無功配置對海上風(fēng)電場輸出海纜損耗的影響分析

魯加明，趙云，鄭明，余宏強

(1.中國能建集團(tuán)裝備有限公司南京技術(shù)中心，南京市 210015；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州市 510663)

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無功配置對海上風(fēng)電場輸出海纜損耗的影響分析

魯加明1，趙云1，鄭明2，余宏強1

(1.中國能建集團(tuán)裝備有限公司南京技術(shù)中心，南京市 210015；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州市 510663)

基于海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)模型和海底電纜參數(shù)，分析了海上風(fēng)電場無功補償配置方法和海纜損耗的計算方法，建立了海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)簡化模型，計算了不同規(guī)模、不同傳輸距離海上風(fēng)電場采用兩端補償和陸上單端補償兩種方案時輸出海纜導(dǎo)體損耗，得到了海纜導(dǎo)體損耗-風(fēng)電場出力曲線。在風(fēng)電場低出力水平及長距離傳輸時，兩端補償損耗更低，而在風(fēng)電場高出力水平或短距離傳輸時，單端補償損耗稍低一些。

海底電纜；海上風(fēng)電；無功補償；損耗

0 引 言

由于海上風(fēng)電具有風(fēng)資源豐富、不占土地資源、出力穩(wěn)定等特點，已經(jīng)成為當(dāng)前可再生能源的熱點[1]。海上風(fēng)電場一般建設(shè)在離岸10 km及以外的海域，其所發(fā)電能通過海底電纜輸送，當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模較大時，通常需要建設(shè)海上變電站[2-3]。海上變電站將風(fēng)電場集電系統(tǒng)的電能匯集，并經(jīng)過一次升壓，通過高壓海纜送至陸上電網(wǎng)。

建設(shè)海上變電站可以減少送出海纜的回路數(shù)和損耗，但變電站平臺的施工需要使用昂貴的專業(yè)設(shè)備，且平臺的重量和尺寸越大，可選擇的設(shè)備越少，費用越高[4-5]。由于受到天氣、海況等因素的影響，海上變電站的設(shè)備故障通常需要更長的時間來處理，影響了輸電系統(tǒng)的整體可用率[6]。海上的高濕度高鹽霧環(huán)境對電氣設(shè)備的可靠性產(chǎn)生影響[7]，同時充油的高壓電氣設(shè)備也會對平臺的安全性構(gòu)成威脅[8]。綜合以上因素，減少海上變電站內(nèi)大型高壓設(shè)備的數(shù)量對于提高其安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有積極意義。

電氣設(shè)備的減少有賴于電氣系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化，其中，無功補償優(yōu)化配置是最有效的措施之一，海上風(fēng)電場無功補償技術(shù)成為專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。文獻(xiàn)[9]對不同絕緣高壓海底電纜的電磁暫態(tài)問題進(jìn)行研究，但研究對象是500 kV的海底電纜聯(lián)網(wǎng)工程。文獻(xiàn)[10]基于PSCAD/EMTDC仿真軟件研究了海纜結(jié)構(gòu)參數(shù)對電磁暫態(tài)的影響。文獻(xiàn)[11]、[12]對海上風(fēng)電場架空線-海纜混合線路的雷電過電壓問題進(jìn)行了研究，得到不同避雷器配置方式下的過電壓計算結(jié)果。文獻(xiàn)[13]對海底電纜操作過電壓進(jìn)行暫態(tài)分析，提出較高補償水平可能會引起過零點丟失現(xiàn)象，加裝電阻器是最有效的解決方法。文獻(xiàn)[14]從補償效果和經(jīng)濟(jì)性的角度對海纜聯(lián)網(wǎng)工程中補償容量的計算和優(yōu)化分組方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[15]對電網(wǎng)電壓跌落時海上風(fēng)電系統(tǒng)的動態(tài)功率傳輸特性進(jìn)行詳細(xì)分析，指出電網(wǎng)電壓跌落的幅值、電網(wǎng)電壓跌落時風(fēng)電場輸出有功功率、無功功率對海上風(fēng)電系統(tǒng)的無功補償容量有重要影響，并因此而影響海上風(fēng)電系統(tǒng)的動態(tài)過程控制。文獻(xiàn)[16]對海纜輸電線路的電容效應(yīng)進(jìn)行了分析，并通過仿真計算進(jìn)行驗證，得出電容效應(yīng)系數(shù)隨無功補償容量的增大而減小，并且二端補償比一端補償效果更好的結(jié)論。綜合分析已有研究成果發(fā)現(xiàn)：(1)海上風(fēng)電場高壓輸出海纜存在過電壓問題；(2)高壓海底電纜產(chǎn)生大量充電功率；(3)無功補償是解決以上兩個問題的有效方法，且兩端補償比一端補償效果更好。兩端補償需要在海上變電站布置高壓電抗器，這面臨前述的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性問題，因此，對于具體工程項目采用兩端補償?shù)谋匾院徒?jīng)濟(jì)性仍有待研究。

