CN114172160A - 一种风电场接入系统的无功补偿配置方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力系统技术领域，提供了一种风电场接入系统的无功补偿配置方法及系统，获取线路的电压、有功功率和线路参数，并计算线路的无功损耗和充电功率；获取变压器的短路电压百分值、空载电流百分值和运行视在功率，并计算变压器的无功损耗；基于线路的无功损耗和充电功率、以及变压器的无功损耗，计算风电场需配置的无功补偿装置容量；其中，容性无功补偿容量为线路的无功损耗以及变压器的无功损耗之和；感性无功补偿容量为线路的充电功率之和。减少了风电并网对电力系统影响，提高了风电接入系统安全性。

Description

一种风电场接入系统的无功补偿配置方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，尤其涉及一种风电场接入系统的无功补偿配置方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
风电场的运行需要大量无功支撑，随着风电并网规模和容量的不断提高，若不及时进行无功补偿，系统无功缺额将会越来越多，对系统电压造成的冲击越来越大，电网的安全稳定运行受到挑战。因此，为减少风电并网对电力系统影响，提高风电接入系统安全性，亟需优化风电场接入系统无功补偿。
目前，针对风电场无功补偿容量配置，主要采用估算法、由无功补偿度确定补偿容量法、通过功率因数确定补偿容量法及按调压需求确定补偿容量法等，而鲜有基于无功补偿配置原则进行无功补偿容量配置计算的方法，这也使计算规范性及结果准确性不足，难以满足电网安全稳定运行要求。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种风电场接入系统的无功补偿配置方法及系统，减少了风电并网对电力系统影响，提高了风电接入系统安全性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其包括：
获取线路的电压、有功功率和线路参数，并计算线路的无功损耗和充电功率；
获取变压器的短路电压百分值、空载电流百分值和运行视在功率，并计算变压器的无功损耗；
基于线路的无功损耗和充电功率、以及变压器的无功损耗，计算风电场需配置的无功补偿装置容量；其中，容性无功补偿容量为线路的无功损耗以及变压器的无功损耗之和；感性无功补偿容量为线路的充电功率之和。
进一步的，对于直接接入公共电网的风电场，所述容性无功补偿容量需要补偿风电满发时场内集电线路、风电机组单元变压器、主变压器的感性无功及风电场送出线路的一半感性无功之和。
进一步的，对于经风电汇集系统升压接入公共电网的风电场，所述容性无功补偿装置容量需要补偿风电场满发时场内集电线路、风电机组单元变压器、主变压器的感性无功及风电场送出线路的全部感性无功之和。
进一步的，对于直接接入公共电网的风电场，所述感性无功补偿容量需要补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功率。
进一步的，对于经风电汇集系统升压接入公共电网的风电场，所述感性无功补偿容量需要补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的全部充电无功功率。
进一步的，所述线路的无功损耗为线路电流的平方与线路单位长度电抗和线路长度乘积的倍数，所述线路电流为线路有功功率与线路电压和线路功率因数乘积的比值的倍数。
进一步的，所述线路的充电功率为线路电压的平方、单位长度导线线路单相对地电容、线路长度和线路频率四者乘积的倍数。
本发明的第二个方面提供一种风电场接入系统的无功补偿配置系统，其包括：
线路的无功损耗和充电功率计算模块，其被配置为：获取线路的电压、有功功率和线路参数，并计算线路的无功损耗和充电功率；
变压器的无功损耗计算模块，其被配置为：获取变压器的短路电压百分值、空载电流百分值和运行视在功率，并计算变压器的无功损耗；
无功补偿配置模块，其被配置为：基于线路的无功损耗和充电功率、以及变压器的无功损耗，计算风电场需配置的无功补偿装置容量；其中，容性无功补偿容量为线路的无功损耗以及变压器的无功损耗之和；感性无功补偿容量为线路的充电功率之和。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其减少了风电并网对电力系统影响，提高了风电接入系统安全性，有效避免了风电机组的大规模并网对电网电压稳定带来巨大冲击。
本发明提供了一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其适用于所有接入电力系统风电场，为风电并网工程中电压稳定提供重要支撑，对保障电网安全稳定运行具有重要意义。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例一的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法的整体流程图；
