风电场工程节能评估中电能损耗的计算方法

杨光磊，张邦彬

(中国华电科工集团有限公司，北京　100160)



风电场工程节能评估中电能损耗的计算方法

杨光磊，张邦彬

(中国华电科工集团有限公司，北京100160)

摘要：目前风电场工程节能评估中电能损耗的组成和计算方法有很大差别。对大量已运行工程进行统计归纳，总结了风电场工程节能评估中各个环节电能损耗的计算方法，包括风电机组自耗电、线路和变压器的有功电能损耗和无功电能损耗、无功补偿设备的损耗，建立了较完善的电能损耗计算体系，可为节能评估工作的顺利进行提供理论依据。

关键词：风电场；节能评估；电能损耗；路线；变压器；计算

0引言

节约能源是中国经济发展的一项长期战略方针，节约能源不仅是为了缓解能源供需矛盾，更是为了促进国民经济健康、快速发展，促进产业结构调整和产业升级。节能评估，是指根据节能法规、标准，对固定资产项目的能源利用是否科学合理进行分析评估[1]。本文对多个风电场工程节能评估报告中电能损耗计算进行总结，归纳并讨论了其中常见的问题，如风机自身耗电的选取、线路和变压器无功损耗的计算、主变压器的负载率、站用变压器利用小时数和负载率的选择、无功补偿装置的损耗计算等。

建立较完善的电能损耗计算体系，可为今后各个风电场工程节能评估工作的顺利进行提供重要的计算依据。

1风电场工艺流程和电能损耗组成

目前，国内大型风电场均采用二次升压的形式接入电网。风电机组采用一机一变的单元接线方式，从机端电压升至35 kV(10 kV)，经中压集电线路汇集，接入升压变电站，二次升压至220 kV(110 kV)后并入高压电网。

在整个发输电过程中，除了常规的风电机组自身用电量、线路和变压器的有功电能损耗、站用电用电量，还应考虑线路和变压器的无功电能损耗、无功补偿设备的本体损耗等。风电和光伏的送出线路一般由当地电网承建和运行维护，其损耗不应计算在风电场工程内。风电场的工艺流程和电能损耗组成如图1所示。

图1　风电场工艺流程和电能损耗组

2电能损耗组成与计算

2.1风电机组自耗电

风电机组内部辅助系统包括机舱加热器、变桨驱动器、偏航驱动器、散热风机、液压装置等。由于每个厂家不同型号风机的自身耗电不同，且年利用电小时数如何确定也不是很明确，因此，需按工程实际使用的同容量同型号的风机数据进行计算。

随着设备制造技术的不断升级和风电场选址日渐困难，目前风电场主流的风电机组容量为2 MW，各主流厂家风机辅助系统的功率为45～50 kW，考虑到各系统的利用小时数，平均每台风机的全年自耗电量约为19 MW·h。少数山区风电场受运输道路的限制，仍然选择容量为1.5 MW的风电机组，其辅助系统的功率约为33 kW，平均每台风机的全年自耗电量约为14 MW·h。

2.2变压器的有功电能损耗

风电场中的变压器包括主变压器、箱式升压变压器和站用变压器。根据《电力系统设计手册》[2]，双绕组变压器损耗公式为

(1)

式中：t为变压器年运行时间，h； ΔPc为变压器的负载损耗，MW；ΔP0为变压器的空载损耗，MW；S为变压器的总通过容量，MV·A；Se为变压器的额定容量，MV·A；t1为变压器的损耗小时数。

(1)箱式升压变压器。由于箱式升压变压器按风电机组的容量和功率因数进行“一机一变”的单元配置，其年运行时间虽然可以按8 000 h考虑，但损耗小时数应按照年等效满负荷利用小时数折算得到。

(2)升压站主变压器。对于主变压器，汇集接入的是整个风电场所有风电机组的电力。计算空载损耗时，其年运行时间按8 000 h考虑；但对于负载损耗的计算，目前存在的问题在于是否考虑全场的风力发电机组不会同时满发，在计算主变压器总通过容量时，需引入风电场综合利用系数。通过对多个已运行的风电场的实际统计，只有在少数的大风月才会出现全部风电机组满发的情况，多数风电场的平均出力为额定容量的65%～70%，因此，计及风电场综合利用系数是必要的。

计及风电场综合利用系数后，主变压器的最大负荷并不是其额定容量，相应的，折算损耗小时数时，如果仍然按照年等效满负荷利用小时数折算，则得到的损耗小时数将过低，应按照年运行时间8 000 h进行折算。

(3)站用变压器。站用变压器的负荷包括照明、采暖、通风、检修、动力等，这些负荷大多为短时负荷。通过对多个已运行的风电场的调研得知，除去夏季和冬季的空调和采暖外，站用日平均负荷仅为30～50 kW，北方冬季采暖时，站用日平均负荷为160～200 kW，不同规模的升压站，耗电量会有差别。

