0 引言

随着风电技术快速发展、新型环保能源需求迅速增长，风力发电已是许多地区电网至关重要的组成部分。而风力发电的不确定性与间歇性对电网运行造成了很大影响，仅依靠固定式补偿装置，无法解决现代化风电并网的实际需求^[71]，风电入网的电能质量会影响整个电网的运行质量^[2-3]。无功功率属于电能质量评估阶段的核心指标之一，与电力系统及其供电负荷运行关系密切^[4-5]。无功功率为电能传输过程中交流设备的耗用功率，电网设备只有运行期间获得足够的无功功率，才能可靠运行。但通常设备本身无法产生无功功率，必须通过电网输送。

本文结合A风电场一期工程无功补偿装置运行模式及配置原则进行分析，通过工程实例，基于PSD-BPA软件建立风电场运行模型，对风电场无功补偿配置容量进行仿真分析，以获得最佳无功补偿方案。

1 无功补偿配置原则

现用无功补偿技术多为SVG（动态无功补偿），该技术利用控制单元，搭配升压变压器，可使无功电流得到有效控制，从而输出容性无功与感性无功，SVG等值网络图如图 1所示。按照GB/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》规定的对应原则进行无功补偿配置^[6]，具体原则如下。

（1）风电场须配置独立的无功电源，包括电动机组和无功补偿装置。风电场内装设风电机组时，须保证在功率因数在-0.95~0.95动态可调^[7]；

（2）风电机组应具有满足需求容量的无功补偿能力；

（3）需计算机组无功容量，若无法满足系统运行需求，应配置集中式无功补偿设备，如需要还可增设动态无功补偿设备；

（4）机组容量及无功容量需按照平衡配置原则，同时预留一定容量，确保机组检修阶段单机退运状态下依然可以灵活调整；

（5）如风电场直接接入公共电网，则需灵活选择容性、感性无功补偿容量，容性补偿应保证可补偿风电场满发状态下场内汇集线路、主变压器感性无功、场内送出线路感性无功总和的1/2；感性补偿应保证补偿风电场本身容性充电无功功率及其送出线路充电无功功率的1/2。

2 无功补偿计算公式

将线路无功损耗记作Q_L，其计算公式如式（1），相关计算公式见式（2）—（4）^[8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中I—线路中流过的电流，A；

X—线路等值电抗，Ω；

P—线路的有功功率，kW；

U—线电压，kV；

cosφ—功率因数；

x—导线单位长度电抗，Ω/km；

L—线路总长，km；

Q_C—充电功率，kvar；

f—线路频率，取50 Hz；

C—导线单相对地电容，μF；

c—单位长度电容，μF/km；

变压器无功损耗计算公式如式（5）：

(5)

式中Q_T—变压器损耗，kvar；

n—变压器数量，台；

S—运行视在功率，kVA；

S_N—额定容量，kVA；

U_K%—变压器短路电压百分值；

I₀ %—空载电流百分值。

容性无功补偿容量和感性无功补偿容量配置相应公式分别见式（6）和式（7）：

(6)

(7)

式中Q_R—容性无功补偿容量，kvar；

Q_Y—电源所发无功容量，kvar；

Q_G—感性无功补偿容量，kvar。

3 实例仿真分析 3.1 工程概况

A风电场工程设计额定装机容量49.5 MW，为满足设备轮流运转及检修需求，需预留相应容量，共设计配置40台1500 kW风电机组；采用“一机一变”配置形式，由风电机组前端就地配置40台箱式变压器。该工程分两期实现，本期共配置24台风电机组及24台箱式变压器。该风电场220 kV升压站，通过单回220 kV线路（长度1.5 km、导线型号LGJ-300）与B风电场升压站220 kV侧连接，B风电场通过单回220 kV线路（长度28.4 km、导线型号LGJ-300）接入A风电场220 kV变电站。A风电场无功补偿装置接入开关站35 kV侧。

3.2 仿真计算

利用PSD-BPA软件，结合A风电场有功出力、接入点A风电场220 kV变电站母线运行电压进行仿真计算，分析风电场出线和系统接入点交换无功功率为0 Mvar时，风电场所需补偿的容性和感性无功功率，以确定该风电场所需配置的无功补偿装置容量^[9-13]。计算前提条件为：风电场各风机均可在功率因数-0.98~0.98条件下运行。

3.2.1 线路无功损耗及充电功率

A风电场各机组与箱式变压器通过并联方式由6根电缆实现级联，电缆型号YJY23-1 kV-3×240，电缆电压0.69 kV，敷设距离40 m。利用公式（1）对风电场各线路的无功损耗进行计算，x取值0.014 Ω/ km，c取值3.288 μF/km，功率因数按0.98考虑。经计算，每台风力发电机对应的0.69 kV电缆线路无功损耗为4.77 kvar，充电功率为0.02 kvar；24台风力发电机对应的电缆线路无功损耗为114.63 kvar，线路总无功损耗为0.47 kvar。

3.2.2 箱式变压器无功损耗

A风电场风机功率因数设置为0.98，箱式变压器运行最大视在功率为2040.82 kVA，额定容量为2400 kVA。通过公式（5）计算可得，单台箱式变压器无功损耗为124.80 kvar，24台箱式变压器总无功损耗为2995.21 kvar。

3.2.3 35 kV/220 kV升压变压器无功损耗

风电场配置1台35 kV/220 kV升压变压器，风机功率因数为0.98，升压变压器运行最大视在功率为48 MVA，容量为50 MVA。根据公式（5）计算可知，升压变压器无功损耗为6967.20 kvar。

3.2.4 无功补偿计算

A风电场变电站220 kV母线分别在242 kV（1.1倍额定电压）和219.9 kV电压等级下运行，对风电场出力分别为0和100%，且这2种工况均未投运B风电场，进行220 kV线路无功补偿计算，结果见表 1。分析表 1中数据可知，风电场感性无功补偿容量分别为5.9 Mvar和4.6 Mvar时，均可实现系统接入点无功交换为0，系统电压符合要求。针对B风电场，两风电场满发状态下，A风电场需补偿19.6 Mvar容性无功。

结合仿真计算结果进行分析，在风机功率因数为0.98的前提下，A风电场一期工程无功补偿装置应配置容性无功0 Mvar、感性无功6 Mvar。

4 结语

本文通过实例仿真计算，得出A风电场一期工程无功补偿方案，在相关工程计算中具有实用性和借鉴性。