海底電纜運行對系統(tǒng)電壓的影響及解決措施分析

文/胡小康 劉維斌 朱春生

0 引言

隨著社會的迅速發(fā)展，能源需求日趨增長。我國海上風能資源豐富，主要分布在經(jīng)濟發(fā)達、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強但缺乏常規(guī)能源的華東、華南沿海地區(qū)。相比陸上風能發(fā)電，海上風能發(fā)電具有風速較好、發(fā)電量高、年利用小時數(shù)高等顯著優(yōu)點，且不占用稀缺的土地資源及環(huán)境污染較小，因此，海上風電已成為我國風電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的新趨勢。

一般情況下，海上風電場的電能傳輸采用海底電纜（以下簡稱海纜），由于交流海纜具有較大充電功率，特別是大截面、長距離海纜的充電功率特性更加明顯。海上風電場與海島微電網(wǎng)采用聯(lián)島海纜連接，其組成的電網(wǎng)系統(tǒng)運行電壓水平與無功功率的平衡密切相關(guān)：系統(tǒng)的無功電源比較充足，系統(tǒng)就具有高的電壓運行水平；反之，無功不足就反映為運行電壓偏低。此外，系統(tǒng)中大量的負荷需要一定的無功功率，同時網(wǎng)絡(luò)元件也會有無功功率損耗。

本文基于桂山海上風電場與海島微電網(wǎng)生產(chǎn)運行實際情況，分析主變壓器調(diào)壓配合無功補償設(shè)備（SVG）無功調(diào)整的運行方式，既滿足電網(wǎng)調(diào)度對海上風電場送出線路電壓及無功平衡的要求，也穩(wěn)定了風電場母線電壓，同時也實現(xiàn)了SVG有功損耗的最小化，提高海上風電場經(jīng)濟效益，為海上風電場與多個海島微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行時安全穩(wěn)定運行提供依據(jù)。

1 海上風電場與海島智能微電網(wǎng)間的電網(wǎng)系統(tǒng)

桂山海上風電場和萬山海島新能源微電網(wǎng)示范項目（以下簡稱桂山項目）是國際首個海上風電與海島新能源智能電網(wǎng)應(yīng)用整合研究項目。桂山項目海纜總體情況如圖1所示。

本文所研究的海上風電場采用交流輸電方式接入電網(wǎng)，并通過聯(lián)島海纜與各個海島智能微電網(wǎng)連接，連接設(shè)備主要包括：風力發(fā)電機組（含箱式變電站）、35kV風機集電線路、110kV升壓站、110kV送出海纜、35kV聯(lián)島海纜，其中，110kV升壓站包括110kV升壓主變壓器和SVG等。

2 海上風電場無功補償配置

在海上風電場運行期間，感性無功缺額應(yīng)考慮能夠補償35kV風機集電線路、110kV送出海纜以及35kV聯(lián)島海纜容性充電功率；容性無功功率缺額應(yīng)考慮能夠補償海上風機滿發(fā)時風力發(fā)電機組含箱變、35kV風機集電線路、110kV升壓站主變、110kV送出海纜和35kV聯(lián)島海纜的感性無功之和。

海纜的無功特性與其電氣參數(shù)密切相關(guān)，而海底電纜的電氣參數(shù)主要取決于海纜所用的材料和幾何尺寸。根據(jù)海纜廠家提供的設(shè)備說明書，即可得到海纜的電氣參數(shù)。桂山海上風電場升壓站設(shè)有兩臺主變壓器，其中，低壓側(cè)（35kV）采用單母線分段接線。根據(jù)上述無功補償?shù)呐渲迷瓌t，以及桂山海上風電場海纜分布，每段35kV母線安裝1套調(diào)節(jié)容量 為-23 Mvar～+23 Mvar的SVG型無功補償裝置，共2套。為適應(yīng)風電場出力的隨機波動性，SVG可以連續(xù)自動調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定35kV母線電壓及110kV出線無功功率作為控制目標；SVG動態(tài)跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化，并根據(jù)變化情況自動調(diào)節(jié)無功輸出，實現(xiàn)升壓變電站在任意出力下的高功率因數(shù)運行。SVG主要參數(shù)如表1所示。

圖1 桂山項目海纜布局

表1 海上風電場SVG 主要參數(shù)

3 SVG設(shè)備補償模式選擇與主變調(diào)壓

3.1 SVG設(shè)備補償模式

SVG設(shè)備共有四種補償模式：固定補償、動態(tài)補償、電壓補償以及功率因數(shù)補償。

（1）固定補償：根據(jù)SVG設(shè)定的無功電流大小，輸出一個固定的無功電流，輸出的無功電流與設(shè)定值保持一致。

（2）動態(tài)補償：SVG自動檢測負載無功電流，輸出電流隨負載無功電流變化。

（3）電壓補償：根據(jù)補償點在高壓側(cè)或低壓側(cè)設(shè)置補償電壓，補償電壓與設(shè)定值保持一致。

（4）功率因數(shù)補償：基于動態(tài)補償模式下進行補償，按照動態(tài)補償模式進行工作，超出設(shè)定值后按照電壓控制方式進行補償。

根據(jù)SVG實際有功功率損耗記錄，在固定補償、動態(tài)補償、功率因數(shù)補償三種補償模式下的有功損耗最大，在電壓補償模式下的有功損耗最小。以桂山海上風電場某次保供電任務(wù)為例，電網(wǎng)調(diào)度要求海上風電場SVG的運行模式為固定補償，固定補償與電壓補償兩種模式下的有功功率損耗記錄見表2所示。因此在SVG設(shè)備實際運行中，按照節(jié)能降耗的安全生產(chǎn)要求，采用補償電壓的模式明顯比其他模式節(jié)能。

