纳成 正 比关系 。输 电线路
对于 Ｆ Ｃ设 备 ， 因 为工业 电容 一般 需要 加 电抗 而电抗器在使 用 时会发热 ， 从 而 消 耗 电能 其值视 电抗器 的阻抗而
。
，
： △ Ｑ ｎ 十 ｛ △ — Ｚ Ｑ ｆ
（ ９ ）
由上述公式分别计算风 电场零 出力和额定出 力 时全 风 电场 无功 损耗值 （ 包 含送 出线 路一半 的无功 损耗 ） ， 从 而分别 估算 出风 电场集 中无功 补偿装 置配
效
的投入容量 ， 降低损耗损失 。
３ ． ２ 无功补偿 装置运行情况估算
以天津某 风 电场为 例说 明 ， 图 ３ 是该 风 电场 一 年 中无 功补偿装 置的运行 数据。
一 ． ｎ ●
● ．
ｎ ●
●
Ｍ
本文给出一种通过前期分析拟建 风电场风速频
● 率 分布及 所采 用风机 功率 曲线 ， 并 结合场Ｎ 内无功 损
， ，
目
风
前被各风 电场设计单位广泛采 用
电场也 会受 到电 网的罚 款； 风 电场的无 功补偿容 量 特 别是 动态无功 补偿容量 过大 会 造成风 电场的运 行费用高或者设备长期闲置 造成设备 浪费 。
， ，
３ 无功补偿装置运行分布情 况分析
２中介 绍了为节约投资 ， 在设 计风 电场 时 常 采 用 的建设投 资最小 Ｓ Ｖ Ｇ ＋ Ｆ Ｃ容量配 置方案 然而。 通常设 计时并未 考虑风 电场投运后 Ｓ ＶＧ与 Ｆ Ｃ设 备的累积运行成本和运行损耗 的比较值 若综合考 虑 前期投 资和后期 运行损 耗 则按 ２中给 出的方 案 对Ｓ Ｖ Ｇ ＋ Ｆ Ｃ的容量进行 配置 其结果从 节约成本 的
１ ． ５ 送 出线路 无功损耗
风 电场 升压 站 送 出线路 出 口一 般作 为 电量 计 量点 ， 电 网企业 一般 要求 风 电场计 量点处 源自文库功 率 因
数为 １ ． ０ ， 不 能 从 系 统 中 吸 收 无 功 。 因此 ， 风 电场 的
无功补偿除 了要补偿 低压 电缆 、 箱式变压器 、 集 电线
２） 对 于威布 尔分布 中的任一 风速 ， 计及综 合
折减 ， 在风机功率 曲线 中查找风 速 所 对应 的风 机
＝ ． 一 ． ０ ０ ０
０ ＿ 【 ． ０
出力 Ｐ ｄ ；
一 电场容 【 ＿ ３ ） 基 于场 内潮 流 （ 由图 １ 可知， 风 性无
（ ２ ） ～式 （ ４） 。
１ 风 电场 无 功 损 耗
１ ． １ 风机 至箱式变压器 间电缆无功损耗
假设某 风 电场 中风力 发 电机 台数 为 Ⅳ， 风机 至 箱 式变压器之间 由 蜥根 ０ ． ６ ９ ｋ Ｖ三芯 电缆 连接 ， 则单 台风力发 电机 至箱式变压器之 间电力 电缆 的无 功损 耗 可由公 式（ １ ） 进行 估算
—
—
Ｐ、 Ｑ——分 别 为通 过 箱 式变 压 器 的有 功 功率与无功功率 。
１ ． ３ ３ ５ ｋ Ｖ 集 电 线 路 无 功 损 耗
对于 集 电线路 回数 过多 的风 电场 ， 精确 计算 各
口
风力发 电 Ｗ Ｉ Ｎ Ｄ
然而， 输 电线 路 自身 的充 电功 率（ 包 含低 压 电缆线
１ ． ７ 无功损耗变化趋势
