大型海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入方案研究

袁兆祥，仇衛(wèi)東, 齊立忠

(國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

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大型海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入方案研究

袁兆祥，仇衛(wèi)東, 齊立忠

(國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

目前，我國(guó)海上風(fēng)電正處于建設(shè)初期，隨著國(guó)家海上風(fēng)電政策逐步明朗化，我國(guó)海上風(fēng)電將迎來(lái)大發(fā)展時(shí)期。在綜合考慮并分析了影響海上風(fēng)電并網(wǎng)的相關(guān)因素：裝機(jī)規(guī)模、送電距離、并網(wǎng)方式、海底電纜輸電能力、電網(wǎng)網(wǎng)架、風(fēng)電無(wú)功配置等，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，提出了4個(gè)典型的海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入方案。并網(wǎng)方案的提出可為當(dāng)前在建和規(guī)劃建設(shè)的我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)設(shè)計(jì)方案提供一整套解決方案，規(guī)范系統(tǒng)方案，明確風(fēng)電送出方案的設(shè)計(jì)原則與思路，可以有效提高設(shè)計(jì)水平和效率，保障電源電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

海上風(fēng)電場(chǎng)；并網(wǎng)；接入方案；裝機(jī)規(guī)模；送電距離

0 引 言

隨著我國(guó)綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，清潔能源建設(shè)迎來(lái)了發(fā)展的春天，我國(guó)8個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地及山西、黑龍江風(fēng)電的建設(shè)，帶動(dòng)了一輪風(fēng)電建設(shè)的高潮，截至2014年底，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模已超過(guò)96 GW，已超越核電裝機(jī)，成為我國(guó)僅次于火電、水電的第三大發(fā)電能源。海上風(fēng)電作為可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域，在國(guó)家海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)政策日趨明朗的前提下，有望從2015年開(kāi)始迎來(lái)快速發(fā)展時(shí)期。汲取陸上風(fēng)電發(fā)展教訓(xùn)，總結(jié)陸上風(fēng)電發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，有必要提前謀劃，規(guī)范海上風(fēng)電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，做好風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)工作。另一方面，大規(guī)模的海上風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)沿海電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也將帶來(lái)一定影響，有必要對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備配置和運(yùn)行提出技術(shù)要求[1]。

目前，在大型海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)海上風(fēng)電并網(wǎng)方案尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究，也沒(méi)有提出比較成熟的系列化并網(wǎng)方案。國(guó)外海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)方案通常是以單個(gè)項(xiàng)目為中心進(jìn)行個(gè)體并網(wǎng)方案的研究和設(shè)計(jì)，沒(méi)有對(duì)眾多的海上風(fēng)電并網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，而我國(guó)海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)近幾年剛剛起步，近海風(fēng)電的開(kāi)發(fā)情況千差萬(wàn)別，沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究；同時(shí)，海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)方案需考慮的影響因素較多，既有風(fēng)電場(chǎng)本身的一些因素，也有電網(wǎng)的相關(guān)因素[2-3]。

為了解決我國(guó)海上風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)的并網(wǎng)問(wèn)題，有必要對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入方案進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出海上風(fēng)電的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化送出方案，指導(dǎo)海上風(fēng)電的合理規(guī)范并網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電與沿海電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展[4-5]。

1 海上風(fēng)電建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外海上風(fēng)電建設(shè)

2013年歐洲海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量1 567 MW，同比增長(zhǎng)34%，累計(jì)裝機(jī)容量為6 562 MW，占?xì)W洲2013年風(fēng)電裝機(jī)的14%[6-7]。2013年，47%的新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量出現(xiàn)在英國(guó)，裝機(jī)容量733 MW；丹麥排名第二，新增裝機(jī)容量350 MW，占比22%。緊隨其后的是德國(guó)(240 MW)和比利時(shí)(192 MW)，占比分別為15%和12%。截止2013年底，歐洲各國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量如表1所示。

表1 歐洲主要國(guó)家海上風(fēng)電裝機(jī)容量(2013年)

