风电场电功率损耗计算研究

陈金桥

(中国电力建设工程咨询中南有限公司，湖北武汉430071)

风电场电功率损耗计算研究

陈金桥

(中国电力建设工程咨询中南有限公司，湖北武汉430071)

对风电场电功率损耗的组成进行分析，并结合具体工程项目对风电场电功率损耗计算进行研究。然后针对风电场输出电功率随风速变化而波动较大的特性，对电功率损耗的修正计算进行探讨，并进行具体修正计算。

风电场；功率损耗；最大负荷利用小时数

风电场的上网电功率和上网电量，与风电场风资源和风机装机容量相关外，还与风电场电功率损耗密切相关。研究风电场电功率损耗计算是一件有实际应用意义的工作，可为评价风电场的经济运行提供关键数据。文中分析了风电场电功率损耗的组成，结合具体工程，对风电场电功率损耗进行了分析和计算。并且针对风电场风机机组输出功率随风速变化波动较大的特性，对风电场电功率损耗和综合厂用电率的修正进行了初步探讨。

1 风电场电功率损耗的组成

风电场电功率损耗主要为电气设备电功率损耗，包括低压电缆电功率损耗(主要为风机机组到风机升压变压器连接电缆)、风机升压变压器电功率损耗、中压集电线路导线(电缆)电功率损耗、风电场变电站主变压器电功率损耗。某些风电场电功率损耗考核只计入这4种电功率损耗。

从广义上来分析，风电场电功率损耗应包括电厂内所有电功率损耗，在电气设备电功率损耗的基础上还需要考虑风电场用电负荷的消耗。

2 风电场电功率损耗分析和计算

结合具体工程，进行风电场电功率损耗分析和计算。以非洲K风电场(以下简称K风电场)项目为例，K风电场项目概况为:风电场安装60台GE 1.7－103型风力发电机组，该机组为双馈型(doubly-fed induction type)机组，单台风机装机容量为1 700 kW，总装机容量为102 MW；风机发电机额定电压为690 V，风机发电机功率因数为0.9 (滞后)；风机升压变压器容量为1 950 kVA，高低压电压为33 kV/0.69 kV；K风电场共设6回集电线路，将60台风机机组的电能输送到风电场变电站。K风电场设1座220 kV/33 kV变电站，变电站设1台120 MVA主变，并通过1回220 kV架空线路接至当地电网。

2.1 风机升压变压器和主变压器电功率损耗

K风电场风机升压变压器和主变压器选用油浸式变压器，变压器电功率损耗由空载损耗和负载损耗组成。国内变压器电功率损耗需满足文献〔1〕中要求，K风电场为了进一步降低电功率损耗，选用合资品牌的变压器产品，配合厂家为ABB。变压器功率损耗计算公式〔2〕为:

式中 P0为变压器空载损耗(kW)；Pcu为变压器负载损耗(kW)；P为变压器运行时实际通过的负载有功功率(kW)；Sn为变压器额定容量(kVA)；cosφ为负载功率因数，为0.9。

变电站主变和风机升压变损耗数据如下:

①变电站主变:空载损耗为40 kW，负载损耗为340 kW，主变额定容量120 MVA；

②风机升压变:空载损耗为2.06 kW，负载损耗为16.2 kW，升压变额定容量1 950 kVA；

根据公式(1)，计算得到:

变电站主变损耗为343.27 kW，单台风机升压变损耗为17.26 kW，风机升压变总数为60个，则所有风机升压变总损耗为1 035.6 kW。

2.2 中压电缆电功率损耗

K风电场共设6回集电线路。线路1接10台风机，分别为风机1—3，6—9，15—17；线路2接10台风机，分别为风机4—5，10—14，18—20；线路3接10台风机，分别为风机21—30；线路4接11台风机，分别为风机31—41；线路5接11台风机，分别为风机42—52；线路6接8台风机，分别为风机53—60。K风电场风机集电系统拓扑示意图如图1所示。

图1 K风电场集电系统拓扑结构图

K风电场风机中压连接导线为单芯铝芯电缆，电缆损耗计算公式为:

式中 I0为单个风机机组中压电缆回路电流(A)；n为每根集电电缆通过的负载所包含风机的台数；P为单个风机发电机功率(kW)，K风电场风机功率为1 700 kW；U为中压电缆相电压(kV)，K风电场中压电缆相电压为33 kV；cosφ为风机发电机功率因数，K风电场为0.9；ρ为电缆导体电阻率(Ω·mm2/m)，铝芯导体20℃电阻率为0.031 Ω·mm2/m〔3〕(暂不考虑集肤效应和温升对电缆导体电阻的影响，下同)；S为电缆导体截面(mm2)，K风电场根据载流量和压降选择电缆截面，铝芯电缆截面S可以为70 mm2，120 mm2，185 mm2，400 mm2，630 mm2；Ls为单相电缆总长度(m)，K风电场根据风机布置定位总图，测量每根连接电缆的长度。可以计算每根电缆的电功率损耗，其中集电线路1电缆电功率损耗见表1，最终求和得出中压电缆总的电功率损耗为825.8 kW。

