基于海纜的海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究

張 起，朱連勇

(國(guó)網(wǎng)葫蘆島興城供電分公司，遼寧 興城 125100)

基于海纜的海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究

張 起，朱連勇

(國(guó)網(wǎng)葫蘆島興城供電分公司，遼寧 興城 125100)

針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)中長(zhǎng)距離海底電纜的充電效應(yīng)，風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率波動(dòng)時(shí)易引起母線電壓較大波動(dòng)的問(wèn)題，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組變流器和本地?zé)o功補(bǔ)償設(shè)備實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。基于海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償控制方案，對(duì)比分析了不同規(guī)模、不同傳輸距離海上風(fēng)電場(chǎng)采用兩端補(bǔ)償和單端補(bǔ)償兩種方案時(shí)海纜導(dǎo)體損耗情況，即風(fēng)電場(chǎng)出力曲線。最后在Matlab/Simulink環(huán)境下建立相應(yīng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明：該無(wú)功補(bǔ)償控制方案能夠在風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)時(shí)降低海纜導(dǎo)體損耗的同時(shí)快速穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓，大大提高了系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償能力，驗(yàn)證了該方案的有效性。

海上風(fēng)電場(chǎng)；海纜；充電效應(yīng)；無(wú)功補(bǔ)償

考慮到實(shí)際運(yùn)行中的風(fēng)況實(shí)時(shí)變化引起發(fā)電機(jī)組的輸出功率和運(yùn)行狀態(tài)不斷改變，進(jìn)而影響風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和輸出電能質(zhì)量，風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的特殊性使得對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償具有重要意義[1-2]。

合理配置風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償容量是高效、穩(wěn)定提升系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提。補(bǔ)償容量不足時(shí)無(wú)法補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功缺額，無(wú)功損耗吸收系統(tǒng)部分無(wú)功功率進(jìn)而拉低風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)電壓；補(bǔ)償容量過(guò)多降低設(shè)備利用率和系統(tǒng)有功損耗，同時(shí)也會(huì)使風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)電壓高于正常值。目前，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[3-4]計(jì)及容性和感性無(wú)功進(jìn)行配置無(wú)功補(bǔ)償容量，但是未考慮兩者之間容量的合理配置，文獻(xiàn)[5]盡管考慮到匯集線路的充電無(wú)功功率和主變壓器部分無(wú)功補(bǔ)償容量，但是都缺少對(duì)箱式變壓器的闡述。目前相關(guān)研究對(duì)所需補(bǔ)償無(wú)功的定性、定量分析以及實(shí)現(xiàn)方法不夠深入和詳細(xì)，針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)具體情況和設(shè)計(jì)規(guī)程，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償容量的合理配置。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功損耗分析

風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功損耗主要來(lái)源于變壓器和集電系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)的變壓器將集電系統(tǒng)輸入的電能升壓后通過(guò)一定電壓等級(jí)的交流母線送出，變壓器的無(wú)功損耗主要來(lái)源于空載無(wú)功損耗和負(fù)載無(wú)功消耗。變壓器的無(wú)功損耗可表示為

(1)

式中：ΔQT為變壓器總無(wú)功損耗；ΔQ0為空載無(wú)功損耗；ΔQS為負(fù)載無(wú)功消耗；SN為變壓器額定容量；S為負(fù)載視在功率；US%為短路電壓百分比；I0%為空載電流百分比。風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)集電系統(tǒng)匯集電能，其消耗的無(wú)功功率主要體現(xiàn)在線路等值電抗和對(duì)地電容消耗的無(wú)功。集電系統(tǒng)的無(wú)功損耗可表示為

(2)

式中：ΔQX為集電系統(tǒng)總無(wú)功損耗；ΔQL為感性無(wú)功損耗；ΔQB為對(duì)地電容充電功率；P1為線路有功功率；Q1為線路無(wú)功功率；U1為線路首端電壓；U2為末端電壓；X為等值電抗；B為電容。