除歐洲國(guó)家外，日本、韓國(guó)和美國(guó)等也大力發(fā)展海上風(fēng)電。在福島核電危機(jī)后，日本轉(zhuǎn)向海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)，目前有49.6 MW的海上風(fēng)電裝機(jī)容量，其中包括4 MW 漂浮式風(fēng)電。韓國(guó)在濟(jì)州島建設(shè)84 MW 海上風(fēng)電場(chǎng)，并在該項(xiàng)目中使用三星的7 MW風(fēng)機(jī)，韓國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)為2016年裝機(jī)容量為900 MW，2019 年1.5 GW。美國(guó)目前為止開(kāi)發(fā)最快的項(xiàng)目是468 MW 的Cape Wind 風(fēng)電項(xiàng)目和30 MW Block島項(xiàng)目。世界海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模詳見(jiàn)圖1。

1.2 我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)

我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，加快海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)于促進(jìn)沿海地區(qū)治理大氣霧霾、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式具有重要意義。風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出，到2015年，海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到5 GW；到2020年，海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到30 GW。

圖1 世界海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模

近期，國(guó)家能源局公布了《全國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)方案(2014—2016)》，裝機(jī)總?cè)萘?0.530 GW的44個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目列入開(kāi)發(fā)建設(shè)方案，這標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)將進(jìn)一步提速。根據(jù)這個(gè)方案，這44個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目分布在天津、河北、遼寧、江蘇、浙江、福建、廣東、海南等省份。其中江蘇省列入開(kāi)發(fā)建設(shè)的項(xiàng)目規(guī)模最大，達(dá)到348.970 MW。

截至2013年底，我國(guó)已建成的海上風(fēng)電項(xiàng)目裝機(jī)容量共計(jì)42.90 MW，其中，潮間帶風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到300 MW，近海風(fēng)電裝機(jī)容量為12.90 MW。我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模詳見(jiàn)圖2。

圖2 我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模

2 海上風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)的并網(wǎng)需求

海上風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，必將面臨著并網(wǎng)問(wèn)題，目前，海上風(fēng)電并網(wǎng)方案的選擇主要考慮輸送容量、輸送距離、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、環(huán)境友好性等因素，世界范圍內(nèi)海上風(fēng)電并網(wǎng)主要分為高壓交流、高壓直流兩大類(lèi)[8]。

當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模相對(duì)較小且風(fēng)場(chǎng)離海岸距離較近時(shí)，風(fēng)電機(jī)組一般采用交流電纜的輸電方式接入陸上電網(wǎng)，并考慮加裝一定容量的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，這類(lèi)風(fēng)電場(chǎng)不需設(shè)置海上變電站，適用于早期、近海，規(guī)模較小的海上風(fēng)電場(chǎng)。由于該方式較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較廣泛，目前全世界135個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)(含在建工程)中，采用無(wú)匯集升壓裝置的風(fēng)場(chǎng)有84個(gè)，約占63%。

對(duì)于大型的遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場(chǎng)，為了提高傳輸效率，需提高電壓等級(jí)，通過(guò)海上交流升壓站，通過(guò)將風(fēng)電機(jī)組的功率匯集起來(lái)升高電壓，再經(jīng)過(guò)海底電纜輸送到陸上集控中心，主要取決于風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)規(guī)模、離岸距離和岸上公共連接點(diǎn)的電壓等級(jí)，該方式的主要特點(diǎn)是電力傳輸系統(tǒng)效率較高。通過(guò)對(duì)海上交流升壓站(含在建工程)的統(tǒng)計(jì)分析，目前國(guó)內(nèi)外采用交流升壓站的風(fēng)場(chǎng)共36座。其中投產(chǎn)24座，在建12座。

