风电场集电系统及无功补偿设计方法优化的思考

郜秋凯

摘 要：结合风电场的运行问题，本文对风电场集电系统及无功补偿设计情况展开了分析，并结合实际提出了风电场集电系统和无功补偿设计方法的优化思路，从而为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：风电场；集电系统；无功补偿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.082

0 引言

在风电场中，需要利用集电系统实现风电收集，同时需要通过无功补偿确保风电场稳定运行。但就目前来看，在风电场集电系统及无功补偿设计方面，仍然存在忽略系统运行成本和无功成本等问题，因此还应通过优化原本的设计方法推动风电场的建设与发展。

1 风电场集电系统及无功补偿设计

1.1 集电系统设计

风电场的集电系统用于将风电机组输出的电能按组收集，然后将电能统一送至升压变电站。在设计时，需要对箱式变压器高压侧到升压变压器低压侧的各种因素进行考量，如系统电压等级、机组连接方式、集电线路类型等。其中，线路电压等级将对一次设备费用和有功损耗带来影响，可以采用10kV或35kV电压，通常采用10kV以降低线路损耗和投资成本。机组分组遵循平均分配原则，连接机组最大输出容量需小于单回路输送容量限制[1]。线路类型包含架空线和电缆两类，线路由多台机组串接而成，输出容量为机组容量和。

1.2 无功补偿设计

风电场具有高集中、大规模的特点，资源分布不均衡，出力不稳定，容易给电网运行带来影响。由于需要实现风电远距离传输和大规模接入，所以通常会给无功平衡、电压稳定带来影响。风电场无功损耗主要来自变压器和集电系统，机组本身具有无功调节能力。在风电场内，集电线路将消耗总容量3%-6%的无功功率，变压器则为10%-15%。各机组无功补偿能力不同，需要结合实际需求进行无功补偿容量补偿。现阶段，风电场采用的是动态无功补偿装置SVC和SVG，在电网发生电压稳定问题时可以快速响应，通过调压维持电网穩定运行。

2 风电场集电系统及无功补偿设计方法的优化

2.1 集电系统优化

从风电场集电系统设计上来看，现阶段风电场常因设备故障出现发电中断问题，以至于售电收入较低，系统可靠性较低。所以在实际进行集电系统设计时，除了考虑一次投资费用和有功损失等因素，还要考虑电压等级、机组连接等因素对系统稳定性的影响。采用正交试验方法进行系统设计优化，即利用正交表进行多因素试验的安排，实现各因子水平的均衡搭配，以得到科学合理的试验结果。在电压等级上，可以设定A1=10kV和A2=30kV两个因子，机组连接方面辐射型连接具有多方面优势，考虑实际建设情况不作正交试验因子。在风机分组上，机组数量在3-8台之间，可以设置不同分组方案作为因子（D1=5×6+3×1，D2=3×11，D3=8×3+9×1，D4=11×3）。此外，线路类型（B1=架空线，B2=电缆）、导线截面（C1=单一截面，C2=两种截面）、机组横向间距（E1=6D，E2=6D，E3=6D）都可以作为因子。试验时，总装机容量设定为49.5MW，单机1.5MW，以110kV接入电网。假设风电场寿命为20年，将机电系统一次成本和运行成本作为试验指标，可以得到表1，对比实际方案和优化方案，优化方案尽管需要投入更多一次投资成本，但是在风电场生命周期内的运行成本较低，同时有利于扩容，因此可以实现系统优化设计。

2.2 无功补偿优化

风电场采用的无功补偿方法是在站内进行无功补偿设备安装，尽管能够实现无功平衡，集电系统电压不稳问题却无法得到解决。针对这一问题，还要利用变速恒频风电机组的无功调节功能实现无功功率输出，以实现对系统的无功控制。而在系统向风电场并网点进行无功功率注入时，还要确定风电场的无功补偿容量，利用下式（1）进行计算。式中，PW为风电场输入系统有功功率，RL为线路电阻，XL为电抗。根据得到的数值进行无功输入，可以确保系统与风电场实现无功零交换。在风电场无功补偿总量大于所有机组输出无功功率最大值的情况下，需要利用无功补偿设备进行无功补偿，反之则无需设置无功补偿设备。在分析时，箱变容量为1600kVA，主变容量为50000kVA，并网长13km，公共连接点短路容量为821MW。通过分析可以发现，在负荷变动频度≤10的情况下，可以满足电网电压稳定性要求，只需配置容量为8.615MVar的无功补偿设备。在负荷变动频度在[10，100]范围内，需要保证风电场有功变化不超出额定容量50%才能满足电压稳定要求，因此还要配备0.821MVar无功补偿设备，并确保设备动态调节容量达到9.5%。结合风电场实际情况，实际需要完成18MVar无功补偿设备的集中配置，由SVG和固定电容器组分别占50%。

3 结论

通过分析可以发现，在风电场集电系统及无功补偿设计方面，目前采用的设计方法仅对一次投资成本进行了考量，忽视了对系统运行成本和无功成本的分析。而通过对系统进行优化设计，并采用优化的无功补偿方案，则能使系统运行成本和无功成本得到降低，继而为风电场带来更多的经济效益。

参考文献：

[1]严干贵，孙兆键，穆钢等.面向集电系统电压调节的风电场无功电压控制策略[J].电工技术学报，2015，30（18）：140-146.