考慮海底電纜充電功率的風(fēng)電場出力特性

姜韜韜 武小梅 鮑 虎

（廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣州 510006）

現(xiàn)代工業(yè)以消耗大量能源為基礎(chǔ)得到了飛速的發(fā)展，隨著常規(guī)能源逐漸被消耗，尋找可替代的清潔能源來滿足未來工業(yè)發(fā)展的需要成為當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)力發(fā)電作為一種特殊的發(fā)電形式應(yīng)運(yùn)而生，理論上只需要利用地球上1%的風(fēng)能儲量就可以滿足人類的需求。我國已經(jīng)在東北、華北和西北地區(qū)大力發(fā)展陸上風(fēng)能資源，但隨著風(fēng)電發(fā)展的逐步深入，相比較受到路上運(yùn)輸與安裝等方面條件制約的陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電越來越受到關(guān)注。海上風(fēng)電具有大而穩(wěn)定的風(fēng)速，能夠節(jié)約土地資源，設(shè)計(jì)壽命一般較長，分切度小等優(yōu)點(diǎn)[1]。而中國海上風(fēng)能資源非常豐富，以東部沿海為例，水深達(dá)到2～15m 的海域面積非常遼闊，具有3 倍于陸上的可利用風(fēng)能資源，而且靠近負(fù)荷中心[2]。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國已建成海上風(fēng)電裝機(jī)容量為142MW。按照我國的可再生能源“十二五”規(guī)劃，我國計(jì)劃建立一條完整的海上風(fēng)電成套技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈，并在2015年后海上風(fēng)電達(dá)到世界先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展。到2020年我國海上風(fēng)電達(dá)到3000萬kW[3]。

隨著海上風(fēng)電發(fā)展的逐步推進(jìn)，海上風(fēng)電與電纜的研究也開始興起。文獻(xiàn)[4-5]介紹了海上風(fēng)電場主要的3 種并網(wǎng)方式，對他們的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)例舉了國內(nèi)外一些采用海底電纜進(jìn)行區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的輸電工程，及電纜在應(yīng)用中遇到的問題。文獻(xiàn)[7-8]都針對海南500kV 交流跨海聯(lián)網(wǎng)工程進(jìn)行了研究，通過不同無功補(bǔ)償方案的選擇研究了對系統(tǒng)電壓的影響。文獻(xiàn)[9]通過提出風(fēng)電場出力分布特征指數(shù)這一指標(biāo)，通過比較海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電的出力特性，給出了一些對海上風(fēng)電消納問題的建議。文獻(xiàn)[10]從海上風(fēng)電場自身建設(shè)的規(guī)模、與所處地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)速的角度分析風(fēng)電場出力波動性，文獻(xiàn)[11]介紹了海上風(fēng)電與波浪能發(fā)電這兩種發(fā)電方式的出力特性與互補(bǔ)運(yùn)行的可行性，文獻(xiàn)[12]使用PSCAD/EMTDC 建立海上風(fēng)電場的仿真模型，仿真了過電壓對電纜絕緣的影響。文獻(xiàn)[13]考慮了風(fēng)電場海纜的充電功率，提出了相對電容系數(shù)這一指標(biāo)，通過這一指標(biāo)確定海上風(fēng)電場無功補(bǔ)償方案。

因此，本文主要研究采用高壓交流輸電方式海上風(fēng)電場的最小注入功率問題，使用了穩(wěn)態(tài)潮流仿真法來確定不同無功補(bǔ)償方式下，海上風(fēng)電場的注入功率。

1 線路的充電功率效應(yīng)

輸電線路存在對地電容，當(dāng)線路帶有電壓時(shí)，電容會產(chǎn)生無功功率，這種無功功率稱為充電功率。在電力線路空載或者輕載時(shí)線路末端電壓會高于電源電壓。在線路重載時(shí)，線路上有較多的感性負(fù)荷，充電功率的存在中和了感性負(fù)荷，起到了提高系統(tǒng)功率因數(shù)，使輸送容量增大的效果。