本文基于海上變電站典型主接線和國內(nèi)廠家海底電纜參數(shù)，在Digsilent Powerfactory軟件中建立海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)模型，對風(fēng)電場容量、輸電距離和補償配置進(jìn)行調(diào)整，計算在不同出力下輸出海纜中的電流分布，進(jìn)而得到海纜導(dǎo)體損耗-風(fēng)電場出力曲線，對比兩端補償和單端補償對輸出海纜損耗的影響，為優(yōu)化海上風(fēng)電場無功配置的經(jīng)濟(jì)性分析提供參考依據(jù)。

1 海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)

我國近期建設(shè)及規(guī)劃的海上風(fēng)電項目都位于潮間帶或近海海域，容量大多為200～400 MW[17]，電能送出將以高壓交流(HVAC)輸電方式為主。典型的海上風(fēng)電場HVAC輸電系統(tǒng)主要由風(fēng)電機組、集電海纜、海上變電站和高壓輸出海纜組成，圖1為一個典型的大型海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 海底電纜

我國已規(guī)劃的海上風(fēng)電場裝機容量大多在200 MW及以上，且離岸距離越遠(yuǎn)，單個風(fēng)電場裝機規(guī)模越大。由于110 kV海底電纜輸電容量受到限制，隨著國內(nèi)220 kV海底電纜制造技術(shù)不斷成熟，海上風(fēng)電場輸出電纜將會更多的選擇220 kV電壓等級。

圖1 大規(guī)模海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Electrical system structure of large offshore wind farm

海底高壓電纜總體結(jié)構(gòu)分為單芯和三芯，雖然國內(nèi)廠家已有220 kV三芯海纜的產(chǎn)品，但尚無業(yè)績，一些工程仍傾向采用單芯海纜，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

單芯海纜護(hù)套和鎧裝層兩端接地時，會在護(hù)套和鎧裝層產(chǎn)生反相環(huán)流，鍍鋅鋼絲鎧裝因渦流而使得電纜損耗加劇，降低了電纜最大傳輸容量，而且下降的幅度隨導(dǎo)體截面的增加而增加。為了降低電纜損耗，提高電纜傳輸容量，大截面的單芯海底電纜往往采用非磁性材料鎧裝[18-19]。

圖2 高壓海底電纜(交聯(lián)聚乙烯)單芯結(jié)構(gòu)Fig.2 XLPE high-voltage submarine cable single-core structure

2.1 海底電纜等值電路

海底電纜在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算時可采用如圖3所示的Π型等值電路。

線路首、末端的節(jié)點電壓、電流應(yīng)滿足：

(1)

式中：α為線路的相移系數(shù)，與線路的電感和電容有關(guān)；l為線路長度；Z為線路的波阻抗。

根據(jù)200、300、400 MW這3種規(guī)模風(fēng)電場傳輸容量的需要，分別選擇了3種規(guī)格的海底電纜，在水平敷設(shè)時，其電氣參數(shù)如表1所示。

圖3 電纜等值電路模型Fig.3 Equivalent circuit model of cable表1 220 kV單芯海底電纜電氣參數(shù)Table 1 Electrical parameters of 220 kV single-core submarine cables

2.2 海底電纜有功損耗計算

海底電纜的損耗包括導(dǎo)體損耗、護(hù)套損耗的鎧裝層損耗，計算式為

Pz=Pd+Ph+Pk

(2)

式中：Pz為電纜總的損耗功率；Pd為導(dǎo)體損耗功率；Ph為護(hù)套損耗功率；Pk為鎧裝損耗功率。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]，每種規(guī)格的海纜在敷設(shè)參數(shù)確定時，其護(hù)套損耗因數(shù)λh和鎧裝損耗因數(shù)λk均為常數(shù)。因此，Pz與Pd呈線性關(guān)系，可表示為

Pz=(1+λh+λk)Pd

(3)

導(dǎo)體損耗功率為

(4)