表1 集电线路1电缆电功率损耗

另外，电缆损耗还需要考虑电缆金属层感应电流的功率损耗。根据文献〔3〕的要求，K风电场的中压单芯电缆的金属层有以下2种接地方式:

①对于短距离电缆线路，在一段直接接地，在一端配置护层电压限制器；②对于长距离电缆线路，采取交叉互联接地，并配置护层电压限制器。

采取以上电缆金属层接地方式后，电缆金属层感应电流很小，所产生的电缆金属层功率损耗很小。需要说明的是，1 kV及以下电力电缆一般是没有设置金属屏蔽层的，不会产生金属层感应电缆，也就没有电缆金属层感应电流功率损耗。

2.3 低压电缆电功率损耗

K风电场低压电缆选用三芯铜芯电缆，低压电缆电功率损耗与中压电缆损耗计算方法类似，参数意义相同。低压电缆计算公式如下

式中 P为单个风机发电机功率(kW)；U为低压电缆相电压(kV)，K风电场为0.69 kV；cosφ为风机发电机功率因数；ρ为电缆导体电阻率(Ω·mm2/m)，铜芯导体20℃时，电阻率为0.018 4 Ω·mm2/m〔3〕；Lw为风机到升压变的电缆长度(m)，K风电场为24 m；S为电缆导体截面(mm2)，K风电场风机到风机升压变低压电缆选用5根截面240 mm2电缆，则总截面S为5×240 mm2。根据公式(3)，得到单个风机机组低压电缆功率损耗为2.875 kW。K风电场风机台数为60，得到全部风机低压电缆损耗为165.5 kW。

2.4 风电场电负荷消耗功率

经统计，K风电场低压负荷见表2，采用换算系数法〔4－5〕进行计算，假定照明负荷换算系数为0.5，其他负荷综合换算系数为0.8，平均功率因数为0.8，则风电场低压负荷消耗电功率为115 kW。

表2 风电场400/230 V用电负荷

3 风电场电功率损耗计算值修正

3.1 风电场电功率损耗和综合厂用电率计算

风电场总的电功率计算公式为:

式中 PST为风电场所有变压器损耗(kW)；PSCM为风电场中压电缆损耗(kW)；PSCL为风电场低压电缆损耗(kW)；PLL为电负荷消耗功率(kW)。

式中 Ps为总电功率消耗(kW)；Pg为风电发电总功率(kW)，K风电场风机总功率为102 000 kW。

根据公式(4)—(5)，在考虑风电场用电负荷情况下，得到K风电场电功率损耗约为2 485 kW，综合厂用电率约为2.44%。如果不计入风电场电负荷消耗功率，则K风电场电功率损耗约为2 370 kW，综合厂用电率约为2.32%。

3.2 风电场电功率损耗和综合厂用电率修正计算

风力发电机发电功率是随着风速大小的变化而相应变化的，并不是恒定不变的。K风电场的粗略风机功率曲线如图2所示。风电场综合厂用电率计算公式〔5〕为:

图2 K风电场风机功率曲线

分析风电场在不同的风机出力情况下的风电场功率损耗，可以了解不同风机出力情况对风电场功率损耗的影响，从而更清晰地分析风电场的实际功率损耗。文中分析的风电场功率损耗，是风机风力为100%(1 700 kW)时的功率损耗。已经计算出风机出力为100%时的风电场损耗，使用同样的方法，可以得到风电出力分别为75%，50%和25%情况下K风电场损耗的大小。计算结果见表3。

表3 不同风机出力情况下的功率损耗

分析结果可知，变压器损耗的下降幅度比出力下降幅度大，而且没有明显的线性关系，因为不管风机出力如何变压，变压器空载损耗不变；而变压器负载损耗与风机出力的变比成平方关系；中压电缆和低压电缆的损耗与风机出力的变比成平方关系。从而，如果有风电场的详细风资源数据，就可以得到风电场的各种风速区间的年小时数；根据从风机厂获取的风机功率曲线表，利用上面的计算方法可以估算实际的风电场功率损耗。

但是在实际工程计算中，一般收集到的风资源数据不完整，按照上面的方法计算风电场实际功率损耗比较困难。下面介绍一种工程中常用的结合风资源情况计算风电场电功率损耗的方法。

对于风电场全年的电能损耗，用下式计算:

式中 T为电气设备运行时间(h)；Rt为t时刻电气设备电阻(Ω)；Pt为t时刻电气设备有功功率(kW)；Ut为t时刻电气设备运行电压(V)；cosφt为t时刻电气设备的功率因数。