由于交流電纜充電電流的影響，傳輸容量和傳輸距離受到限制，隨著海上風(fēng)場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，直流輸電的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，可大大減少線損和增加輸送容量，國(guó)外研究結(jié)果表明當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離超過(guò)40～70 km，容量在400 MW以上時(shí)，宜采用直流送出方案，大部分單個(gè)海上換流站匯集了相鄰?fù)纫?guī)模海上風(fēng)場(chǎng)的功率，集中送出，相對(duì)提高了經(jīng)濟(jì)性。目前已建成的海上換流站1座，在建6座，均位于德國(guó)，雖然在投產(chǎn)的海上風(fēng)場(chǎng)中采用換流站的比例不高，僅為1%，但在在建的工程中，采用換流站的風(fēng)場(chǎng)高達(dá)22%，上升趨勢(shì)非常明顯[9]。

隨著我國(guó)海上風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，有必要對(duì)海上風(fēng)電的并網(wǎng)進(jìn)行深入研究，提出海上風(fēng)電并網(wǎng)的解決方案，規(guī)范海上風(fēng)電的并網(wǎng)和接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展。

3 海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入方案分析

3.1 海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入方案影響因素分析

3.1.1 裝機(jī)規(guī)模

海上風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模的大小對(duì)風(fēng)電場(chǎng)送出方案直接影響，海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模相對(duì)較小時(shí)，如200、300、400 MW時(shí)，則直接采用一回送出海底電纜即可送出；如海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模較大，在500 MW以上時(shí)，則考慮將風(fēng)電場(chǎng)分拆成幾部分，分別送出或經(jīng)直流匯集后送出[10]。

3.1.2 送電距離

海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離較近時(shí)，則采用交流輸電即可，離岸距離較遠(yuǎn)時(shí)，則需考慮柔性直流輸電。

3.1.3 并網(wǎng)方式

海上風(fēng)電場(chǎng)一般考慮采用交流送出或柔性直流送出兩種并網(wǎng)方式。離岸距離較近時(shí)直接采用交流輸電；如離岸距離較遠(yuǎn)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，可采用柔性直流輸電，為攤薄直流輸電成本，建議在采用柔性直流輸電時(shí)，送出的海上風(fēng)電應(yīng)具有一定的開(kāi)發(fā)規(guī)劃規(guī)模，建議在600 MW以上。

3.1.4 海底電纜輸電能力

目前，海底電纜最大制造能力為截面1 600 mm2電纜，其運(yùn)行受生產(chǎn)廠商制造能力、運(yùn)輸、海上施工等多種因素影響，短期內(nèi)海底電纜輸電能力不會(huì)大幅提高。在交流220 kV輸電時(shí)，其最大輸電能力約400 MW左右。

3.1.5 電網(wǎng)網(wǎng)架

海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的沿海電網(wǎng)網(wǎng)架、電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)程度，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的接入方案有較大影響，在考慮風(fēng)電場(chǎng)的接入電壓等級(jí)、并網(wǎng)方式等時(shí)，應(yīng)充分考慮電網(wǎng)的接入條件、電網(wǎng)的適應(yīng)性等[11]。

3.2 海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入方案技術(shù)要求

(1)明確風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃容量、分期容量、建設(shè)計(jì)劃、電力市場(chǎng)消納方向、輸電方向、送電距離及其在電力系統(tǒng)中的地位和作用[12]。

(2)風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站的電氣主接線應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。

(3)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)按運(yùn)行靈活、節(jié)省投資、安全可靠的原則配置無(wú)功設(shè)備。

(4)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后，必須滿(mǎn)足電網(wǎng)各種運(yùn)行方式的要求[13]。

(5)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足GB/T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》。

(6)電能質(zhì)量應(yīng)能夠滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)運(yùn)行的技術(shù)要求。

3.3 海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入方案

結(jié)合國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)交、直流并網(wǎng)方式研究現(xiàn)狀以及海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)情況，在對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)交直流送出方案經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上，提出海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)接入系列方案[14]。

(1)220 kV交流和柔性直流的等價(jià)距離隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增大而減小，即海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模越大，其等價(jià)距離越小。

(2)對(duì)于建設(shè)規(guī)模為400 MW以下海上風(fēng)電場(chǎng)，理論上當(dāng)離岸距離在100 km以下時(shí)采用交流方案較優(yōu)。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)實(shí)際情況，離岸距離在50 km以?xún)?nèi)的海上風(fēng)電場(chǎng)推薦采用交流方案；超過(guò)50 km的，在實(shí)際工程中應(yīng)考慮電網(wǎng)條件、風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模、建設(shè)條件、工程造價(jià)、電纜選型、運(yùn)行維護(hù)等因素具體分析。