式中：Ix為距離電纜首端x處的電流有效值；r為單位長度導(dǎo)體電阻。

3 海上風(fēng)電場無功補償配置

根據(jù)無功補償分層分區(qū)、就地平衡的原則，集電網(wǎng)絡(luò)的無功應(yīng)在海上變電站的35 kV側(cè)進(jìn)行補償。在風(fēng)電場出力較大時，35 kV側(cè)無功平衡可以充分利用風(fēng)電機組的無功調(diào)節(jié)能力，變電站內(nèi)只需考慮風(fēng)電場輕載情況下的無功補償，通常是配置并聯(lián)電抗器。在高壓側(cè)只需考慮高壓輸出海纜和主變壓器的無功平衡。

3.1 海底電纜充電功率計算

由電纜的等值電路，其充電功率為

(5)

式中：Qc為電纜的充電功率；By為電纜對地導(dǎo)納；U1、U2分別為電纜首末端電壓。

3.2 海底電纜無功損耗計算

電流在線路電抗上產(chǎn)生的無功損耗為

QL=I2X

(6)

式中：QL為線路的無功損耗；I為線路平均電流有效值；X為線路電抗。

3.3 變壓器無功損耗計算

變壓器可等效為電感，空載時無功損耗最小，滿載時無功損耗達(dá)到最大，無功損耗按下式計算：

(7)

式中：QT為變壓器的無功損耗；Q0為變壓器的空載無功損耗；QS為變壓器的負(fù)載無功損耗；Sca為計算視在功率；Se為變壓器的額定容量。其中：

(8)

(9)

式中：I0為變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)；Ud為變壓器短路阻抗百分?jǐn)?shù)。

3.4 無功補償配置

海纜的充電功率為固定容量，海纜和變壓器的無功損耗隨負(fù)荷而變化，是可變部分。高壓輸電系統(tǒng)無功補償采用并聯(lián)電抗器+靜止無功發(fā)生器(static var generation，SVG)的配置方案，容量分配按下式計算：

(10)

式中：QR為并聯(lián)電抗器補償容量；QSVG為SVG的補償容量；QLmax、QLmin分別為海纜的最大、最小無功損耗；QTmax、QTmin分別為主變壓器最大、最小無功損耗。

SVG布置在陸上更加靠近并網(wǎng)點，動態(tài)調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確度都更高。兩端補償和單端補償所對應(yīng)的無功配置如表2所示。

表2 無功補償配置

Table 2 Reactive compensation configuration

4 仿真模型及計算結(jié)果

在Digsilent Powerfactory仿真分析軟件中建立海上風(fēng)電場電氣模型。本文并不對集電系統(tǒng)的無功補償進(jìn)行研究，并且假定35 kV的無功是平衡的，簡化后風(fēng)電場模型如圖4所示。

圖4 海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)簡化仿真模型Fig.4 Simplified simulation model of offshore wind farm power transmission system

4.1 參數(shù)調(diào)整

4.1.1 模型調(diào)整

2臺主變壓器的低壓側(cè)分別以一個等同一半風(fēng)電場容量的發(fā)電機組代替，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率實現(xiàn)風(fēng)電場出力的變化。風(fēng)電場總?cè)萘窟x擇200、300和400 MW這3種規(guī)模，每種規(guī)模對應(yīng)選擇了表1中3種規(guī)格海纜及120、180和240 MVA這3種規(guī)格主變壓器。

4.1.2 海底電纜參數(shù)調(diào)整

海纜長度選擇20、30、40、50 km共4種規(guī)格。由于海纜充電功率的影響，海纜各處的電流值并不相等，為了提高計算的精度，在模型中對海纜進(jìn)行了分段，使海纜模型可用多個∏型等值電路來等效。

4.1.3 無功補償容量調(diào)整

并聯(lián)電抗器設(shè)置為固定容量，通過手動操作進(jìn)行投切。SVG設(shè)置為自動調(diào)節(jié)，控制目標(biāo)為并網(wǎng)點220 kV母線無功功率為0。

4.2 計算結(jié)果

根據(jù)不同傳輸距離、不同規(guī)模的海上風(fēng)電場在各種出力情況下輸出海纜中流過的電流值，計算得到海纜導(dǎo)體損耗值，并繪制出海纜導(dǎo)體損耗-風(fēng)電場出力曲線圖，如圖5所示。

