风电场设计中电压设定的探讨

刘慧琳

(中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司,南宁 530007)

0 前 言

风电场设计是风力发电建设中的龙头，作者近年来参建的不同建设规模、装机容量、电压等级的风电场中，关于主变压器、风机箱式变压器及站用变压器变比选择、集电线路电压选择一直是设计和审查单位比较关注的问题，电压选择恰当与否，牵涉到设备选型、设备运行情况、风电场节能降耗、风电场电压稳定、风电场自动控制效果等多方面技术问题。作者在此就主变、风机箱变以及站用变变比选择、调压，35 kV集电线路电压设定、压降等问题提出几点看法，与同行英才探讨[1-5]。

1 风电场主变、风机箱变及站用变变比选择

根据相关规程规范，对风电场电压有如下要求：

(1) 风电场应配置无功电压控制系统，具备无功功率及电压控制能力。根据电网调度部分指令，风电场自动调节其发出(或吸收)的无功功率，实现对并网点电压的控制，其调节速度和控制精度应能满足电网电压调节的要求。

(2) 当公共电网电压处于正常范围时，风电场应当能够控制风电场并网点电压在标称电压的97%～107%范围内。

(3) 风电场变电站的主变压器应采用有载调压变压器，风电场具有通过调整变电站主变压器分接头控制场内电压的能力。

(4) 风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行625 ms。风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

根据以上原则，举例一个风机机端标称电压为35 kV、升压站高压侧110 kV的风电场电压变比选择进行讨论[6-13]。

1.1 系统电压

在风机功率因数为1、35 kV无功补偿没有投入的情况下，35 kV集电线路压降调查如下：风电场35 kV馈线柜处电压约38.28 kV，风机低压侧电压0.67 kV，则0.67×38.5/0.69=37.38 kV，此时，集电线路压降约为(38.28-37.38)/ 38.28=2.35%。

在风机功率因数为1、35 kV无功补偿没有投入的情况下，系统电压为最高，从系统往风机方向递减降落。

1.2 变压器电压选择

当高压侧系统电压达到最大允许值126 kV时，35 kV母线电压最小可调整为126×36.75/123.75=37.42 kV，比35 kV高6.91%，最大可调整为126×36.75/101.75=45.51 kV；当高压侧系统电压达到较小值110×0.9=99 kV时，35 kV母线电压最小可调整为99×36.75/123.75=29.4 kV，最大可调整为99×36.75/101.75=35.76 kV，比35 kV高2.17%。

由于只有主变抽头可实时调整，假定站用变压器放在36.75 kV档运行，当电压为37.42 kV时，37.42×400/36.75=407.29 V，比380 V高(407.29-380)/380=7.2%；当电压为35.76 kV时，35.76×400/36.75=389.22 V，比380 V仍高(389.22-380)/380=2.4%；400 V配电线路压降按±5%设计，设备用电电压一般要求控制在380 V的±5%，扩大到±10%以内也能承受，因此400 V电压在正常范围。如果按一段时间的电压水平相应调整站变电压的档位，还能调出更合适的400 V电压。

对于风机处电压，假定风机箱变电压也放在36.75 kV档，按2.5%的线路压降，当35 kV母线电压为37.42 kV时，风机出口处电压为37.42×0.975×0.69/36.75=0.685 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.685)/0.69=0.72%；当35 kV母线电压为35.76 kV时,风机出口处电压为35.76×0.975×0.69/36.75=0.655 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.655)/0.69=5.07%。均在±10%以内，能保证风机不脱网运行。假定风机箱变电压放在36.75×0.975=35.83 kV档，按2.5%的线路压降，当35 kV母线电压为37.42 kV时，风机出口处电压为37.42×0.975×0.69/35.83=0.703 kV，比0.69 kV升高(0.703-0.69)/0.69=1.9%；当35 kV母线电压为35.76 kV时，风机出口处电压为35.76×0.975×0.69/35.83=0.671 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.671)/0.69=2.75%。均在±5%以内，亦能保证风机不脱网运行。因此，箱变电压放在(36.75-2.5%) kV比放在36.75 kV档更合适。

(2) 当主变压器电压选择115(±8)×1.25%/36.75 kV(调压范围为126.5～103.5 kV)时，站用变及风机箱变电压选择36.75±2×2.5% kV(调压范围为38.59～34.91 kV)。

当高压侧系统电压达到最大允许值126 kV时，35 kV母线电压最小可调整为126×36.75/126.5=36.6 kV，比35 kV高4.57%，最大可调整为126×36.75/103.5=44.74 kV;当高压侧系统电压达到较小值110×0.9=99 kV时，35 kV母线电压最小可调整为99×36.75/126.5=28.76 kV，最大可调整为99×36.75/103.5=35.07 kV，比35 kV高0.2%。

由于只有主变抽头可实时调整，假定站变电压放在36.75 kV档运行，当电压为36.6 kV时，36.6×400/36.75=398.37 V，比380 V高(398.37-380)/380=4.8%；当电压为35.07 kV时，35.07×400/36.75=381.7 V，比380 V仍高(381.7-380)/380=0.45%；400 V配电线路压降按±5%设计，设备用电电压一般要求控制在380 V的±5%，扩大到±10%以内也能承受，因此400 V电压在正常范围。如果按一段时间的电压水平相应调整站变电压的档位，还能调出更合适的400 V电压。