图2是本发明实施例一的风电场并网示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，首先，基于风电工程实际，研究无功补偿配置原则，保障无功补偿配置符合电网相关原则及规定；其次，基于风电场无功补偿原则，提出无功补偿配置方法，以获得最佳无功补偿方案。
典型风电场一般装设几十台或几百台风力发电机组，每台发电机组配置一台箱式变压器，发电机组与箱式变压器间采用并联敷设的电缆进行连接，各箱式变压器通过集电线路将风力送至升压站主变低压侧母线，再由升压站主变升压至高压侧母线，经风电场送出线路集中送出。风力发电机组、箱式变压器、集电线路、主变压器及升压站内设备共同构成了风电场的电气主系统，其并网示意图如图2所示。
在风电工程并网系统中，无功损耗主要由风电机组、风机出口至箱式变压器线路、箱式变压器、集电线路、主升压变压器、风电场送出线路6部分构成。
1)风电机组
目前应用较多的风电机组大致可分为恒频恒速异步发电机(鼠笼式异步发电机)、恒频变速双馈异步发电机(绕线式异步发电机)、直驱永磁同步发电机三类。恒频恒速异步发电机在机端并联有无功补偿装置，补偿容量一般为风机容量的30％-50％，但其补偿容量不能满足风机启动和脱网时的无功功率要求，风机同时启动或脱网时需从电网再吸收50％～70％机组容量的无功功率，鉴于所有风机同时启动或脱网的可能性较小，建议增加无功补偿容量为总装机容量的30％。恒频变速双馈异步发电机在转子绕组装设有控制单元，正常运行时，控制单元可以通过控制转子电流的频率、幅值和相位让定子频率、机端电压和功率因数保持恒定，不需要电网提供无功功率。在风电场故障或低电压穿越过程中，控制单元的网侧变频器能发出无功功率来调整机端电压，但所发无功功率不能满足风机所需，建议考虑增加无功补偿容量为总装机容量的10％。直驱永磁同步发电机在机端装设有全功率变流器，正常运行和风电场故障时，全功率变流器可以进行无功功率调节，永磁同步机都不需要从系统吸收无功功率。因此，对于风电场的风机部分，可以不考虑增加无功补偿容量。
2)风机出口至箱式变压器线路
风力发电机组出口电压一般为0.69kV,采用低压电缆接至对应箱式变压器，由于流过电流较大，一般采用并联敷设的电缆进行连接。
3)箱式变压器
箱式变压器将风机的电压由690V升压到10kV或35kV，一台风机对应一台箱式变压器。
4)集电线路
风机的电力经过箱式变压器升压后通过集电线路将电力送至风电场升压站，风电场中集电线路有架空线、电缆、电缆架空线混合三种接线方式。
5)升压变压器
风电场升压站内升压变压器将集电线路送来的电力升压后送出。
6)风电场送出线路
风电场并网点至公共电网的输电线路，升压变压器将风电电力升压后经送出线路接入电力系统。
根据《风电场接入电网技术规定(Q/GDW 1392-2015)》：风电场的无功电源包括风电机组及风电场无功补偿装置。风电场安装的风电机组应能满足功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调。风电场要充分利用风电机组的无功容量及其调节能力，当风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要时，应在风电场集中加装适当容量的无功补偿装置，必要时加装动态无功补偿装置。风电场的无功容量应按照分(电压)层和分(电)区基本平衡的原则进行配置，并满足检修备用要求。对于直接接入公共电网的风电场，其配置的容性无功容量能够补偿风电满发时场内汇集系统(包括集电线路和风电机组单元变压器)、主变压器的感性无功及风电场送出线路的一半感性无功之和，其配置的感性无功容量能够补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功率。对于通过220kV(或330kV)风电汇集系统升压至500kV(或750kV)电压等级接入公共电网的风电场群中的风电场，其配置的容性无功容量能够补偿风电场满发时场内汇集系统、主变压器的感性无功及风电场送出线路的全部感性无功之和，其配置的感性无功容量能够补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的全部充电无功功率。
本发明基于风电场无功补偿原则，提出风电场接入系统无功补偿方法，包括如下步骤：
步骤1、获取线路(包括集电线路和风电场送出线路)的电压、有功功率和线路参数，并计算线路的无功损耗和充电功率，其中，线路参数包括导线单位长度电抗、线路长度、线路功率因数和单位长度导线单相对地电容，具体的：
集电线路和风电场送出线路的无功损耗QL(kvar)均为线路电流的平方与线路单位长度电抗和线路长度乘积的倍数，计算公式为式(1)：
QL＝3I2·X (1)
其中，I为线路流过的电流(A)，线路电流为线路有功功率与线路电压和线路功率因数乘积的比值的倍数，计算公式见式(2)；X为线路等值电抗(Ω)，计算公式见式(3)；
Figure BDA0003351637080000081
其中，P为线路有功功率(kW)，U为线电压(kV)，cosφ为线路功率因数；
X＝x·L (3)
其中，x为导线单位长度电抗(Ω/km)，L为线路长度(km)。