圖1 輸電線路等值模型

圖2 海上風(fēng)電場連接電網(wǎng)方式

圖2中1 為海上升壓站，2 為登陸點(diǎn)，3 為匯流站。匯流站與登陸點(diǎn)之間和匯流站與地區(qū)電網(wǎng)之間采用架空線路連接，海上升壓站與登陸點(diǎn)之間采用海底電纜連接。所用架空線路參數(shù)和海底電纜參數(shù)見表1。

表1 架空線路與海底電纜正序參數(shù)

通過表1的線路參數(shù)，可以得到表2所示的線路充電功率。整個(gè)線路充電功率合計(jì)80.45MVA,其中海底電纜充電功率為70.7MVA，架空線路充電功率9.75MVA。海底電纜單位長度是架空線路的12倍左右，所以充電功率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于架空線路，從表2可以看出，海底電纜的充電功率占到全線的88%左右。

表2 線路充電功率

2 海底電纜充電功率對風(fēng)電場出力的影響

風(fēng)電場的正常運(yùn)行需要吸收大量的無功功率，而充電功率的存在會對風(fēng)電場的運(yùn)行帶來一定的影響，本文使用Digsilent/Power factory 進(jìn)行仿真研究，以220kV 作為電壓基準(zhǔn)值。逐步加大海上風(fēng)電場的出力水平，從圖3的電壓變化曲線可以看出，在風(fēng)電出力較小的情況下，隨著出力的逐漸增加，登陸點(diǎn)的端電壓開始比較平穩(wěn)，隨后快速降低，說明在采用海底電纜作為連接線進(jìn)行高壓交流傳輸時(shí)，電纜為風(fēng)電場提供了一部分無功功率，使登陸點(diǎn)的電壓情況得到改善，起到了無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩＿@種現(xiàn)象在需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大容量傳輸?shù)那闆r下，表現(xiàn)的尤為明顯。

但當(dāng)風(fēng)電場出力較小時(shí)，由于這種電壓升高現(xiàn)象的存在，使的登陸點(diǎn)側(cè)電壓常常無法滿足《GB/T 12325—2008 電能質(zhì)量供電電壓偏差》的規(guī)定，該規(guī)范規(guī)定在使用220kV 進(jìn)行供電時(shí)，供電電壓正、負(fù)偏差絕對值之和不能超過標(biāo)稱電壓的10%，一般不超過標(biāo)稱電壓的-3%～+7%。為了維持電網(wǎng)的正常運(yùn)行，說明風(fēng)電場存在一個(gè)出力的下限。同時(shí)為了使風(fēng)電場的電壓滿足規(guī)定，需要對風(fēng)電場進(jìn)行必要的無功補(bǔ)償，根據(jù)文獻(xiàn)[13]的介紹，對海底電纜進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，常采用高抗補(bǔ)償裝置對電纜進(jìn)行一端補(bǔ)償、兩端補(bǔ)償和采用改變風(fēng)電場功率因數(shù)三種方法。

圖3 風(fēng)電場出力與登陸點(diǎn)電壓水平曲線

本文將對無功補(bǔ)償對海上風(fēng)電場出力下限的影響進(jìn)行研究，采用穩(wěn)態(tài)潮流仿真法[14]，分析不同無功補(bǔ)償方案，對風(fēng)電場出力下限的影響。風(fēng)電場所選機(jī)組為額定容量為3.6MW，功率因數(shù)為1 的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG，Double-Fed Induction Generator)，登陸點(diǎn)與海上升壓站端都有分組投切的高抗補(bǔ)償裝置，運(yùn)行過程中按照機(jī)組出力的大小進(jìn)行控制。將無功補(bǔ)償容量與發(fā)電機(jī)有功出力的比值定為L。

