考慮工頻過電壓的海上風電場無功配置方案研究*

陳柏超，羅璇瑤，袁佳歆，田翠華，羅垚，傅春翔

(1. 武漢大學 電氣工程學院， 武漢 430072； 2. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 杭州 311122)

0 引 言

隨著地球的煤炭和石油資源接近耗盡，世界上大部分國家都把開發(fā)和利用可再生能源作為一項國策，提高到能源戰(zhàn)略的地位。21世紀必然是一切可再生能源革命大發(fā)展的春天。而風能作為可再生能源的一種，在被利用的可再生能源中占了一半以上。風力發(fā)電是利用風能資源的一種最主要的手段，近年來高速增長，前景光明。

隨著陸上風電資源開發(fā)的逐漸飽和，而且陸上機組對自然景觀有一定的破壞，也會帶來一定的噪音污染，近海潮間帶及海上風能資源儲量豐富，風能質(zhì)量好，海上風電場裝機容量得到大幅增長，海上風電即將成為未來風能應用和發(fā)展的重點[1-2]。

對于海上風電場，電能主要通過海底高壓電纜從海上傳輸?shù)疥懮?，再通過架空線路傳遞到并網(wǎng)點。而海底高壓電纜的充電功率很大，相對于普通架空線路，可能會產(chǎn)生較大的工頻過電壓。而目前對海底高壓電纜過電壓的研究不多，尤其是對于含架空線路和高壓電纜混合輸電線路的海上風電場的研究來說。因此，對海上風電場含有架空線路和海底電纜的混合輸電線路進行工頻過電壓研究對系統(tǒng)的安全運行有著極為重要的作用。

在未裝設無功補償裝置且風機不發(fā)出無功的情況下，風電場消耗無功的設備主要有變壓器、海底電纜和架空線，而且其大小與線路潮流有關；風電場發(fā)出無功的主要設備為海底電纜和架空線，其大小隨電壓波動，但變化極小可認為不變。由于風速的隨機波動，導致系統(tǒng)中的無功需求也是隨時變化的。為了滿足無功需求的隨機變化，海上風電場必須裝設一定容量的動態(tài)無功補償裝置。由于一般的動態(tài)無功補償裝置價格較昂貴，通常情況下也會采用固定高抗與動態(tài)補償裝置相結合的無功補償方案來降低經(jīng)濟性。固定高抗是限制工頻過電壓的主要措施，同時又具備補償無功的效果。

文獻[3]介紹了海底高壓電纜的不同結構對其過電壓的影響，但幾乎沒有考慮架空線路；文獻[4-5]包括合閘初相角、運行饋線數(shù)量、變壓器位置、運行方式以及母線長度對海上風電場內(nèi)部電氣系統(tǒng)過電壓的影響，并未考慮輸電線路的過電壓問題；文獻[6-7]以實驗和仿真相結合的方法對海上風電場的集電網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓進行了分析。

文獻[8]分析了不同無功配置方法對輸出海纜的損耗影響；文獻[9]通過分析了不同類型風電機組所組建風場的無功功率特性，并制定了靜態(tài)無功補償與動態(tài)無功補償?shù)呐浜戏椒?；文獻[10]充分考慮雙饋風電機組的無功特性，通過粒子群算法對海上風電場的無功功率進行優(yōu)化，達到減小網(wǎng)損和降低補償容量的目標。

上述文獻只是分別從過電壓和無功補償?shù)慕嵌确治隽藢Ｉ巷L電場的影響，實際上在無功補償?shù)耐瑫r，還可以對過電壓進行限制，這就需要配置一套能同時滿足二者要求的綜合補償方案，而目前少有文獻研究這一點。文獻[11]研究了考慮海纜充電功率的無功補償，但這只說明了對因電容效應引起的過電壓的作用；文獻[12]對海上風電場的工頻過電壓和無功補償進行了綜合計算，但沒有考慮風機不同出力情況下的無功需求，并且所選案例滿足過電壓限制要求，代表性不強。

因此，提出了一種考慮工頻過電壓的無功配置方案，通過對含有架空線路和海底高壓電纜的海上風電場輸電線路進行工頻過電壓分析，并通過并聯(lián)高抗對過電壓加以限制，從而修正風機不同出力情況下還需增加的無功補償容量，確定綜合補償方案，同時達到限制過電壓和補償功率因數(shù)的作用，為海上風電場的工程應用設計提供實際參考。