集电线路或风电场送出线路的充电功率QC(kvar)为线路电压的平方、单位长度导线单相对地电容、线路长度和线路频率四者乘积的倍数，计算公式见式(4)：
QC＝U2·ω·C/1000＝U2·2π·f·c·L/1000 (4)
其中，f为线路频率(Hz)，取值50Hz；C为导线单相对地电容(μF)；c为单位长度导线单相对地电容(μF/km)。
步骤2、获取变压器(包括箱式变压器和主变压器)的短路电压百分值、空载电流百分值和运行视在功率，并计算变压器的无功损耗，具体的：箱式变压器或主变压器的无功损耗QT(kvar)的计算公式为式(5)：
Figure BDA0003351637080000082
其中，n为变压器台数，UK％为变压器短路电压百分值；I0％为变压器空载电流百分值；S为变压器运行视在功率(kVA)；SN为变压器额定容量(kVA)。
步骤3、基于集电线路和风电场送出线路的无功损耗和充电功率、以及箱式变压器和主变压器的无功损耗，计算风电场需配置的无功补偿装置容量。其中，容性无功补偿容量为线路的无功损耗以及变压器的无功损耗之和；感性无功补偿容量为线路的充电功率之和。具体的：
对于直接接入公共电网的风电场，容性无功补偿容量需要补偿风电满发时场内集电线路、风电机组单元变压器、主变压器的感性无功及风电场送出线路的一半感性无功之和，其计算公式见式(6)：
Figure BDA0003351637080000091
其中，QR为需配置的容性无功补偿容量，QXT为箱式变压器无功损耗，QJL为集电线路无功损耗，QZT为主变压器无功损耗，QSL为风电场送出线路无功损耗。
对于经风电汇集系统升压接入公共电网的风电场，容性无功补偿装置容量需要补偿风电场满发时场内集电线路、风电机组单元变压器、主变压器的感性无功及风电场送出线路的全部感性无功之和，计算公式见式(7)：
QR＝QXT+QJL+QZT+QSL (7)
对于直接接入公共电网的风电场，感性无功补偿容量需要补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功率，计算公式见式(8)：
Figure BDA0003351637080000092
其中，QG为需配置的感性无功补偿容量，QJC为集电线路充电功率，QSC为风电场送出线路充电功率。
对于经风电汇集系统升压接入公共电网的风电场，感性无功补偿容量需要补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的全部充电无功功率，计算公式见式(9)；
QG＝QJC+QSC (9)
本发明以一实际风电场为例，对A风电工程无功补偿进行算例分析。某风电场容量300MW，安装16台单机容量为3200kW以及73台单机容量为3400kW的直驱风力发电机组，风力发电机与箱式变压器接线方式为一机一变单元接线方式，箱变在风机内部，容量分别为3600kVA与3800kVA，电能经箱式变压器升压至35kV后以12回35kV集电线路接入220kV升压变电站35kV母线，升压后经1回220kV线路接至500kV某变电站。
1)风机
本工程采用直驱永磁同步发电机，不需要从系统吸收无功功率，不考虑增加无功补偿容量。
2)风机出口至箱式变压器线路
本工程箱变在风机内部，0.69kV线路极短，无功损耗和充电功率可忽略不计，本工程不作考虑。
3)箱式变压器
本工程箱式变压器短路电压百分值和空载电流百分值分别为7％和0.2％，由变压器无功损耗公式(5)可知，3600kVA与3800kVA升压变无功损耗分别为：
Figure BDA0003351637080000101
Figure BDA0003351637080000102
经计算，89台升压箱变总无功损耗为19400.907kvar。
4)集电线路
风电场共有35kV集电线路12回，导线型号为LGJ-95/20以及LGJ-240/30,其中LGJ-95/20的导线共计33.5km，LGJ-240/30的线路共计90.3km。
经计算，35kV集电线路无功损耗及充电功率见表1所示。
表1 35kV集电线路无功损耗及充电功率计算结果
Figure BDA0003351637080000103
Figure BDA0003351637080000111
5)升压变压器
本项目安装3台100MVA升压变，短路电压百分值和空载电流百分值分别为14％和0.45％，由变压器无功损耗公式(5)可知3台35/220kV升压变无功损耗为：
QT＝3·(14％·1+0.45％)·100000＝43350kvar (12)
6)风电场送出线路
本工程送出线路采用2×LGJ-240型号导线，线路参数见表2：
表2 220kV送出线路参数
Figure BDA0003351637080000112
由线路无功损耗公式(1)、(2)及充电功率公式(4)计算可得220kV送出线路无功损耗与充电功率见表3所示。
表3 220kV送出线路无功损耗及充电功率计算结果
Figure BDA0003351637080000113
综上，计算可得本300MW风电工程在风电满发时无功损耗为93.244Mvar，充电功率为2.35Mvar.