图１ 给 出了以上各无 功损耗部分功率随风 电场 有功 出力 的基本 变化趋势 ， 横轴 为风 电场出力 ， 纵轴 为容性无功损耗值 。如 图， 低压 电缆线路 、 箱式变压 器、 场 内集 电线路 、 主变压器及送 出线路 的无 功损耗 随风场 出力 的增加 ， 其大致上 的变化趋 势是 成正 比。
●
耗 计算 ， 估 算需 配置 的 固定无 功补偿 装 置的容量 及
ｎ ． 一 ● 一 ● 【 ＿ ●
． 【 ＿ ● 一 ． Ｎ ●
类 型的方法 。其具 体流程 如下：
图２ Ｓ ＶＧ效率 随补偿容量 的变化 曲线
＿ Ｉ＿ Ｉ ●
１ ） 分析 拟建风 电场 风资源数据 ， ０ 提取风速频 ● ． ０ ● 率
箱式变压 器电抗 的有名值；
△ Ｑ Ｔ ——箱 式变 压器 的无功损耗；
箱式 变压 器额定容量； ｓ ｊ —— 系统视在 功率的基准值；
— — — —
存 在一个 自然功 率 ， 当其 传输 功率 为该 自然 功率值
时， 该线路发 出的无 功恰好 等于其 消耗无 功。
额定 电压 ； 电压基准值 ；
。 ，
喜
邑
的 容量 值 应 尽 可 能 大 而 Ｓ Ｖ Ｇ部分所 占容量 值应尽 量 小 。一 般 情 况 下 ， Ｓ Ｖ Ｇ ＋ Ｆ Ｃ装 置 中 Ｓ ＶＧ 与 Ｆ Ｃ
，
，
部分容量设定分别为
套 扛
Ｑ ｓ ｖ ｏ 丁 ａ － ｂ Ｑ Ｆ ｃ ＝ 丁 ａ ＋ ｂ
， ，
（ １ ０ ）
，
本 文 中， 我 们依 据国家 电 网公 司 《 风 电场 接入
。
电网技术规定 》 要求 ， 来计算风 电场无功补偿装置
的容量上 下限值 。其 基本规定 如下： 对 于直接接人 公共 电网 的风电场 ， 其 配置 的容性无 功容量 除能补 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 要能 补偿风 电场满发 时送 出线 路
回路 的无 功损耗 将过 于繁琐 。因此 ， 给 出各 回集 电 线路无 功损耗 的估算 方法见 式（ ５ ）
所 提 出方法 的合理 性 。章节 ５以实际 风 电场 为例 ，
运 用章 节 ４所提 出 的分析方 法 ， 分 别对 两个有 特点
△ Ｑ ＝ ｊ ＝ 式 中
＝
（ ５ ）
，
风电场设计 中， 要确 定无功 补偿装置 的容量 配 置 方案 ， 首先要 确定需 配置无 功集 中补偿容 量的上
下限值 。风 电场 的无功 补偿容量 不足 会 从 电 网 中 吸收无 功造成 电压降低 ， 同时 由于功率 因数 问题
，
，
行， 且最大 限度地 降低 了 Ｓ ＶＧ设 备 的配置容 量 使 得无 功补偿装置 建设成本 被控 制在较低 的标 准
综合介绍 ｃ 。 ｍ Ｄ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｜ ｖ ｅ １ ｎ ｔ ｒ 口 ｄ ｕ ｃ ｔ ｌ ０ ｎ
根据 风 电场风 资源数 据 ， 分析 无功 集 中补偿装 置运 行 区 间在 时 间轴上分 布情 况 的方法 ， 并 将理论 数据 与某 风 电场实 际运行 的采 集数 据进行 比较 ， 证 明了