1 工頻過電壓

一般海上風電場會安裝避雷器用以限制操作過電壓，可以不用另加別的抑制措施。因此，文中主要對海上風電場的工頻過電壓進行分析。產(chǎn)生工頻過電壓的主要原因有：空載長線路引起的電容效應、系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地故障以及發(fā)電機突然甩負荷[13]。

1.1 空載長線路的電容效應

對于海上風電場，常應用長距離高壓海底電纜，由于容抗大于感抗，因此交流電流流過時，由于電感與電容上的壓降反相，且容性電流在感抗上的壓降把容抗壓降抬高，使得線路上各點電壓高于電源電勢，而且愈靠近空載線路末端，電壓升高愈嚴重。

線路上的電壓自首端開始逐漸上升，全線按余弦曲線布，當?shù)竭_線路末端時，電壓達到最高。

1.2 不對稱接地引起的工頻過電壓

單相接地時，工頻過電壓與相接地點向電源側的零序/正序電抗值成正比。當其大到一定程度時，單相接地甩負荷過電壓的幅值甚至可能超過三相甩負荷過電壓。

1.3 甩負荷引起的工頻過電壓

甩負荷前后，線路遵循磁鏈不變原理，發(fā)電機的暫態(tài)電勢保持不變，但甩負荷后空載線路的電容效應與發(fā)電機的超速疊加導致電勢和頻率上升，造成較高的工頻過電壓。

1.4 工頻過電壓的抑制措施

抑制工頻過電壓常見的方法有：采用良導體地線和并聯(lián)高壓電抗器。前者通過減小線路的零序電阻和電抗使工頻過電壓減小，后者主要是用來補償線路上的容抗，從而來限制工頻過電壓，同時并聯(lián)電抗器還可以來調(diào)節(jié)線路無功潮流，因此并聯(lián)高抗為限制工頻過電壓的主要措施。

2 海上風電場無功補償

2.1 海上風電場結構

如圖1所示的江蘇某海上風電場為例，海上風電場結構上主要由風力發(fā)電機組、集電線路、海上升壓站、風電場輸電線路組成。風力發(fā)電機將轉(zhuǎn)化的風能經(jīng)由機端的升壓變壓器通過35 kV海底電纜與集電母線相連，匯總至海上升壓平臺經(jīng)由主變連接到高壓海底海纜，到達陸上集控中心后再通過高壓架空線連接到電網(wǎng)。

圖1 海上風電場結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of offshore wind farm

2.2 無功特性需求

以圖1所示的海上風電場為例，35 kV海底電纜長度很短不予考慮，整體等效變換至220 kV側的等值電路如圖2所示。

圖2 海上風電場等值圖Fig.2 The equivalent circuit of offshore wind farm

圖2中，Pg、Qg、Ppcc、Qpcc分別為風力發(fā)電機輸出和注入并網(wǎng)點的有功、無功功率，Pt0、Qt0、Pt1、Qt1分別為變壓器空載損耗和負載損耗，Pl、Ql、Qc分別為海底電纜的線路損耗和充電功率。

當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，系統(tǒng)電壓可認為不變，海底電纜的充電功率可認為大小固定不變[10]，主變空載損耗亦為固定值；而主變?nèi)萘亢艽?，其負載損耗與海底電纜的線路損耗均與線路流過的功率有關，同樣不容忽視。因此，并網(wǎng)點無功功率有：

Qpcc=Qg-(Qt1+Qt0-(Ql-Qc)

(1)

對于變壓器有：

對于海底電纜有：

對于，雙饋風機大多數(shù)運行在功率因數(shù)為1的狀態(tài)下，Qg可視為零，而風機的有功出力范圍在0～PN之間，則式(1)可化為：

式中k1、k2、k3、k4、k0是與系統(tǒng)參數(shù)有關的常數(shù)。

海上風電場并網(wǎng)點的無功需求容量應滿足：

Qx=Qpcc

(5)

由上可知，海上風電場的無功需求與系統(tǒng)的參數(shù)和風機的有功出力緊密相關，當對海上風電場進行無功補償時，需要同時考慮風機的出力水平和系統(tǒng)的結構參數(shù)。