根据NB/T 31099-2016《风力发电场无功配置及电压控制技术规定》、Q/GDW11064-2013《风电场无功补偿装置技术性能和测试规范》及GB/T19963-2011《风力发电场接入电力系统技术规定》的要求，考虑一定裕度，本发明建议在升压站的3段35kV母线侧各配置一套±32Mvar静止式动态无功补偿装置(SVG)，补偿容量调节范围为32Mvar(容性)～32Mvar(感性)，并满足可动态连续调节，响应时间不超过30ms的要求，同时，风电场所配置无功补偿装置应在风电机组并网运行时及低电压穿越、高电压穿越过程中可靠运行，三台主变下共配置3×32合计96Mvar的SVG。
最后，基于PSASP软件，分别在冬小、夏小、冬大和夏大方式下对A风电场进行仿真建模，校核风电场在配备了±96Mvar静止式动态无功补偿装置(SVG)无功补偿后,无功补偿配置容量是否满足运行要求。
经计算，无功校验计算的各种方式下系统各节点电压合理，风电场配置的容性及感性无功补偿容量满足运行要求。
本发明基于风电场无功补偿原则，提出无功补偿配置方法，并结合风电场工程实例，进行无功补偿配置算例分析，最终通过PSASP建模仿真验证了所提计算方法的准确性及有效性。本发明的无功补偿配置方法适用于所有接入电力系统风电场，为风电并网工程中电压稳定提供重要支撑，对保障电网安全稳定运行具有重要意义。
实施例二
本实施例提供了一种风电场接入系统的无功补偿配置系统，其具体包括如下模块：
线路的无功损耗和充电功率计算模块，其被配置为：获取线路的电压、有功功率和线路参数，并计算线路的无功损耗和充电功率；
变压器的无功损耗计算模块，其被配置为：获取变压器的短路电压百分值、空载电流百分值和运行视在功率，并计算变压器的无功损耗；
无功补偿配置模块，其被配置为：基于线路的无功损耗和充电功率、以及变压器的无功损耗，计算风电场需配置的无功补偿装置容量；其中，容性无功补偿容量为线路的无功损耗以及变压器的无功损耗之和；感性无功补偿容量为线路的充电功率之和。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其特征在于，包括：
获取线路的电压、有功功率和线路参数，并计算线路的无功损耗和充电功率；
获取变压器的短路电压百分值、空载电流百分值和运行视在功率，并计算变压器的无功损耗；
基于线路的无功损耗和充电功率、以及变压器的无功损耗，计算风电场需配置的无功补偿装置容量；其中，容性无功补偿容量为线路的无功损耗以及变压器的无功损耗之和；感性无功补偿容量为线路的充电功率之和。
2.如权利要求1所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其特征在于，对于直接接入公共电网的风电场，所述容性无功补偿容量需要补偿风电满发时场内集电线路、风电机组单元变压器、主变压器的感性无功及风电场送出线路的一半感性无功之和。
3.如权利要求1所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其特征在于，对于经风电汇集系统升压接入公共电网的风电场，所述容性无功补偿装置容量需要补偿风电场满发时场内集电线路、风电机组单元变压器、主变压器的感性无功及风电场送出线路的全部感性无功之和。
4.如权利要求1所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其特征在于，对于直接接入公共电网的风电场，所述感性无功补偿容量需要补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功率。
5.如权利要求1所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其特征在于，对于经风电汇集系统升压接入公共电网的风电场，所述感性无功补偿容量需要补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的全部充电无功功率。
6.如权利要求1所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其特征在于，所述线路的无功损耗为线路电流的平方与线路单位长度电抗和线路长度乘积的倍数，所述线路电流为线路有功功率与线路电压和线路功率因数乘积的比值的倍数。
7.如权利要求1所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法，其特征在于，所述线路的充电功率为线路电压的平方、单位长度导线线路单相对地电容、线路长度和线路频率四者乘积的倍数。
8.一种风电场接入系统的无功补偿配置系统，其特征在于，包括：
线路的无功损耗和充电功率计算模块，其被配置为：获取线路的电压、有功功率和线路参数，并计算线路的无功损耗和充电功率；
变压器的无功损耗计算模块，其被配置为：获取变压器的短路电压百分值、空载电流百分值和运行视在功率，并计算变压器的无功损耗；
无功补偿配置模块，其被配置为：基于线路的无功损耗和充电功率、以及变压器的无功损耗，计算风电场需配置的无功补偿装置容量；其中，容性无功补偿容量为线路的无功损耗以及变压器的无功损耗之和；感性无功补偿容量为线路的充电功率之和。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种风电场接入系统的无功补偿配置方法中的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114928067A (zh) * 2022-03-25 2022-08-19 湖州电力设计院有限公司 一种变电站无功补偿容量优化方法

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