海上風(fēng)電交流送出系統(tǒng)雙端無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制策略研究

李再忠， 趙承漢

(1.國家電投山東能源發(fā)展公司，山東 濟(jì)南 250001； 2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

由于海上具有更高的風(fēng)速，且海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本更低，受噪聲和電磁干擾等因素的限制更少，海上風(fēng)電具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-2]。因此，對(duì)大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

高壓交流的輸電方式是主要采用的并網(wǎng)技術(shù)之一。海上風(fēng)電匯集和送出線路采用海底交流電纜，海底電纜與架空線路相比具有更大的充電功率，長距離交流海纜導(dǎo)致的過電壓問題將成為更為突出的問題[3-4]。文獻(xiàn)[5]研究了海上無功補(bǔ)償設(shè)備設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素，但并未給出具體的配置方法。文獻(xiàn)[6]基于江蘇省實(shí)際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)考慮風(fēng)電機(jī)組無功輸出能力的電網(wǎng)側(cè)高抗配置方案，但未考慮采用雙端補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)的影響。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

(1)采用雙端無功補(bǔ)償?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)對(duì)輸電側(cè)和集電側(cè)兩端無功補(bǔ)償配置的優(yōu)化，達(dá)到較好的無功補(bǔ)償效果。

(2)將風(fēng)機(jī)的控制作為聯(lián)調(diào)的一部分，以最小化網(wǎng)損和傳輸線路電壓偏移為目標(biāo)，通過風(fēng)機(jī)的可調(diào)無功出力，減小了集電側(cè)無功補(bǔ)償?shù)某杀尽?/p>

1 海上風(fēng)電經(jīng)交流海纜送出系統(tǒng)的無功問題

1.1 風(fēng)電交流送出系統(tǒng)

如圖1所示，典型的中遠(yuǎn)海岸海上風(fēng)電經(jīng)交流海纜送出系統(tǒng)主要由海上風(fēng)電場(chǎng)、海上風(fēng)電集電系統(tǒng)、長距離交流海纜以及陸上送電部分四個(gè)部分構(gòu)成。

圖1 風(fēng)電經(jīng)交流海纜送出系統(tǒng)示意圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)化的風(fēng)能經(jīng)由機(jī)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(tái)經(jīng)由主變連接到高壓海底海纜，到達(dá)陸上集控中心后再通過高壓架空線連接到電網(wǎng)。

1.2 雙饋型風(fēng)電機(jī)組無功功率極限計(jì)算

目前，海上風(fēng)電普遍采用雙饋式感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組，雙饋風(fēng)電機(jī)組無功功率為網(wǎng)側(cè)變流器無功功率和發(fā)電機(jī)組定子側(cè)無功功率之和。考慮經(jīng)濟(jì)性，網(wǎng)側(cè)變流器通常設(shè)定為單位功率因數(shù)運(yùn)行，因而可認(rèn)為雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功功率即為定子側(cè)所發(fā)無功功率，即:

QF=QD

(1)

式中:QF為雙饋風(fēng)機(jī)的無功功率；QD為定子側(cè)發(fā)出的無功功率。

在恒功率因數(shù)控制下，雙饋風(fēng)機(jī)輸出的無功功率和有功功率滿足：

(2)

(3)

式中:PF為雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功功率；s為轉(zhuǎn)差；UD、ID分別為定子側(cè)電壓、電流；XM、XD分別為互感電抗和定子側(cè)電抗；IR為轉(zhuǎn)子側(cè)電流。

以額定容量為3.6 MW的某雙饋型風(fēng)電機(jī)組為例。圖2為定子電流為額定值時(shí)的無功極限。圖2中：Qmax為定子電流為額定值時(shí)的容性無功極限；Qmin為定子電流為額定值時(shí)的感性無功極限。

圖2 風(fēng)電機(jī)組無功功率出力極限

1.3 系統(tǒng)無功需求

圖2所示的海上風(fēng)電場(chǎng)整體等效變換至220 kV側(cè)的等值電路如圖3所示。

圖3 風(fēng)電經(jīng)交流海纜送出系統(tǒng)等值圖

圖3中：Pg、Qg、PPCC、QPCC分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出、注入并網(wǎng)點(diǎn)的有功和無功功率；Pt0、Qt0、Pt、Qt分別為變壓器空載損耗和負(fù)載損耗；P1、Q1、Qc分別為海底電纜的線路損耗和充電功率。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)無功功率滿足：

QPCC=Qg-(Qt+Qt+Q1-Qc)

(4)

對(duì)于變壓器，有：

(5)

對(duì)于海底電纜有：

(6)

(7)

式中：E為并網(wǎng)點(diǎn)電壓；U為風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側(cè)電壓；UN為海底電纜額定運(yùn)行電壓；δ為風(fēng)電場(chǎng)等效電源功角；Z、θ分別為海底交流電纜的等效阻抗和阻抗角。

2 統(tǒng)一系統(tǒng)的無功配置方案及海上風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)控制策略

2.1 統(tǒng)一系統(tǒng)的無功配置方案

本文充分利用風(fēng)電機(jī)組自身無功調(diào)節(jié)能力，提出一種風(fēng)電場(chǎng)主動(dòng)參與統(tǒng)一系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)的無功配置方案以實(shí)現(xiàn)最大程度地利用風(fēng)電機(jī)組自身無功調(diào)節(jié)能力抑制海纜母線過電壓問題，減少海上風(fēng)電送出系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置容量配置，避免在海上變電站側(cè)安裝無功補(bǔ)償裝置，降低海上風(fēng)電工程造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)難度。