2.3 無功配置方案

海底電纜長度變化時，并網(wǎng)點的無功需求也隨之變化，當長度較小時，海上風電場會表現(xiàn)出較小范圍內(nèi)的容性無功需求，而當長度較大時，海底電纜的充電功率很大，只需要補償感性的無功功率即可。

通過對海上風電場的工頻過電壓和操作過電壓進行計算，要求加裝固定高抗對其進行限制。然而固定高抗并非海上風電場無功補償?shù)氖走x，因此，提出了一種考慮工頻過電壓的無功配置方式，能夠充分利用高壓電抗器既能限制過電壓又能做無功補償?shù)淖饔?。此方案在安裝高抗的基礎上，對無功補償容量進行修正，從而得到一套既能夠滿足過電壓限制范圍又滿足功率因數(shù)要求的綜合無功補償方案，適用不同規(guī)格與靠岸距離的海上風電場，步驟如圖3所示。

圖3 無功配置方案流程圖Fig.3 Flow chart of reactive power allocation scheme

3 案例分析

3.1 工頻過電壓計算

以圖1所示的某海上風電場為例分析其無功需求，風電場由100臺3.0 MW的雙饋異步感應風力發(fā)電機構成，海上升壓平臺的主變?yōu)?臺SFZ-180000/220的低壓側雙分裂變壓器，220 kV海纜為三根1*800 mm2的交流電纜，長度為23.2 km，220 kV架空線長度為20 km。采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)程序中的圖形預處理程序ATP-Draw建立風電場的仿真模型。為了簡化系統(tǒng)，將100臺風力發(fā)電機簡化為四臺，并且簡化為電源模型，變壓器主要采用BCTRAN變壓器模型，當線路較短時，海纜主要采用型cable模型，線路較長時，海纜和架空線均采用帶集中電阻的分布參數(shù)模型，搭建如圖4所示的系統(tǒng)仿真圖。

圖4 系統(tǒng)仿真模型圖Fig.4 Diagram of system simulation model

3.1.1 空載長線路的過電壓分析

對于海上風電場而言，由于海底電纜的存在，使得線路上的充電功率較大，從而使得當風電機組空載時，容易出現(xiàn)末端電壓偏高的情況。如表1所示為不同電纜長度下的空載線路工頻過電壓。

表1 電纜長度與線路電壓間的關系(p.u.)Tab.1 Relationship between the length of the cable and the voltage of the line(p.u.)

線路越長，電容效應越明顯，末端電壓上升越大。根據(jù)相關規(guī)程要求，對于220 kV系統(tǒng)工頻過電壓的水平規(guī)定為線路斷路器的變電站側不大于1.3 p.u.以下，線路斷路器的線路側不大于1.4 p.u.。對于海上風電場而言，當電纜長度超過30 km時，就會出現(xiàn)工頻過電壓不滿足要求的情況。而對于文中所研究的海上風電場的線路長度為23.2 km，可以無需考慮容升效應所引起的過電壓。

3.1.2 單相接地過電壓分析

文中主要針對風電場系統(tǒng)側和風機側發(fā)生單相接地的故障，對單相接地甩負荷進行分析，并對一側單相接地、三相斷開的故障形式進行工頻過電壓仿真計算，其計算結果如表2所示。

通過表2可知，最大過電壓均出現(xiàn)在系統(tǒng)側，并且最大故障形式下工頻過電壓的最大值達到了1.418 p.u.，超出了規(guī)程最大允許值，有必要在線路上加裝高壓并聯(lián)電抗器進行工頻過電壓的抑制。高抗的選擇以補償度為依據(jù)，而根據(jù)相關規(guī)程的要求，所加的高壓并聯(lián)電抗器的容量為線路補償電纜充電功率的60%～70%左右，而220 kV海底電纜的充電功率約為53 Mvar，因此高抗可取為30 Mvar。

為了分析電抗器對工頻過電壓的抑制作用，采用在風電場中的集控中心裝設30 Mvar高壓電抗器的方式進行分析計算，主要是針對容升效應和系統(tǒng)側一相短路、三相斷開的方式進行分析，其計算結果如表3所示。

在采用高壓電抗器之后，工頻過電壓均在規(guī)程范圍以內(nèi)，說明加裝30 Mvar并聯(lián)高抗不僅能夠補償系統(tǒng)無功，還能起到有效地抑制工頻過電壓的作用。因此，可以對無功補償?shù)娜萘科鸬絽⒖甲饔谩?/p>

表2 風電場單相接地時的工頻過電壓計算結果(p.u.)Tab.2 Calculation results of power frequency over-voltage of single phase grounding of wind farm(p.u.)

