风电场无功补偿装置的优化配置分析

文／吴斯 沈石水

风电场无功补偿装置的优化配置分析

文／吴斯 沈石水

大规模风电场并入电网将对电力系统的安全性及稳定性造成较大的影响。其中，风电场公共连接点（PCC, Point of Common Coupling）区域的电压质量下降问题尤为突出。由于风电场并网后，系统无功潮流将发生变化，系统电压也会受到相应的影响。通常情况下，通过在风电场升压站中安装集中无功补偿装置，对风电场无功功率进行调节，从而改善风电场的电压质量。

为满足电网公司对风电场无功补偿装置的技术和性能要求，目前新建风电场的集中无功补偿装置一般采用SVG方案或SVG+ FC成套补偿方案。SVG+FC成套补偿方案是将SVG和固定无功补偿装置（电容器组）配合使用，以不降低动态补偿装置性能为基础，SVG只需要总补偿容量的一部分，既可降低建设投资成本，又可满足技术和性能要求，因此在实际应用中被较多地选择。

通过对多个风电场实时采集数据的调研和分析，本文提出该方案存在以下可优化的方面：

一般风电场等效满负荷小时数不高，而场内集电线路采用大量直埋电缆时，电缆自身的容性充电功率较大。当风电场长期出力较低时，全场无功损耗甚至远低于集电线路的容性充电容量，则风电场集中无功补偿装置将长期工作于补偿感性无功的区间。此时SVG+FC成套装置中，SVG装置需要发出大于FC装置容量的感性无功用以补偿FC的固定容性容量。这会造成SVG设备长期运行于较高的工作点附近，即对应较高的SVG运行损耗。

经调研，风电场无功补偿装置运行期内有功电能损耗的累积价格，往往数倍于其建设投资。因此，何种配置方案能够最大限度地节约运行期的电能损耗，也应被考虑在无功补偿配置方案的设计中。

风电场无功损耗

一、风电机组至箱式变压器间电缆无功损耗

风电机组至箱式变压器之间由nf根0.69kV三芯电缆连接，则单台风电机组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：

其中，S为风电机组端通过风电机组至箱式变压器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，U为该电缆额定电压，X为其中单条电缆的电抗。

二、箱式变压器的无功损耗压

箱式变压器的无功损耗可由公式(2)－(4)计算：

三、35kV集电线路无功损耗

对于集电线路回数过多的风电场，精确计算各回线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公式（5）：

Xn为该回集电线路的电抗值。

四、升压站主变无功损耗

五、送出线路无功损耗

风电场的无功补偿除了要补偿低压电缆、箱式变压器、集电线路、升站主变的损耗外，还应该补偿风电送出线路无功损耗。

送出线路无功损耗的估算公式为：

Xs为送出线路的电抗值。

六、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。输电线路发出的无功功率正比于电压的平方，如公式（7）所示：

B为该线路的总电纳值。由公式（7）可见，输电线路发出无功与线路并联电纳成正比关系。

七、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。由图可知，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电场出力的增加，其大致上的变化趋势是成正比。而输电线路自身的充电功率（包含低压电缆线路、场内集电线路及送出线路），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。

图1 无功损耗随风电机组出力变化曲线

建设投资最小SVG+FC配置方案

当前，风电场无功补偿容量的配置需遵循接入系统报告要求执行。假定接入系统报告规定的无功补偿容量上下限值分别为a和b。

从建设成本上看，SVG装置单位容量的投资远大于单位容量FC装置。以投资最小的原则配置SVG+FC装置，即其中FC部分所占的容量值应尽可能大，而SVG部分所占容量值应尽量小。

对于采用SVG装置的无功补偿系统，SVG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定无功补偿容量的上下限值后，通常设计单位采用的SVG+FC无功补偿配置方案为：FC容量取容量上下限值之和的一半，而SVG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，技术上可行，且最大限度地降低了SVG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，目前被各风电场设计单位广泛采用。

无功补偿最优容量配置方案

一、SVG及FC装置损耗分析

图2给出SVG效率随补偿容量的变化曲线。显然，在SVG运行的过程中，SVG设备的综合损耗（包含SVG自身器件损耗、变压器损耗及其他损耗）约在SVG输出容量的近2%。

图2 SVG效率随补偿容量的变化曲线

对于FC设备，因为工业电容一般需要加电抗器以控制合闸时的涌流和消除谐波。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定。另外，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SVG设备的能耗，FC设备的损耗值基本可以忽略。

由于一般风电场的设计运行年限为20年，SVG设备综合所损耗的电能累积值也应在设计时加以考虑，并计入综合成本中。仅从减少后期运行损耗的因素考虑，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SVG设备的投入容量和运行时间，而FC设备由于其较低的损耗值，应被尽可能多的投入运行，以配合减少纯SVG设备的投入容量，降低损耗损失。

二、最优容量配置方案讨论

要实现更优化的无功容量配置方案，关键在于确定需配置的固定无功补偿装置的容量。然而，在设计阶段，并没有风电场集中无功补偿装置一年中工作区间的数据可作参考。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电机组功率曲线，并结合场内无功损耗计算，估算需配置的固定无功补偿装置的容量及类型的方法。其具体流程如图3所示。