采用在登陸點(diǎn)進(jìn)行一端補(bǔ)償時(shí)，L的值分別為15%、30%、40%時(shí)的計(jì)算結(jié)果見表3，可知風(fēng)電場的出力下限，隨無功補(bǔ)償容量的增加而減小。從圖4的電壓變化曲線可以看出，當(dāng)風(fēng)電場出力較小時(shí)，電壓變化曲線傾斜度較小，說明海底電纜改善了登陸點(diǎn)電壓，但為了使端電壓不越界，采取了增加出力和使用高抗補(bǔ)償裝置來使電壓達(dá)到規(guī)定范圍，然而大量高抗補(bǔ)償裝置的使用，也可能會導(dǎo)致系統(tǒng)在重負(fù)荷、低電壓情況下的電壓穩(wěn)定性降低。

表3 一端補(bǔ)償方式下不同補(bǔ)償容量風(fēng)電場出力下線

采用在登陸點(diǎn)和海上升壓站進(jìn)行兩端齊補(bǔ)的情況下，結(jié)果見表4，我們得知采用兩端齊補(bǔ)的方式風(fēng)電場的出力下限會比一端補(bǔ)償?shù)姆绞揭缘?。所以采用兩端齊補(bǔ)的方式更適合需要風(fēng)電場出力較小的情況。

圖4 風(fēng)電場出力與登陸點(diǎn)電壓關(guān)系曲線

表4 兩端齊補(bǔ)方式下不同補(bǔ)償容量風(fēng)機(jī)出力下限

不采用補(bǔ)償裝置，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，設(shè)置為-0.95（超前），即風(fēng)電場吸收一部分的海底電纜上的充電功率，以兩端齊補(bǔ)且L=30%和L=15%的方式作為比較對象，我們得到圖5，從圖5可知，當(dāng)風(fēng)電出力為120MW 時(shí)，我們需要補(bǔ)償36MWA 的高抗容量，而采用改變功率因數(shù)方法時(shí)，我們只需要將功率因數(shù)調(diào)整到-0.95 就可以滿足電壓的要求，而且功率因數(shù)為-0.95 的端電壓曲線開始時(shí)與兩端齊補(bǔ)L=30%的曲線重合，以后隨著出力的增加端電壓下降明顯加快，說明采用改變功率因數(shù)的方法，在出力較大的情況下，起到了比兩端齊補(bǔ)更好降低端電壓的效果，同時(shí)我們得到表5，用表5所得數(shù)據(jù)與表4中采用兩端齊補(bǔ)，L為30%的風(fēng)機(jī)出力下限的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，我們可以得知，采用改變風(fēng)機(jī)功率因數(shù)的方法我們可以取得更低的風(fēng)力出力下限，使得風(fēng)機(jī)出力的調(diào)節(jié)變得更為靈活。

圖5 功率因數(shù)為-0.95 與兩端齊補(bǔ)L=15%，L=30% 方式下的出力與電壓曲線

表5 選取功率因數(shù)為-0.95 的風(fēng)機(jī)出力下限

3 結(jié)論

本文通過仿真證明了海上風(fēng)電場采用海底電纜作為電能傳輸方式時(shí)，由于電纜充電功率的存在，使風(fēng)電場的出力存在一個(gè)出力下限，并通過仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1）在風(fēng)機(jī)出力較小時(shí)電纜充電功率的存在，起到了穩(wěn)定端電壓的作用。

2）無功補(bǔ)償容量的增加，可以使風(fēng)電場的出力下限降低。

3）采用在海底電纜采用兩端齊補(bǔ)的方式比采用一端補(bǔ)償?shù)姆绞礁芙档秃５纂娎|充電功率對電壓的影響，使風(fēng)電場出力下限降低。

4）本文建議在必要的時(shí)候，可以將風(fēng)電場的功率因數(shù)調(diào)整為負(fù)值（超前），適當(dāng)吸收電纜上的充電功率，并在海底電纜兩端適當(dāng)添加高抗補(bǔ)償裝置，不僅能降低登陸點(diǎn)端電壓，而且能起到減小風(fēng)電場的出力下限的作用，提高海上風(fēng)電場參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的能力。

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