考慮到風(fēng)電場(chǎng)中不同類型機(jī)組的無(wú)功補(bǔ)償能力有所區(qū)別，對(duì)所需的無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘亢侠砼渲眯枵J(rèn)真考慮[6-10]。恒速恒頻異步機(jī)組通過(guò)并聯(lián)電容器于發(fā)電機(jī)定子側(cè)，可以補(bǔ)償一定的無(wú)功缺額；變速恒頻雙饋異步電機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制輸出電壓的幅值和頻率實(shí)現(xiàn)輸出功率的控制，過(guò)低的富余容量無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的全工況補(bǔ)償；直驅(qū)永磁同步機(jī)組采用全功率變流器無(wú)需外接無(wú)功補(bǔ)償裝置即可實(shí)現(xiàn)全工況下的無(wú)功補(bǔ)償。

2 海上風(fēng)電場(chǎng)的電壓—無(wú)功特性研究

2.1電壓靜態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)

2.2無(wú)功整定研究

海上風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率需求量的整定在計(jì)算電壓偏差基礎(chǔ)上通過(guò)PI環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，該電壓偏差通過(guò)遠(yuǎn)端控制點(diǎn)電壓與系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的參考電壓的差值獲得，再經(jīng)過(guò)無(wú)功功率整定環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制點(diǎn)的無(wú)功平衡和電壓穩(wěn)定。但是系統(tǒng)控制點(diǎn)一般位于遠(yuǎn)端升壓站的高壓側(cè)，而高壓側(cè)的參數(shù)電量無(wú)法直接測(cè)量，需要通過(guò)換算獲得。折算獲得的遠(yuǎn)端控制點(diǎn)電壓表示為

(3)

圖1 無(wú)功功率控制環(huán)節(jié)

為了防止功率的頻繁波動(dòng)和補(bǔ)償設(shè)備的頻繁動(dòng)作，設(shè)置一定范圍的死區(qū)。電壓偏差ΔU作為輸入量經(jīng)過(guò)控制模塊獲得無(wú)功補(bǔ)償量ΔQ，獲得的無(wú)功補(bǔ)償量可表示為

(4)

式中：K1和K2為電網(wǎng)無(wú)功特性相關(guān)定值，進(jìn)而得到參考無(wú)功功率Qref整定值與控制點(diǎn)的無(wú)功功率Qw的關(guān)系：

Qref=ΔQ+Qw

(5)

考慮到風(fēng)電機(jī)組和補(bǔ)償設(shè)備的功率限額，無(wú)功功率參考值Qref存在一定的約束條件，表示為

(6)

式中：Pw為高壓側(cè)控制點(diǎn)的有功功率；λL為系統(tǒng)限定的低功率因數(shù)；λH為系統(tǒng)限定的高功率因數(shù)。

2.3海上風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)組無(wú)功整定分析

變速恒頻風(fēng)電機(jī)組能實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率全工況下的獨(dú)立調(diào)節(jié)，而風(fēng)電場(chǎng)的其他類型機(jī)組的無(wú)功輸出依據(jù)系統(tǒng)無(wú)功分配層整定值確定，通過(guò)控制無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的無(wú)功輸出實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的無(wú)功優(yōu)化配置。

a. 基于無(wú)功容量比例分配

依據(jù)無(wú)功容量比例分配的無(wú)功補(bǔ)償量不隨運(yùn)行方式的變化而變化，只受限于系統(tǒng)無(wú)功容量。在風(fēng)電場(chǎng)的總無(wú)功容量滿足系統(tǒng)無(wú)功需求時(shí)，單臺(tái)機(jī)組都會(huì)依據(jù)比例分配所需的無(wú)功補(bǔ)償量。

b. 基于單臺(tái)機(jī)組損耗最小原則分配

依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)中單臺(tái)機(jī)組損耗最小的無(wú)功功率控制目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率進(jìn)行控制，計(jì)算出不同機(jī)組的無(wú)功需求值發(fā)送到無(wú)功分配層，確定單臺(tái)機(jī)組的無(wú)功輸出值。以雙饋式風(fēng)電機(jī)組為例，考慮到無(wú)功需求與系統(tǒng)輸出無(wú)功的匹配存在兩種情況。