4.3 結(jié)果分析

(1)在風(fēng)電場出力水平較低時，兩端補償損耗更低；而在風(fēng)電場出力水平較高時，陸上單端補償損耗更低。在計算中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸出海纜電流有效值最小點出現(xiàn)在海纜中點時，海纜的損耗最小。線路空載時，電流最小點在電纜首端(海上)，隨著風(fēng)電場出力的增加，變壓器和海纜無功損耗都有所增加，抵消了一部分海纜充電功率，最小點逐漸向電纜末端(陸上)偏移，所以風(fēng)電場出力水平較高時，最小點更接近海纜中點位置。

圖5 海上風(fēng)電場海纜導(dǎo)體損耗-風(fēng)電場出力曲線圖Fig.5 Offshore wind farm submarine cable loss-wind farm output curve

(2)兩種補償方式的損耗曲線存在一個交叉點，在該點處兩種補償方式的損耗相同，對應(yīng)風(fēng)電場出力稱為海纜損耗對比臨界容量。風(fēng)電場出力小于臨界容量時，兩端補償損耗更低，反之，則單端補償損耗更低。相同規(guī)模風(fēng)電場，傳輸距離越長，臨界容量越大。

(3)傳輸距離越長時，兩端補償相比陸上單端補償在風(fēng)電場低出力水平下的優(yōu)勢越明顯；而傳輸距離較短時，兩者差異不大。在風(fēng)電場低出力時，海纜中電流有效值主要受電容電流影響，而電容電流與海纜長度呈近似線性關(guān)系(忽略電容效應(yīng))，則海纜損耗與其長度呈三次方關(guān)系。當(dāng)風(fēng)電場出力提高時，電容電流對有效值的影響逐步減小，在滿載時，海纜損耗與長度接近線性關(guān)系。

5 結(jié) 論

從輸出海纜損耗的角度，對兩端補償和單端補償進(jìn)行了對比，繪制了海纜導(dǎo)體損耗-風(fēng)電場出力曲線，得出風(fēng)電場低出力水平或傳輸距離較長時，兩端補償損耗更低，給出了海纜損耗對比臨界容量，為海上風(fēng)電場無功配置優(yōu)化提供依據(jù)。

在本文所取得成果基礎(chǔ)上仍有一些工作有待進(jìn)一步研究：

(1)具體規(guī)格海纜的護(hù)套損耗因數(shù)和鎧裝損耗因數(shù)尚未確定，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)計算出全部損耗將更具指導(dǎo)意義。

(2)兩端補償時，并聯(lián)電抗器容量的分配比較單一，而這種分配方法可能并不是最優(yōu)的，具體項目應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)化。

海上風(fēng)電場無功配置需要綜合考慮諸多因素，如電壓支撐、過電壓問題、運行方式等，本文從海纜損耗的角度進(jìn)行了分析，僅在其他方面均滿足的情況下作為優(yōu)化的手段，而非決定性因素。

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(編輯：蔣毅恒)

Reactive Power Configuration Influence on Output Cable Loss of Offshore Wind Farm

LU Jiaming1， ZHAO Yun1， ZHENG Ming2， YU Hongqiang1

(1. Nanjing Technology Center of China Energy Equipment Co., Ltd., Nanjing 210015, China;2. Guangdong Electric Power Design Institute, China Energy Engineering Group Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

Based on the transmission system model and submarine cable parameters of offshore wind farm, the reactive power compensation configuration mode of offshore wind farm and the calculation method of submarine cable loss were analyzed. A simplified model of offshore wind power transmission system was established; and the output cable loss under two different compensation schemes: both ends compensation and single-end compensation on land, were calculated for offshore wind farms with different scales and transmission distances; the power loss-wind farm output curves of submarine cable were obtained. Both ends compensation will have a lower cable power loss when the wind farm is in the low output level or with long distance transmission, while single-end compensation will have a little lower cable power loss when the wind farm is in the high output level or with short distance transmission.

submarine cable; offshore wind power; reactive power compensation; loss

TM 614

A

1000-7229(2015)06-0114-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.019

2015-03-31

2015-04-28

魯加明(1972)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)方面的研究工作；

趙云(1984)，男，本科，工程師，主要從事海上變電站方面的研究工作；

鄭明(1982)，男，碩士，高級工程師，注冊電氣工程師(發(fā)輸變電)，從事火電、核電及新能源項目的設(shè)計工作；

余宏強(1985)，男，本科，工程師，主要從事海上風(fēng)電場電氣系統(tǒng)設(shè)計工作。