这种计算方法较严格，可以计算得到较准确的电能损耗值，但是工作量很大。实际工程计算中，基本采用文献〔2〕中的经验方法进行计算，文献〔2〕中给出了最大负荷利用小时数Tmax和损耗小时数τ的关系(该损耗小时数τ值是工程实践中根据运行电厂电能损耗统计数据反推得到的经验数据值)，最大负荷利用小时数Tmax与τ的关系表。对于该风电工程，可通过风电场的最大负荷利用小时数Tmax和功率因数cosφ查表得到风电场的最大负荷损耗小时数τ，进而得到电气设备电能损耗。

初步估算，K风电场理论年发电量(AP＝P50)为4.612×108kWh，总装机容量为102 MW，得到最大负荷利用小时数Tmax为4 522 h。假定全场功率因数为0.9，查看表4，并采用插入法进行计算，得到风电场损耗小时数τ为2 922 h。

变压器电能损耗公式为:

式中 P0为变压器空载损耗(kW)；T为变压器年运行时间(h)；为变压器在风机机组额定出力时的负载损耗(kW)；τ为损耗小时数，下同。

电缆损耗电能计算公式为:

式中 ΔPmax为电缆在风机机组额定出力工况下的功率损耗。

风电场电负荷电能损耗公式为:

此时，风电场总的电功率消耗公式为:

式中 ΔAT1为变电站主变电能损耗；ΔAT2为风机升压变电能损耗；ΔACM为风电场中压电缆电能损耗；ΔACL为风电场低压电缆电能损耗；ΔAL为风电场电负荷电能损耗；Tmax为风机机组最大运行时间。

则修正后的综合厂用电率公式为:

根据公式(7)—(10)得到K风电场修正后总电功率消耗为1 956 kW。不计入风电场电负荷消耗功率，则修正后电功率消耗为1 733 kW。

根据公式(11)，得到的K风电场修正厂用电功率为1.92%。如果不计入风电场电负荷效率功率，则修正厂用电率为1.7%。K风电场所取的最大负荷小时数4 522 h是目前根据风资源资料分析得到的理论值，相对实际运行值明显偏高，如我国风电场2014年风电场场设备年利用时间统计数据一般在1 500～2 500 h之间。如果风电场有更准确的年运行时间，可按照修正方法进一步修正计算。

4 结语

文中对风电场电功率损耗的组成进行了分析，并结合具体工程对风电场功率损耗和厂用电率进行了理论计算，供类似风电场工程的电功率损耗计算时参考。另外，由于风电场风机输出功率并不是恒定不变，而是与风资源条件密切相关，目前的风电场电功率损耗和风电场综合厂用电率理论计算值与实际测量值还有比较大的误差。如果有详细的风资源数据和实际的风机机组年利用时间，并且得到完整的风机功率曲线表和各风速对应的发电时间数据，可对风电场功率损耗进行进一步修正计算〔6〕。

通过分析，降低风电场电功率损耗，可以重点从以下方面着手:①选用优质低损耗变压器产品。②对风机中压集电线路路径进行优化，减少线路长度。③选择中压集电线路导体截面和材质时，除了满足载流量和压降要求外，可以结合经济电流密度分析等方法进一步加大导体截面或者选用铜等良导体。④根据业主实际要求，尽量减少风机和风机升压变之间导线的距离。需要指出的是，上述①和③方法，在降低了电功率损耗的同时，也增加了风电场投资费用。在具体工程应用中，需要进行专门的技术经济比较，才能得到经济可行的最优方案。

〔1〕中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.油浸式电力变压器技术参数和要求:GB/T 6451—2008〔S〕.北京:中国标准出版社，2008.

〔2〕电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册〔S〕.北京:中国电力出版社，1998.

〔3〕中华人民共和国建设部.电力工程电缆设计规范:GB 50217—2007〔S〕.北京:中国计划出版社，2008.

〔4〕中华人民共和国国家经济贸易委员会.220 kV～500 kV变电所所用电设计技术规程:DL/T 5155—2002〔S〕.上海:上海人民出版社，2002.

〔5〕国家能源局.火力发电厂厂用电设计技术规程:DL/T 5153—2014〔S〕.北京:中国计划出版社，2015.

〔6〕李宁凯，林红，孙唯宓.基于风资源和风机参数的风电场变压器电能损耗计算研究〔J〕.供用电，2015(4):75-80.

Research on electrical loss calculation of wind farm

CHEN Jinqiao
(China Power Construction Engineering Consulting Central Southern Co.，Ltd，Wuhan 430071，China)

In this paper，the electrical loss of wind farm is analyzed.And taking a specific wind farm as an example，the calculation of the electric power loss of wind farm is studied.As the power output of wind turbine generation is affected by uncertainty of wind speed，the more accurate calculation method of the electric power loss is discussed.And a more accurate calculation is implemented.

wind farm；electrical loss；maximum load utilization hours

TM614

A

1008-0198(2016)01-0004-04

陈金桥(1984)，男，湖北武汉人，工学硕士，工程师，主要从事电力工程设计工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.002

2015-09-15 改回日期:2015-11-12