△ Ｑ ｎ ． Ⅳ △ ＋ Ⅳ△ ＋ ∑△ ＋ △ （ ８ ）
显然 ， 在 Ｓ Ｖ Ｇ运 行 的 过 程 中 Ｓ Ｖ Ｇ设备 的综合损耗 （ 包含 Ｓ Ｖ Ｇ 自身器 件损耗 、 变压器损 耗及其他损耗 ）
，
则 风 电场及送出线路 总无功功率损耗为
△
。
约在 Ｓ Ｖ Ｇ输 出容量 的 ２ ％。
Ａ Ｑ ． ｆ 景
式中 ． 卜
Ｘ
（ １ ）
路、 升压站主变压器 的损耗外 ， 还应补偿风 电送 出线 路无 功损耗。
风机 端通 过风 机至 箱变 间单 条 电缆所
输送 的视 在功率； Ｐ、 Ｑ——分别 为其 中的有 功功率和无功功率； — Ｌ一 该 电缆额定 电压；
——该 回集 电线路 的电抗值 。
的风 电场进行 了综合 经济性详细 的分析和计算 。通 过 对二者 结论 的分析 和 比对 ， 说 明 了综 合经 济性分 析 的必要性 。章节 ６总结本文的 内容 。
１ ． ４ 升压站主变压器无功损耗
升压站 主变压器 的无 功损 耗（ △ Ｑ ｚ ） 计算 公式与 １ ． ２中箱 式 变 压器 无 功损 耗 的计 算公 式 相 同 ， 见 式
其 中单条 电缆 的电抗 。
送 出线路无 功损耗的估算参照式（ ６）
△ ：
要 ：
（ ６ ）
式 中
— —送出线路的 电抗值 。
１ ． ２ 箱式 变压 器的无功损耗
箱式 变压器 的无功损耗可用下列公式计算
＝
１ ． ６ 输电线路无功 功率
输 电线路 既发出无功功率也消耗无功功率 。其 消耗 的无功功率正 比于电流的平方 。对于分别计算
的威布尔分 布情况 ；
ｎ ． ０ ● ． ｏ ＿ ．
由于 一 般 风 电 场 的 设 计 运 行 年 限 为 ２ ０年 。
Ｓ ＶＧ设 备 综合 所损 耗 的 电能 累积值 也 应在 设计 时
加 以考 虑 ， 并 计人 综合 成本 中。仅从 减少 后期 运行 损耗 的 因素考虑 ， 前期无 功集 中补偿 配置 方案设 计 时应遵循 以下原则 ： 应尽量减少纯 Ｓ ＶＧ设 备 的投入 容量和 运行 时间 ， 而Ｆ Ｃ设 备 由于其较低 的损 耗值 ，
定无 功补偿 容量 的上 下 限值后 通 常设 计单位 采用 的 Ｓ Ｖ Ｇ ＋ Ｆ Ｃ无 功 补偿 配置 方案 为： Ｆ Ｃ容 量取 容量
，
２ 建设投资最小Ｓ Ｖ Ｉ ｍ
容量配置方案
上下 限值之 和的一 半 ， 而Ｓ Ｖ Ｇ容 量取容量上下 限值 之差 的一半 。此方案整套无功补偿装置 的调节范 围 正好满足动态调节范 围的要求 设计简单 ， 技术上 可
路、 场 内集 电线路 及送 出线 路 ） 根据式 （ ７ ） 可知
，
接人 系统报 告 中， 往往 对所估算 的上 下限值有所 放 宽并取整作为无 功补偿 配置容量上下限的参 考值
。
在
电压 等级一定 的情况 下 ， 仅与 该线 路 的总导纳成 正
比关 系 ， 即几乎 为定值 。
由于从建设成本上看 ， Ｓ Ｖ Ｇ装置单位容量的投 资金额 远大 于单位 容量 Ｆ Ｃ装置 的金 额 以节 约投 资 的原则 配置 Ｓ Ｖ Ｇ ＋ Ｆ Ｃ装置 即其 中 Ｆ Ｃ部分 所 占