(3)對(duì)于建設(shè)規(guī)模超過(guò)600 MW的海上風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)離岸距離在50 km以上時(shí)，采用直流方案送出可能較優(yōu)。

(4)交直流方案的確定與海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模、風(fēng)電場(chǎng)離岸距離、設(shè)備造價(jià)等有直接關(guān)系，實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)選比較。

在上述分析基礎(chǔ)上，提出4個(gè)模塊化的設(shè)計(jì)方案。

(1)方案一。海上單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃規(guī)模為200、300、400 MW。此情況下，海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)宜經(jīng)集電線路匯集至海上升壓平臺(tái)(集電線路宜采用35 kV一級(jí)電壓)，升壓至220 kV后經(jīng)1回海底電纜接至風(fēng)電場(chǎng)陸上開(kāi)關(guān)站，并通過(guò)陸上開(kāi)關(guān)站出線1回接入電網(wǎng)。接入系統(tǒng)方案見(jiàn)圖3。

圖3 海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案一

(2)方案二。若海上相鄰的2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃規(guī)模均為200 MW，且與其同容量的風(fēng)電場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，此情況下2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)宜分別建設(shè)海上升壓平臺(tái)，將海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)分別匯集升壓后(集電線路宜采用35 kV一級(jí)電壓)，采用220 kV海底電纜出線1回接至陸上開(kāi)關(guān)站，并通過(guò)陸上開(kāi)關(guān)站出線1回接入電網(wǎng)。接入系統(tǒng)方案見(jiàn)圖4。

圖4 海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案二

(3)方案三。海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃規(guī)模超過(guò)500 MW，且距離超過(guò)50 km情況下，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可采用直流送出。風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)規(guī)模為600 MW，距陸地超過(guò)50 km，可采用±200 kV直流送出，其中匯集線路宜采用35 kV或66 kV。接入系統(tǒng)方案見(jiàn)圖5。

圖5 海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案三

(4)方案四。風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)規(guī)模為1 000 MW，距陸地超過(guò)50 km，可采用±320 kV直流送出，此情況下可根據(jù)工程實(shí)際情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，建設(shè)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)升壓平臺(tái)或采用35(66)kV線路直接匯集至換流站集中送出。接入系統(tǒng)方案見(jiàn)圖6。

圖6 海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案四

4 海底電纜選擇及無(wú)功配置

4.1 送出線路海底電纜選擇

海上風(fēng)電場(chǎng)均采用220 kV及以上電壓等級(jí)送出，海底電纜宜選擇單芯電纜，由典型220 kV海底電纜持續(xù)極限輸送容量以及海底電纜送電臨界距離、載流量相關(guān)計(jì)算分析可知：

(1)200 MW風(fēng)電場(chǎng)宜根據(jù)離岸距離選擇截面為500、630 mm2的海底電纜。

(2)300 MW風(fēng)電場(chǎng)宜根據(jù)離岸距離選擇截面為800、1 000、1 200 mm2的海底電纜。

(3)400 MW風(fēng)電場(chǎng)宜根據(jù)離岸距離選擇截面為1 400、1 600 mm2的海底電纜。

實(shí)際工程中，海底電纜選擇應(yīng)結(jié)合工程具體環(huán)境和敷設(shè)方式等影響因素，進(jìn)行電纜最大載流量的計(jì)算校核。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)距岸較遠(yuǎn)時(shí)，充電功率較大時(shí)，經(jīng)研究論證，可選擇更大截面海底電纜。

4.2 過(guò)電壓

海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)的過(guò)電壓水平與系統(tǒng)運(yùn)行方式、電纜型號(hào)及長(zhǎng)度等多種因素相關(guān)。

(1)空載線路的電容效應(yīng)引起的工頻過(guò)電壓不嚴(yán)重，一般均在系統(tǒng)的正常工作電壓范圍以?xún)?nèi)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作造成威脅，無(wú)需采取限制措施。