表2 案例SVG運行有功功率損耗對比

3.2 主變壓器調(diào)壓

桂山海上風電場配置了兩臺110kV主變壓器（以下簡稱主變），型號及主要參數(shù)均相同，見表3。

表3 案例110kV主變主要參數(shù)

主變壓器的有載調(diào)壓檔位共有17檔，在桂山海上風電場通過110kV海纜首次受電時，SVG設(shè)備未投入運行，為保證風場升壓站35kV母線電壓穩(wěn)定在35kV,現(xiàn)場運行人員將主變有載調(diào)壓檔位調(diào)整在13檔。此時，海島微電網(wǎng)、海上風機箱變高壓側(cè)等35kV系統(tǒng)均能保持在35kV電壓穩(wěn)定運行。

SVG投入運行后，采用有功損耗較小的電壓補償模式，進一步穩(wěn)定35kV母線電壓，確保各個海島微電網(wǎng)、海上風電場安全運行。隨著海上風電場小風期、大風期不同時段的變更，海上風機的出力與之相應(yīng)變化；另外，伴隨季節(jié)更替，海島微電網(wǎng)負荷、電網(wǎng)負荷也會出現(xiàn)變化，海上風機輸出電能的流向也隨之變化。此時，海上風電場35kV母線電壓亦會出現(xiàn)波動，SVG為穩(wěn)定35kV母線電壓，會增加無功輸出，確保海島微電網(wǎng)、風機集電線路的電壓穩(wěn)定。在這種情況下，SVG輸出較大的無功功率則會隨著110kV送出海纜匯至電網(wǎng)變電站，造成電網(wǎng)側(cè)110kV母線電壓的升高，而SVG的有功功率損耗同樣增加，造成了風電場能耗增加。

為了盡量減少無功功率匯入電網(wǎng)，降低SVG有功功率損耗，同時穩(wěn)定35kV母線電壓，確保各個海島微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，生產(chǎn)技術(shù)人員將110kV主變有載調(diào)壓檔位由13檔調(diào)整至14檔。采用SVG電壓補償模式，調(diào)整主變有載調(diào)壓裝置檔位，調(diào)節(jié)主變低壓側(cè)電壓，從而調(diào)節(jié)35kV母線電壓，減少了SVG的無功功率輸出，降低了其有功損耗，也減少了無功功率匯入電網(wǎng)側(cè)變電站，穩(wěn)定了電網(wǎng)側(cè)110kV母線電壓。調(diào)節(jié)前后運行數(shù)據(jù)對比分別如表4至表6所示（#1、#2主變相類似）：

表4 案例SVG電壓補償模式運行結(jié)果

表5 案例SVG固定補償模式運行結(jié)果

表6 案例SVG電壓補償模式運行結(jié)果

SVG有功功率損耗的電量需要在時間上進行積累。因此，如表4的第1種方式下，#2 SVG運行半月累計損耗電量為1.72萬kW . h；#1 SVG運行半月累計損耗電量為1.22萬kW . h。在如表6的第3種方式下，#2 SVG運行半月累計損耗電量為0.98萬kW . h；#1 SVG運行半月累計損耗電量為0.73萬kW . h。很明顯，第3種方式比較節(jié)能，而且具有較高的調(diào)壓水平。

4 結(jié)論

在無功功率充裕和平衡的電力系統(tǒng)中，改變主變壓器變比有良好的調(diào)壓效果，應(yīng)優(yōu)先采用。但在無功不足的電力系統(tǒng)中，不宜采用改變主變壓器變比調(diào)壓，因為改變主變壓器的變比并沒有增加系統(tǒng)的無功功率，這就有可能在采用變壓器變比改善某個地區(qū)電壓水平的同時會惡化其他地區(qū)無功功率不足，導(dǎo)致地區(qū)電壓水平進一步下降。因此，在無功不足的電力系統(tǒng)中，首先應(yīng)裝設(shè)無功補償裝置來補償無功功率的缺額。

本文研究的桂山項目包括了海上風電場、海島微電網(wǎng)兩個部分，海纜數(shù)量較多，其對整個系統(tǒng)的無功平衡造成了較大的影響，配置了兩套SVG后，無功調(diào)節(jié)容量較充裕；在不同季節(jié)風速下，海上風機出力變化較大，海島微電網(wǎng)負荷也隨季節(jié)更替出現(xiàn)相應(yīng)變化。所以，采用主變調(diào)壓與SVG電壓補償相配合的方式，既穩(wěn)定了海上風電場35kV母線電壓，也穩(wěn)定了各個海島微電網(wǎng)進線電壓，同時實現(xiàn)了節(jié)能降耗，又減少了海上風電場匯入電網(wǎng)無功功率，穩(wěn)定了電網(wǎng)側(cè)母線電壓，是一種可靠性較高、經(jīng)濟性較好的電壓調(diào)試運行方式。