（1）分析拟建风电场风能资源数据，提取风速频率的威布尔分布情况；

（2）对于威布尔分布中的任一风速Vd，计及综合折减，在风电机组功率曲线中查找风速Vd所对应的风电机组出力Pd；

（3）基于场内潮流（由图1可知），估算风电机组出力为Pd时，场内各部分无功损耗；

（4）由公式（9）计算风速Vd时理论需补偿的无功功率Qtot；

（5）根据风速频率分布得到无功补偿装置运行区间的分布情况；

（6）找到风速频率最高（Vdm）时，需补偿的无功功率Qtotm为风电场无功补偿装置中固定无功补偿设备的配置容量值。

以天津某风电场为例，验证该估算方法的合理性。图4是该风电场一年中无功补偿装置的运行数据。

图5为该风电场风速频率和风能频率分布图。根据上述方法得到的理论无功补偿装置运行区间分布如图6所示。对比图4、图6可见无功补偿装置的运行分布数据与根据所提出理论分析所得的运行分布情况基本吻合。因此，本节所提出的根据风能资源情况推算无功补偿装置运行区间的分布情况的方法和流程，在用于估算风电场集中无功补偿装置的运行状态时，是可行的。

图3 固定无功补偿装置配置容量估算流程

图4 天津某风电场无功补偿装置运行数据（SVG方案）

图5 天津某风电场风速频率和风能频率分布

图6 理论分析所得无功补偿装置运行区间分布

实际风电场数据的比对和分析

一、以天津某风电场为例

以天津某风电场为例，该风电场装机49.5MW，33台UP86型风电机组，单机容量1.5MW。场内35kV集电线路为全电缆线路，总长度46.12km。接入系统报告要求无功补偿装置配置容量为−5MVar－10MVar。该风电场风速频率和风能频率分布图如图7所示。

根据本文所述方法估算出风速频率最高时，全风电场需补偿的无功功率约Qtot=−2.6MVar，即此时应补偿约2.6MVar的感性无功。然而，为避免谐振问题的发生，本文考虑固定无功补偿的部分仅考虑为容性，即FC。因此建议使用无功补偿最优容量配置方案：使用容量10MVar的SVG设备方案。

图8描述了若采用最小建设投资SVG+FC方案，SVG部分输出功率运行区间的分布图。如图显示，无功补偿装置中运行损耗相对最大的SVG设备的损耗始终处于较高的运行点上。

图9给出了若采用最优容量配置方案（本例与SVG方案相同），无功补偿装置中SVG设备输出功率运行区间的分布图。分布图显示，无功补偿装置频率最高工作区间为−2.7－−2.5MVar附近。其运行点相对于最小建设投资SVG+FC方案基本处于较低的位置。

表1列举了建设投资最小SVG+FC方案、SVG方案及最优容量配置方案三者建设投资、后期运行损耗成本及总成本的对比。据所掌握的厂家报价，单位MVar价格SVG和FC分别约为20万元/MVar和4万元/MVar。然后据不同配置方案，由公式（11）分别计算其后期运行损耗成本（不计算运行期上网电价上涨等因素）：

图7 天津某风电场风速频率和风能频率分布

图8 最小建设投资SVG+FC方案中SVG输出功率运行区间分布

图9 最优容量配置方案中SVG输出功率运行区间分布

表1 天津某风电场无功容量配置方案成本比对

依据表1所示，总成本比对的结果为：

建设投资最小SVG+FC方案＞最优容量配置方案（SVG方案）

不难看出，本案例中，虽然最优容量配置方案的建设投资比建设期投资最小SVG+FC方案略高，但由于其良好的运行期降损效果，其总成本远低于后者。

二、以张北某风电场为例

以张北某风电场为例，该风电场装机49.5MW，33台UP86型风电机组，单机容量1.5MW。场内35kV集电线路为全架空线路，总长度约32 km。接入系统报告要求无功补偿装置配置容量为−1MVar－10MVar。该风电场风速频率和风能频率分布图如图10所示。

图11给出了不同方案中，无功补偿装置中SVG部分输出功率运行区间的分布。

根据式（11），表2列举了建设投资最小SVG+FC方案、SVG方案及最优容量配置方案三者建设投资、后期运行损耗成本及总成本的对比。

依据上表所示，总成本比对的结果为：

SVG方案＞建设投资最小SVG+FC方案＞最优容量配置方案

图10 张北某风电场风速频率和风能频率分布

图11 无功补偿装置中SVG输出功率运行区间分布

表2 张北某风电场无功容量配置方案成本比对

不难看出，本案例中，直接采用纯SVG无功集中补偿方案，显然不是最合适的方案。若采用建设投资最小SVG+FC方案，无论从前期投资还是后期运行损耗成本来看，都要优于SVG方案。而最优容量配置方案虽然在建设期投资上略比建设投资最小SVG+FC方案多，但由于其良好的运行期降损效果，其总成本反而比建设投资最小SVG+FC方案低。可见，最优容量配置方案能够很好的实现优化无功补偿装置总成本的作用。

本文所提出的最优容量配置方案，其综合成本在上述两例中均为最低。可见所提出的最优容量配置方案对于节约风电场无功集中补偿装置的总成本是有效的，可在实际风电场设计的过程中加以采用。

结论

本文通过分析风电场无功补偿装置设计中可优化环节，结合考虑无功补偿设备建设期投资与运行期损耗的综合成本，有针对性地提出了一种风电场无功补偿装置的最优容量配置方案。通过实际风电场调研数据的分析比对，验证了该最优容量配置方案的合理性。总结本文可得以下两点基本结论：

（1）风电场无功补偿配置一般采用的建设投资最小SVG+FC和SVG两种方案中，综合总成本考虑，采用哪一种方案更优并没有定论，需根据具体风电场的实际情况进一步分析；

（2）风电场无功补偿装置的设计时，可参照本文所提出的最优容量配置方案，并比对各现有方案的综合总成，根据自身的需求，选择合适的无功补偿配置方案。

(作者单位：龙源（北京）风电工程设计咨询有限公司)