(2)不對(duì)稱(chēng)短路引起的工頻過(guò)電壓隨著海底電纜長(zhǎng)度的增加而增加，根據(jù)案例研究結(jié)果，電纜長(zhǎng)度超過(guò)30 km、發(fā)生單相接地故障時(shí)工頻過(guò)電壓將超標(biāo)，加裝高壓并聯(lián)電抗器是抑制工頻過(guò)電壓的有效措施，電纜長(zhǎng)度在50 km范圍內(nèi)，通過(guò)合理選擇高抗補(bǔ)償度可將工頻過(guò)電壓水平限制在規(guī)定范圍之內(nèi)。

(3)為限制操作過(guò)電壓水平，線路兩端需加裝避雷器，合閘操作過(guò)電壓一般可控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。

(4)當(dāng)海底電纜長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)值，分閘操作極易造成多次重燃，對(duì)設(shè)備的絕緣造成嚴(yán)重威脅，案例研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電纜長(zhǎng)度達(dá)到20 km及以上時(shí)，分閘操作過(guò)電壓將超標(biāo)，極易造成重燃，加裝并聯(lián)高壓電抗器后對(duì)切空線重燃過(guò)電壓有明顯抑制效果，將分閘操作過(guò)電壓限制在合理范圍之內(nèi)。

(5)需要說(shuō)明的是，海上風(fēng)電場(chǎng)送出線路過(guò)電壓水平不僅受風(fēng)電場(chǎng)容量、海底電纜型號(hào)、電纜截面及長(zhǎng)度影響，還與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行方式、系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、大地電阻率、并聯(lián)高壓電抗器容量、電網(wǎng)操作方式等相關(guān)因素密切相關(guān)，本研究中的案例分析基于參考工程，分析結(jié)論具有一定參考價(jià)值，工程實(shí)際中應(yīng)結(jié)合具體工程具體研究分析。

4.3 無(wú)功配置

本研究以200 MW海上風(fēng)電場(chǎng)為例，根據(jù)電力系統(tǒng)無(wú)功功率分(電壓)層和分(電)區(qū)補(bǔ)償原則，計(jì)算分析了海底電纜充電功率補(bǔ)償容量和風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量，分析了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性，對(duì)比優(yōu)選了風(fēng)電場(chǎng)送出線路高抗和場(chǎng)內(nèi)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(static var generator，SVG)配置方案[15]。

(1)風(fēng)機(jī)功率因數(shù)設(shè)定為1.0時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)最大凈吸收無(wú)功功率為48 Mvar，海底電纜陸上側(cè)送入電網(wǎng)的最大充電功率為194 Mvar，并網(wǎng)點(diǎn)電壓運(yùn)行范圍為0.992～1.159 pu。風(fēng)機(jī)功率因數(shù)設(shè)定為0.98(超前)/0.99(超前)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)最大凈吸收無(wú)功功率為109 /88 Mvar，海底電纜陸上側(cè)送入電網(wǎng)的最大充電功率均為194 Mvar，并網(wǎng)點(diǎn)電壓運(yùn)行范圍為0.967～1.159 pu或者0.989～1.159 pu。風(fēng)機(jī)功率因數(shù)設(shè)定為0.98(滯后)/0.99(滯后)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)最大凈發(fā)出無(wú)功功率為13/7 Mvar，最大吸收無(wú)功功率為0/13 Mvar，海底電纜陸上側(cè)送入電網(wǎng)的最大充電功率為201/197 Mvar，并網(wǎng)點(diǎn)電壓運(yùn)行范圍為1.042～1.170 pu 或者1.029～1.165 pu。

(2)從無(wú)功補(bǔ)償容量上來(lái)看，該風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償高抗與SVG總?cè)萘吭?40 Mvar左右。當(dāng)考慮風(fēng)機(jī)功率因數(shù)調(diào)節(jié)作用情況下，可減小SVG容量。風(fēng)機(jī)功率因數(shù)0.99(滯后)方案，海底電纜高抗容量190 Mvar，SVG容量45 Mvar。

