风电场无功补偿计算
摘要：电力系统的无功平衡和无功补偿是保证电压质量的基本条件之一，是保证系统安全稳定运行和经济运行的重要保障。
随着风力发电在电力能源中所占比例增大，大规模风电场并网运行后，其无功补偿对局部电网的调教作用将更加明显。
本文分析了影响风电场无功平衡的几个重要因素，虑影根据某风电场风机出力情况，计算风电场升压站的无功缺额，提出了无功配置建议。
关键词：风电场、无功补偿
1、引言
近年来我国风电产业取得了巨大进步，随着风电技术的日益成熟，风电已从过去的自发自用、独立运行的小型风力发电机发展成为多机联合并网运行的大型风力发电场。
然而，风能的随机性和不可控性决定了风电机组的出力具有波动性和间歇性的特点：且风机大多为异步发电机，其运行特性与同步机有本质的区别。
因此，大风电接入系统和远距离输送，往往存在无功平衡、电压稳定、输电通道允许的送电容量问题，有时会制约风电的发展【1、2】。
风机为异步机，需吸收无功来发出有功。
现大风机多为交流励磁双馈电机，采用恒功率因素控制模式的双馈电机能够提供一定动态无功支持，但其无功调节能力有限【3】。
交流励磁双馈电机变速恒频风力发电技术是目前最有前景的风力发电技术之一，已成为国内、外该领域研究的热点。
此方案最大的优点是减小了功率变换器的容量，降低了成本，且可以实现有功、无功的独立灵活控制。
但其核心技术掌握在国外制造商手中，出厂风机的功率因素固定，不易在运行中进行调整，现阶段风电场的功率因素调节一般都为机组停机后进行调节，因此有必要对风电场的无功补偿计算，以确定风电场的无功补偿配置。
2、无功配置容量计算
风电场的无功容量平衡一般考虑有，风机的发出无功、电缆的充电功率、升压变的无功损耗、需向主网提供的无功功率。
1）风机的无功出力
风力发电机在向系统送出有功的同时，一般也同时送出无功，由于风机类型的限制，功率因素不易在运行中进行调整，其中出厂功率因素一般整定在1，或者0.98。
若发出的功率，风机的无功出力为，其值为：
当即功率因素为1时，;当即功率因素为0.98时，；
2）电缆充电功率
运行中的送电线路，即是无功电源又是无功负荷，由于电缆具有较小的电阻和较大的对地电容，因此在此仅考虑它作为无功电源的方面，电缆的单位公里充电功率和电缆型号及电压水平有关，其值在厂家资料中应可查得。
考虑电缆的充电功率为为单位公里充电功率与长度之积，即：
考虑风电场为多组风机联起再送往升压站低压母线，设其总长度为公里。
3）变压器无功损耗
变压器在运行中将会损耗部分有功和无功，其中无功损耗主要与变压器的空载电流及短路电压，所传送功率大小有关【4】。
变压器的无功损耗为约为：
4）需向主网提供的无功功率
在《电力系统电压和无功电力技术导则》、《南方电网公司电力系统电压质量和无功电力管理标准》中规定，110kV变电站中的容性无功补偿装置以补偿变压器无功损耗为主，并适当兼顾负荷侧的无功补偿并满足主变压器最大负荷时，其高压侧的功率因素不低于0.95。
因此在风电场升压站向系统送出有功时，也应送出部分无功，需向主网提供的无功功率为
注：按高压侧功率因素取0.95。
5）在不考虑有功损耗的情况下，可以算出变电站所需配置无功补偿的容量的公式，即：
广东某风电场有24台额定功率为2MW的风机，电缆每公里充电功率约为0.06var，总长为30公里；升压站变压器短路电压为10.5%，空载电流为0.2%。
风机在满发下出力48MW，平均风速下出力为，分别在进行风机功率因素
整定为1，0.98时进行计算。
根据上面公式计算结果：
在风机满发时，风机功率因素为1时，需补偿19.44Mvar；
风机功率因素为0.98时，需补偿9.69 Mvar；
在平均风速时，风机功率因素为1时，需补偿2.58 Mvar；
风机功率因素为0.98时，需补偿0.14 Mvar。
计算结果显示，风电厂升压站最多需补偿19.44Mvar无功。
在得到所需配置无功补偿的容量后，考虑电容器投入会影响母线电压，所以在考虑每组容量时，宜取得较小。
《南方电网公司电力系统电压质量和无功电力管理标准》中规定110kV站电容器单组不宜大于6Mvar。
根据以上计算结果，建议本风电场升压站装设4组5Mvar电容器组。
由于本文没有考虑有功损耗，所以值稍大于考虑有功损耗时所得值；另由于风电场一般处于风能较多的空旷处，与主网较远，若送出架空线很长时，应当考虑补偿此送出线路的无功损耗。
4、结论
本文根据风电场的基本特点，考虑影响风电场升压站无功补偿配置的主要因素，根据某风电场风机出力情况，计算风电场升压站的无功缺额，提出了无功配置建议。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