表3 采用高抗前后的工頻過電壓計算結果(p.u.)Tab.3 Calculation results of power frequency over-voltage before and after high frequency resistance(p.u.)

3.2 海上風電場的無功需求計算

以江蘇省某風電場的相關參數(shù)為基準，計算風機不同出力水平狀態(tài)下的系統(tǒng)潮流，不考慮風機的無功出力能力，即功率因數(shù)取1。根據(jù)相關公式可計算求得出風電場并網(wǎng)點的無功需求Qx如圖5所示。

圖5 風機出力和電纜長度對系統(tǒng)無功需求的影響Fig.5 Impact of the wind turbine output and cable lengths for the reactive power demand

根據(jù)圖5的計算，風機出力為100%時，系統(tǒng)的無功需求為容性無功；但風機出力小于83%時，系統(tǒng)的無功需求均為感性無功。而實際情況中，95%的情況下風電出力小于裝機容量的80%[15]，所以海上風電場的無功需求主要為感性無功。由表中計算可得風電場的無功需求為QX∈[-24.688,56.233]Mvar。又由于300 MW風電機組出力最大時可提供的最大無功補償容量為±93.7 Mvar，故在風電機組出力較大時，風電場呈容性的無功需求可以由風電機組來補償，即無需安裝可輸出容性無功的補償裝置，考慮到在在風機出力較小時，風電機組仍然具有一定的無功調(diào)節(jié)能力，在保留一定裕度的情況下，初步確定風電場的無功需求范圍為QX∈[0,56.5]Mvar。

3.3 無功補償綜合方案

由于風機輸出功率的波動性，全部安裝動態(tài)補償裝置實時調(diào)節(jié)海上風電場的無功功率是最理想的補償方案。由于只有海上升壓站和陸上集控中心才適合裝設無功補償裝置，海上升壓平臺空間有限，又加上將體積龐大的常規(guī)動態(tài)無功補償裝置安裝于海上升壓平臺會增加海上平臺的建設成本和裝置的維護難度。為了節(jié)約成本，可以通過合理的容量配置滿足補償要求，為此采用在陸上集控中心裝設26.5 Mvar的動態(tài)無功補償裝置，海上升壓站裝設4組30 Mvar的固定電抗(每組7.5 Mvar)的無功補償方案，能夠同時達到抑制過電壓和補償功率因素的目的。

3.4 方案驗證

由上可知，所提方案已經(jīng)能夠滿足對工頻過電壓的限制，為了驗證其能夠很好地補償功率因數(shù)，利用MATLAB/Simulink搭建該的海上風電場模型，即在陸上集控中心裝設26.5 Mvar的動態(tài)無功補償裝置MSVC，在海上升壓站裝設4組共計30 Mvar的固定高抗，每組7.5 Mvar。風速模型采用從風機啟動到飽和速度的近似線性變化來模擬，總時長為50 s。具體接線圖如圖6所示。

圖6 方案驗證接線圖Fig.6 Wiring diagram of scheme verification

可以得到并網(wǎng)點處的功率因數(shù)和電壓如圖7、圖8所示，可以看出，在風速不斷變化的情況下，并網(wǎng)點的功率因數(shù)仍然能夠保持在0.98以上，并網(wǎng)點的電壓也能夠滿足要求。

圖7 并網(wǎng)點功率因數(shù)Fig.7 Power factor of access point

圖8 并網(wǎng)點電壓Fig.8 Voltage of access point

因此，通過工頻過電壓分析所得到的固定高抗與動態(tài)補償相結合的無功補償綜合方案既能夠滿足工頻過電壓的限制，又能夠動態(tài)地補償功率因數(shù)，證實了該方案的有效性。

4 結束語

文章以某海上風電場為例，計算了工頻過電壓和操作過電壓，并以并聯(lián)高抗的補償容量值為參考，聯(lián)合海上風電場的無功需求特性，得出一套既綜合無功補償方案，經(jīng)過驗證該方案既能達到過電壓限制范圍又能滿足功率因數(shù)補償要求。該方案的得出過程具有一定的工程實際意義，能夠為日后海上風電場的無功補償方案提供參考。