(3)建議海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置采用海上升壓站和陸上開(kāi)關(guān)站兩側(cè)布置方式，對(duì)于離岸距離較近、海底電纜長(zhǎng)度相對(duì)較短的情況，無(wú)功補(bǔ)償裝置可布置在陸上開(kāi)關(guān)站。在陸上連接點(diǎn)電壓1.07 pu方式下，風(fēng)電出力為0時(shí)，在離岸距離35 km處電壓升高至1.15 pu，需在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)配置感性補(bǔ)償；陸上連接點(diǎn)電壓0.97 pu方式下，風(fēng)電出力為100%時(shí)，離岸距離50 km處風(fēng)機(jī)電壓約在0.98 pu，為便于風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電壓調(diào)節(jié)需配置一定容量動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

(4)根據(jù)電力系統(tǒng)無(wú)功功率分(電壓)層和分(電)區(qū)補(bǔ)償原則，海底電纜充電功率補(bǔ)償高抗建議采用場(chǎng)側(cè)配置1/3網(wǎng)側(cè)配置2/3的方案，該補(bǔ)償方案有利于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置和電壓調(diào)節(jié)策略的設(shè)定。

(5)研究過(guò)程中，對(duì)陸上電網(wǎng)進(jìn)行了無(wú)窮大電網(wǎng)等值，不同運(yùn)行工況參數(shù)設(shè)置均較為理想，忽略了電網(wǎng)運(yùn)行方式的多樣性，計(jì)算中側(cè)重分析風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的電壓無(wú)功特性，對(duì)于計(jì)算結(jié)果可能產(chǎn)生一定程度的影響。同時(shí)，該項(xiàng)目中風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)方案和設(shè)備參數(shù)均為典型參數(shù)，對(duì)計(jì)算分析結(jié)論會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，不同風(fēng)電項(xiàng)目在接網(wǎng)設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)建設(shè)規(guī)模、海底電纜及電氣設(shè)備選型等實(shí)際情況進(jìn)行具體分析研究[16]。

5 結(jié) 論

本文分析了海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案的并網(wǎng)需求，并重點(diǎn)分析了影響海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案的因素，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的典型送出方案、無(wú)功補(bǔ)償方案、過(guò)電壓?jiǎn)栴}、送出海底電纜選擇等進(jìn)行了系統(tǒng)分析和闡述，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出了海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的完整解決方案。本文的研究將為海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)設(shè)計(jì)提供示范，明確風(fēng)電送出方案的設(shè)計(jì)原則與思路，可為當(dāng)前在建和規(guī)劃建設(shè)的我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，促進(jìn)海上風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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(編輯:蔣毅恒)

Grid Connected Solution for Large Offshore Wind Farm

YUAN Zhaoxiang，QIU Weidong，QI Lizhong

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

At present, the offshore wind power in China is in the initial stage of construction. Along with the gradually clear policy of the offshore wind power in China, the offshore wind power in China will usher in a new round of large-scale development. Based on the comprehensive consideration and analysis of the related factors affecting the grid connection of offshore wind power: the installed capacity, the transmission distance, the grid connected mode, the transmission capacity of submarine cable, the grid structure, the reactive power configuration of wind power and so on, this paper proposed 4 typical grid connected solutions for offshore wind farm, through economic and technical comparison. The proposed grid connected solutions can provide a complete solution for grid connected schemes of offshore wind farm in building or planning, standardize the system scheme, clear the design principle and idea of wind power transmission scheme, effectively improve the design level and efficiency, ensure the safe and stable operation of power grid, and realize the coordinated development of wind power and grid.

offshore wind farm; grid connection; grid connected solution; installed capacity; transmission distance

Table1 Installed capacity of offshore wind power I major countries of Europe (2013)

TM 614

A

1000-7229(2015)04-0123-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.020

2015-01-28

2015-02-07

袁兆祥(1970)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和研究工作；

仇衛(wèi)東(1972)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析方面研究工作。

齊立忠(1968)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和研究工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(B3440912K005)。