①當(dāng)雙饋式風(fēng)機(jī)變流器輸出的無(wú)功功率能夠滿足系統(tǒng)無(wú)功需求時(shí)，無(wú)需添加外部補(bǔ)償設(shè)備，單臺(tái)機(jī)組損耗公式如下：

(7)

式中：n為風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組數(shù)量，a、b、c為無(wú)功分配系數(shù)。

②當(dāng)風(fēng)電機(jī)組和變流器輸出總無(wú)功大于系統(tǒng)無(wú)功需求上限時(shí)，系統(tǒng)無(wú)功分配如下：

(8)

式中：Qrefw為風(fēng)電機(jī)組和變流器輸出的總無(wú)功上限；Qxmax為單臺(tái)機(jī)組輸出無(wú)功上限；QSVG為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備SVG輸出的無(wú)功功率。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組和變流器輸出的總無(wú)功小于系統(tǒng)無(wú)功需求的上限時(shí)，基于上限無(wú)功輸出。

3 海底電纜電容效應(yīng)和無(wú)功補(bǔ)償分析

導(dǎo)線與大地的分布電容產(chǎn)生容升效應(yīng)使得末端電壓高于首端電壓，而且海底電纜相對(duì)架空線路這種容升效應(yīng)尤為明顯，相應(yīng)的簡(jiǎn)化等效模型如圖2所示。

圖2 輸電線路簡(jiǎn)化等效模型

3.1海底電纜容升系數(shù)分析

a. 海底電纜空載運(yùn)行時(shí)容升系數(shù)

(9)

b. 海底電纜單端補(bǔ)償時(shí)容升系數(shù)

(10)

(11)

c. 海底電纜兩端補(bǔ)償時(shí)容升系數(shù)

在海纜出線端和登陸點(diǎn)同時(shí)并聯(lián)等容量的高阻抗無(wú)功補(bǔ)償裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩端補(bǔ)償。各端補(bǔ)償容量為Q/2，補(bǔ)償?shù)刃Ц锌篂閄L=2U2/Q，得到等效補(bǔ)償感抗也可以表示為

(12)

(13)

3.2海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償算例分析

在Matlab/Simulink仿真軟件中建立如圖3所示的海上風(fēng)電場(chǎng)簡(jiǎn)化模型，主變壓器低壓側(cè)通過(guò)2臺(tái)發(fā)電機(jī)等效相同容量的風(fēng)電場(chǎng)，改變發(fā)電機(jī)的輸出功率實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力的調(diào)節(jié)。

圖3 海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)等效模型

假定35 kV側(cè)無(wú)功始終平衡，無(wú)功補(bǔ)償裝置STATCOM和并聯(lián)電抗器的投切以220 kV的母線無(wú)功平衡為控制目標(biāo)。該模型中風(fēng)電場(chǎng)的容量擬定為200 MW、300 MW和400 MW，海纜長(zhǎng)度選擇20 km、30 km、40 km和50 km 4種。依據(jù)不同容量、不同傳輸距離的海上風(fēng)電場(chǎng)在不同出力情況下的海纜輸出電流值，再計(jì)算出導(dǎo)體損耗值，最后繪制出基于海纜導(dǎo)體損耗的風(fēng)電場(chǎng)出力曲線，如圖4所示。