对于风机处电压，假定风机箱变电压也放在36.75 kV档，按2.5%的线路压降，当35 kV母线电压为36.6 kV时，风机出口处电压为36.6×0.975×0.69/36.75=0.67 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.67)/0.69=2.9%；当35 kV母线电压为35.07 kV时，风机出口处电压为35.07×0.975×0.69/36.75=0.642 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.642)/0.69=6.96%。均在±10%以内，能保证风机不脱网运行。假定风机箱变电压放在36.75×0.975=35.83 kV档，按2.5%的线路压降，当35 kV母线电压为36.6 kV时，风机出口处电压为36.6×0.975×0.69/35.83=0.687 kV，比0.69 kV升低(0.69-0.687)/0.69=0.43%；当35 kV母线电压为35.07 kV时，风机出口处电压为35.07×0.975×0.69/35.83=0.659 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.659)/0.69=3.1%。均±5%以内，能保证风机不脱网运行。箱变电压放在36.75×0.95=34.91 kV档，当35 kV母线电压为36.6 kV时，风机出口处电压为36.6×0.975×0.69/34.91=0.705 kV，比0.69 kV高(0.705-0.69)/0.69=2.2%；当35 kV母线电压为35.07 kV时，风机出口处电压为35.07×0.975×0.69/34.91=0.676 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.676)/0.69=2.03%。均在±5%以内，能保证风机不脱网运行。因此箱变电压放在(36.75-2×2.5%) kV比放在(36.75-2.5%) kV、36.75 kV档更合适。

2 特殊情况的主变压器和箱变调压

当最后一段集电线路上的压降超过2.5%时，应将箱变的中间抽头按此压降进行调高，但最高不能超过38.5 kV，若超过，可将升压站主变低压侧电压往下调低直至35 kV为止。整个集电线路的压降应控制在10%以内。若超出10%，证明设计规划不合理，应向系统提出复合规划。某风电场的压降计算如表1。

表1 如某风电场的压降计算表

由表1数据可知，本回集电线路后一段直埋电缆选型为3 mm×240 mm，线路长度为36 862 ，线路阻抗为0.000 063 Ω/m，最后一段线路的压降计算结果为5.642%，可将箱变的中间电压调整为36.75×1.05=38.5 kV，设调压范围为38.5±2×2.5% kV，风电场内的压降为3%，最近一台箱变电压放在中间电压(38.5+2.5%=39.48 kV)，完全可以调整过来，最高电压不会超出40.5 kV。由于最后一段线路的压降较大，为了控制整个风电场的电压不至于过高，可适当调低主变低压侧电压，如调整为36.5 kV和35 kV等。

假设集电线路路径较长，表格计算结果不是5.642%，而最后一段线路的压降计算达到7%，如果此时主变低压侧电压选36.75 kV，箱变中间电压36.75×1.07=39.3 kV，再设调压范围为39.3±2×2.5% kV，39.3×1.05=41.3 kV，大于40.5 kV，即箱变往上的抽头就不能充分利用。此时可将主变抽头调低为35 kV，箱变中间电压35×1.07=37.5 kV，再设调压范围为37.5±2×2.5% kV，37.5×1.05=39.4 kV，小于40.5 kV，均可利用。由于最后一段线路的压降为7%，风电场内末台和首台间线路压降应控制在3%以内。35～40.5 kV之间的压差为15%，已经超出线路允许压降范围，完全要调整得过来，若还调整不来，则说明设计规划有不合理之处。

根据以上分析，常规情况下，建议主变压器和箱变电压设定为36.75 kV，如果线路较长，压降计算结果较大，也可调整为37.5 kV。如果集电线路压降达到10%，则建议重新规划集电线路布置方案。

3 综合考虑集电线路后的35 kV电压设定建议

风电场主变压器低压侧、箱变高压侧、集电线路的电压设定，主要受系统电压和线路压降影响比较大，设计中，建议根据压降计算结果来确定各设备电压设定方案。

(1) 当35 kV集电线路压降在4%及以内时，建议将主变低压侧电压定为36.5 kV，箱变高压侧电压定为36.5±2×2.5% kV。箱变最高电压可调到36.5+5%=38.325 kV，(38.325-36.5)/36.5=5%，满足4%的压降调整；最低电压可调到36.5-5%=34.675 kV。与36.5 kV相比上下均有一些裕度。

(2) 当35 kV集电线路压降在4%～7%之间时，建议将主变低压侧电压定为36.5 kV，箱变高压侧电压定为37.5±2×2.5% kV。箱变最高电压可调到37.5+5%=39.375 kV，未超过最高电压40.5 kV，(39.375-36.5)/36.5=7.88%，满足7%的压降调整；最低电压可调到37.5-5%=35.625 kV。与36.5 kV相比上下均有一些裕度。

(3) 当35 kV集电线路压降在7%～10%之间时，建议将主变低压侧电压定为36.5 kV，箱变高压侧电压定为38.5±2×2.5% kV。箱变最高电压可调到38.5+5%=40.425 kV，未超过最高电压40.5 kV，(40.425-36.5)/36.5=10.75%，满足10%的压降调整；最低电压可调到38.5-5%=36.575 kV。与36.5 kV相比往下就没有调整裕度了。

(4) 当35 kV集电线路压降在10%以上时，说明集电线路设计不合理，建议重新进行调整。

4 结 语

风电场电压设定，风电场主变、风机箱变及站变变比选择，在风电场设计和运维中是一个棘手的问题，希望通过本文的分析解释，能为风电场设计中电压设定问题提供更为精确、合理、科学的技术参考。今后，也将利用本文研究基础，在风电场采用架空线路中，考虑风机不发无功工况下的电压降落，风机发无功补偿箱变及全部线路无功损耗工况下总电压降落以及风电场采用电缆线路，风机不发无功工况下总电压降落等有关风电场电压问题作更进一步探讨和研究。