由于站用变压器的负载率随季节变化较大，不便计算其损耗，可以通过年用电量计算等效满负荷利用小时数，并折算损耗小时数，从而采用式(1)计算有功电能损耗。

2.3线路的有功电能损耗

风电场中的线路损耗包括风电机组到箱式变压器低压侧的电缆损耗，以及箱式变压器高压侧至升压站的汇集线路的损耗。根据《电力系统设计手册》[2]，计算公式如下。

(1)电缆线路损耗。

(2)

式中：ΔPwj为电缆介质损耗，MW；ΔPmax为最大负荷时的功率损耗，ΔPmax=3I2R，I为最大负荷时的电流，R为线路电阻。

由于电缆介质损耗较小，为简化计算，通常不考虑。风电机组到箱式变压器低压侧的电缆损耗、箱式变压器高压侧至架空线路杆塔的高压电缆损耗，仅考虑损耗小时数下的电阻性电能损耗。

(2)架空线路损耗。

(3)

式中：ΔPyp为年平均电晕损耗，MW。

由于设计时已按照避免发生电晕选择导线截面，因此电晕损耗可不计。

目前，大部分风电场的集电线路按照容量分段选择导线截面，因此在计算损耗时，也应分段计算。

2.4损耗小时数

线路和变压器的损耗小时数，可按照根据《电力系统设计手册》[2]的数据进行拟合。

功率因数为0.95时，t1=9.4×10-5tmax2+0.134 4tmax+163.69(式中：tmax为最大负荷利用小时数)；

功率因数为0.98时，t1=1.01×10-4tmax2+0.067 22tmax+201.56；

功率因数为1.00时，t1=1.08×10-4tmax2+0.013 12tmax+241.76。

由于风电场的等效满负荷利用小时数并不相同，也不是整数，因此需代入上述拟合公式，求出相应的损耗小时数。

2.5无功补偿设备的损耗

按照Q/GDW 11064—2013《风电场无功补偿装置技术性能和测试规范》第4.13条，无功补偿装置可调部分最大出力下本体损耗不超过额定容量的2.5%，无功补偿装置可调部分最小出力下本体损耗不超过额定容量的0.8%。目前主流的无功补偿装置(SVG)设备厂家给出的损耗通常也是额定容量的0.8%，因此选择按照额定容量的0.8%计及其损耗。

(4)

式中：Q为无功设备的容量，MV·A；t2为无功设备年运行时间，h。

对于SVG与电容器组配合使用的无功补偿设备，根据《电力系统设计手册》[2]，电容器的损耗为

(5)

由于目前风电场运行中不允许投切电容器组，因此无功补偿的运行时间均应按8 000 h考虑。

2.6线路与变压器的无功电能损耗

上节讨论的无功补偿设备的损耗仅计及设备散热损耗，控制和启动电源的消耗已计入站用电中。而无功补偿设备本身是一个耗电设备，其本身也是通过电容器组或晶闸管的通电导通提供容性电流或感性电流，对电网的无功进行补偿的，所以也应计及其对风力发电厂中设备进行无功功率补偿所耗的有功功率及电能。这部分耗电可通过对线路、变压器的无功损耗的计算，折算成无功经济当量。

根据1955年版的《电力变压器运行和检修典型规程》的规定，无功经济当量取值见表1[3]。这是对变压器的无功经济当量取值，对于线路，也可以根据位置取值。

表1　无功经济当量取值　kW/kvar

风力发电厂的箱式变压器直接由发电机母线送电，无功经济当量可以取0.02 kW/kvar，主变压器由接自发电机母线的线路送电，无功经济当量可以取0.07 kW/kvar。

根据《电力系统设计手册》[2]和《工业与民用配电设计手册》[4]，线路和变压器的无功功率损耗为

(6)

(7)

可得到线路的无功电能损耗ΔWL和变压器的无功电能损耗ΔWT为

ΔWL=3KQI2Xt1，

(8)

(9)

式中：KQ为无功经济当量。

3结束语

风电场工程节能评估中除了设备的电能损耗外，还有生活、生产用电量，以及汽油、水的消耗等。上述消耗由于计算简单，本文不再详细叙述。

随着国家对节能减排的逐渐重视，节能评估环节在工程建设过程中越来越重要。采用低能耗的设备，强化工程设计人员的节能意识，从源头上杜绝能源浪费，是保证可持续发展的重要手段。

参考文献：

[1]国家发展和改革委员会.固定资产投资项目节能评估和审查暂行办法[EB/OL].(2010-09-17)[2015-12-10].http://www.gov.cn/gongbao/content/2011/content_1792048.htm.

[2]电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998.

[3]沈景霆.对变压器经济运行及容量节能选择若干问题的探讨[J].电气工程应用，1991(3)：27-32.

[4]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用供配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.

(本文责编：刘芳)

收稿日期:2015-12-21；修回日期:2016-03-20

中图分类号：TM 614

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)03-0074-03

作者简介：

杨光磊(1983—)，男，河北石家庄人，工程师，工学硕士，从事电气设计及评审工作(E-mail:yangguanglei008@163.com)。