設(shè)第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組可調(diào)節(jié)的無功功率為Qi，則風(fēng)電場(chǎng)在當(dāng)前工況和風(fēng)速條件下的可調(diào)無功功率輸出Qg為:

(8)

式中：n為風(fēng)電場(chǎng)在線運(yùn)行風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)。

(1) 若QPCC

依據(jù)靈敏度函數(shù)將QL分配給各個(gè)風(fēng)電機(jī)組，將無功需求差異化地分配到每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組上。

靈敏度函數(shù)定義如式(1)所示。

(9)

式中：xk為第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組到海上集控中心的電抗，k=1,2,…,n；ΔQgk為第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的可調(diào)無功容量；Rk為ΔQgk與阻抗的比值，即為第k臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的靈敏度大小；R為靈敏度。靈敏度值高的風(fēng)電機(jī)組優(yōu)先調(diào)配，從而得到各個(gè)風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)出力大小為：

(10)

(2) 若QPCC>Qg，則風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)范圍內(nèi)無法滿足并網(wǎng)點(diǎn)無功零交換目標(biāo)，需要額外配置感性無功補(bǔ)償容量，補(bǔ)償容量大小為QL=QPCC-Qg。

本文考慮采用雙端補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行無功容量配置，主要步驟為：選取無功優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)無功補(bǔ)償容量QL在陸上并網(wǎng)點(diǎn)以及海上風(fēng)電場(chǎng)集電側(cè)兩端的分配值進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的陸端無功補(bǔ)償容量QcL和海上風(fēng)電集電側(cè)的無功補(bǔ)償容量QcS。實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 統(tǒng)一系統(tǒng)的無功配置方案

2.2 無功出力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于QPCC>Qg，即要額外配置感性無功補(bǔ)償容量的情況。本文提出一種將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)的無功出力優(yōu)化模型，選取的目標(biāo)函數(shù)為：

minf=λ1×PLoss+λ2×(ΔU12+ΔU22)PLoss=PT+PLine

(11)

式中：PLoss為系統(tǒng)總網(wǎng)損;PT為海上升壓站損耗；PLine為海纜傳輸線路損耗；ΔU1、ΔU2分別為路上并網(wǎng)點(diǎn)和海上升壓站高壓側(cè)電壓與基準(zhǔn)電壓220 kV的差值；λ1、λ2為兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)值系數(shù)，其相對(duì)大小代表兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)。

約束條件為：

(12)

式中:PGi、QGi分別為節(jié)點(diǎn)注入的有功、無功功率；Pdi、Qdi分別為節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷有功、無功功率；Vi(j)為節(jié)點(diǎn)i(j)電壓；Qci為節(jié)點(diǎn)i的無功補(bǔ)償容量大??；ΔPi、ΔQi分別為節(jié)點(diǎn)i的不平衡功率;Gij、Bij分別為節(jié)點(diǎn)i、j之間的電導(dǎo)、電納；mPQ為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)；Vi min、Vi max分別為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓下、上限。

3 算例分析

本文選取的風(fēng)電場(chǎng)容量為172.8 MW，由48臺(tái)3.6 MW雙饋型風(fēng)電機(jī)組組成，場(chǎng)內(nèi)有4條饋線，每條饋線有12臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組通過箱變由3.3 kV升壓至35 kV，經(jīng)35 kV交流電纜送至海上升壓站低壓側(cè)，經(jīng)升壓站變壓至220 kV后通過75 km交流海底電纜和5 km交流陸地電纜接入電網(wǎng)。

根據(jù)第3節(jié)所述無功優(yōu)化算法，考慮不同運(yùn)行工況下，長距離海纜的充電功率造成的無功功率補(bǔ)償問題，此時(shí)通過雙端補(bǔ)償以及調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組無功輸出，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。分別設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)滿載(Pg=1 p.u.)、半載(Pg=0.5 p.u.)和輕載(Pg=0.25 p.u.)三種典型工況驗(yàn)證無功優(yōu)化效果，如表1所示。

表1 無功優(yōu)化結(jié)果

表1中：QcL、QcS為優(yōu)化后的陸端無功補(bǔ)償容量和海上風(fēng)電集電側(cè)的無功補(bǔ)償容量?？梢钥闯觯谌N工況下，本文的無功補(bǔ)償優(yōu)化策略對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損的減小有明顯效果。

如圖5所示，在沒有無功補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)最大電壓會(huì)達(dá)到1.117倍(風(fēng)電場(chǎng)滿載出力工況下)，電壓正偏差超過10%，對(duì)電能質(zhì)量造成影響。在補(bǔ)償后，線路電壓偏差絕對(duì)值最大為0.8%，滿足電能質(zhì)量供電電壓偏差規(guī)定?？梢钥闯?，在三種工況下，本文的無功補(bǔ)償優(yōu)化策略都對(duì)電壓偏移的抑制有明顯效果。

圖5 海纜沿線電壓分布圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種考慮雙端補(bǔ)償和風(fēng)電主動(dòng)參與無功調(diào)節(jié)的無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制策略，并通過算例仿真驗(yàn)證了其有效性。主要結(jié)論如下。

(1) 雙端補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化，通過雙端無功補(bǔ)償容量配置可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)減小系統(tǒng)電壓偏移和減小系統(tǒng)網(wǎng)損的目標(biāo)。

(2) 本文考慮風(fēng)電主動(dòng)參與無功調(diào)節(jié)，減小了集電側(cè)無功補(bǔ)償裝置容量，降低了海上風(fēng)電工程造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)難度。