仿真結(jié)果表明：風(fēng)電場(chǎng)出力水平較低時(shí)兩端補(bǔ)償時(shí)海纜導(dǎo)體的損耗低，風(fēng)電場(chǎng)出力水平較高時(shí)路上單端補(bǔ)償時(shí)損耗低。兩種補(bǔ)償方式在一定容量時(shí)損耗相等，該容量對(duì)應(yīng)海纜損耗最小時(shí)風(fēng)電場(chǎng)輸出的臨界容量。風(fēng)電場(chǎng)出力小于臨界容量時(shí)，兩端補(bǔ)償效果更佳，反之路上單端補(bǔ)償更好。相同規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)，傳輸距離越長(zhǎng)臨界容量越大。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力提高時(shí)，電容電流對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響逐步減小，在滿載時(shí)海纜損耗與長(zhǎng)度接近線性關(guān)系。

驗(yàn)證了相應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率選擇合適的無(wú)功補(bǔ)償方案有效地降低了海纜導(dǎo)體損耗，在此基礎(chǔ)上擬定風(fēng)電場(chǎng)輸出功率在兩種補(bǔ)償方式下海纜導(dǎo)體損耗相當(dāng)?shù)墓β史秶鷥?nèi)，驗(yàn)證在無(wú)功功率的波動(dòng)下單端補(bǔ)償和兩端補(bǔ)償方式的PCC點(diǎn)處的電壓穩(wěn)定效果，對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率和PCC點(diǎn)處電壓波形如圖5所示。波形結(jié)果表明：在系統(tǒng)無(wú)功功率具有相同的波動(dòng)時(shí)，采用兩端補(bǔ)償時(shí)PCC點(diǎn)處電壓基本穩(wěn)定在額定值水平，但是單端補(bǔ)償時(shí)PCC點(diǎn)處電壓穩(wěn)定在額定值的1.02倍，使得系統(tǒng)電壓偏高，說(shuō)明兩端補(bǔ)償相對(duì)于單端補(bǔ)償更能抑制海纜的充電效應(yīng)對(duì)電壓抬升的影響。

(a)200MW風(fēng)電場(chǎng)

(b)300MW風(fēng)電場(chǎng)

(c)400MW風(fēng)電場(chǎng)圖4 海纜導(dǎo)體損耗—風(fēng)電場(chǎng)出力曲線關(guān)系圖

4 結(jié)論

針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)電壓與無(wú)功功率的特性，分析了變壓器和集電系統(tǒng)無(wú)功功率損耗，考慮到風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)距離海底電纜的電容充電效應(yīng)，提出了基于海纜導(dǎo)體損耗最小的陸上單端補(bǔ)償和兩端補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償方案。仿真結(jié)果表明：依據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)輸出容量選擇單端補(bǔ)償或者兩端補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償方案，在降低海纜導(dǎo)體損耗的同時(shí)對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定具有積極作用。

(a)單端補(bǔ)償

(b)兩端補(bǔ)償圖5 風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率與系統(tǒng)電壓波形

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Research on Reactive Power Compensation Technology of Offshore Wind Farm Based on Sea Cable

ZHANG Qi，ZHU Lianyong

(State Grid Huludao Power Supply Company,Xingcheng, Liaoning 125100, China)

Aiming at charging effect of the long distance submarine cable in the offshore wind farm, the fluctuated reactive power of the wind farm caused the fluctuation of the bus voltage easily.Then the reactive power of the wind farm is realized by combining the wind turbine converter and the local reactive power compensation equipment. The loss of sea cable conductor of different scale and transmission distance offshore wind farm were comparatively analyzed between the two-stage compensation and single-stage compensation, which was based on reactive power compensation control scheme of offshore wind farm. Finally, the simulation model is established in the Matlab/Simulink environment. The simulation results show that: the reactive power compensation scheme proposed in this paper can not only reduce the loss of the cable conductor but also keep the system voltage stably, as well as improving the reactive power compensation capability of the system while the wind power fluctuating, which verified the effectiveness of the scheme.

offshore wind farm;sea cable;charging effect;reactive power compensation

TM614

A

1004-7913(2017)09-0033-05

張 起(1990)，男，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制技術(shù)。

2017-05-10)