王 爽，高長征

（1.東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林 長春 130021）

其它

交流并網(wǎng)海上風(fēng)電場無功配置原則研究

王 爽1，高長征2

（1.東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林 長春 130021）

海上風(fēng)電具有年利用小時長，同時具備風(fēng)速穩(wěn)定、占用土地少等優(yōu)勢，在我國的發(fā)展逐漸受到關(guān)注。由于大量使用海底電纜和建設(shè)海上升壓站的需要，海上風(fēng)電場的電氣結(jié)構(gòu)與陸上風(fēng)電場有所區(qū)別，反映在無功特性方面存在明顯差異。海上風(fēng)電發(fā)展較快的國家在并網(wǎng)導(dǎo)則中都提出了海上風(fēng)電場無功配置要求，而我國尚缺少針對性要求?；谖覈壳昂Ｉ巷L(fēng)電以交流并網(wǎng)為主的現(xiàn)狀，在總結(jié)國內(nèi)外風(fēng)電并網(wǎng)的基礎(chǔ)上，計算分析了通過交流線路并網(wǎng)的不同規(guī)模海上風(fēng)電場的無功特性，提出了相應(yīng)的無功配置原則，可為我國海上風(fēng)電場的并網(wǎng)設(shè)計提供參考和借鑒，促進(jìn)海上風(fēng)電場和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

海上風(fēng)電；并網(wǎng)；高壓交流；無功補償

近年來，全球風(fēng)電發(fā)展迅速，陸上風(fēng)電裝機容量不斷增加，海上風(fēng)電的發(fā)展逐漸受到關(guān)注。海上風(fēng)能資源豐富、年利用小時長，同時具備風(fēng)速穩(wěn)定、占用土地少等優(yōu)勢。截止2014年，歐洲并網(wǎng)的海上風(fēng)電場裝機總量為8 045.3 MW［1］，我國目前也建成了東海大橋一期100 MW風(fēng)電場等示范項目，并且正在遼寧大連、江蘇如東以及福建莆田等地規(guī)劃建設(shè)一批規(guī)模較大的海上風(fēng)電場項目，隨著并網(wǎng)規(guī)模的增加，海上風(fēng)電對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響同樣值得重視［2］。

受送出路徑限制，海上風(fēng)電場除了通過高壓交流線路與陸上電網(wǎng)相連外，還可通過直流輸電線路與陸上電網(wǎng)相連［3］，相關(guān)研究表明，根據(jù)風(fēng)電規(guī)模和并網(wǎng)距離的不同，兩種方式各具優(yōu)勢［4－5］。由于大量海底電纜的使用和建設(shè)海上升壓站的需要，海上風(fēng)電場的電氣結(jié)構(gòu)與陸上風(fēng)電場有所區(qū)別，突出反映在無功特性方面存在明顯差異，因此在海上風(fēng)電發(fā)展較快的英國、德國等國家及電網(wǎng)公司都制定了專門針對海上風(fēng)電的并網(wǎng)導(dǎo)則［6－7］，針對海上風(fēng)電場的無功電壓控制等方面提出要求，保證風(fēng)電并網(wǎng)后電站和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。我國現(xiàn)有的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則［8］主要針對于陸上風(fēng)電場的電氣特性制定，并沒有針對海上風(fēng)電提出專門的要求，國內(nèi)開展的相關(guān)研究工作也以具體案例分析為主［9－11］，對海上風(fēng)電場的無功配置缺乏指導(dǎo)作用。

1 海上風(fēng)電并網(wǎng)要求

英國國家電網(wǎng)（National Grid）并網(wǎng)導(dǎo)則中規(guī)定，在海上風(fēng)電場升壓站的低壓側(cè)（通常為33 kV），無功交換應(yīng)保持為零，在與陸上公共輸電網(wǎng)的連接點，功率因數(shù)應(yīng)控制在±0.95之間。荷蘭及德國北部的電網(wǎng)公司（TenneT B.V.）要求通過高壓線路并網(wǎng)的海上風(fēng)電場并網(wǎng)點的功率因數(shù)隨著系統(tǒng)電壓變化在－0.95至＋0.925可調(diào)，同時規(guī)定了風(fēng)機的無功輸出范圍在輸出額定有功時應(yīng)在－30%到＋40%可調(diào)，并且建議在風(fēng)電場內(nèi)配置電抗器補償電纜產(chǎn)生的容性無功，避免外部電網(wǎng)故障時風(fēng)電場內(nèi)部出現(xiàn)過電壓情況。

我國要求風(fēng)電場的無功容量應(yīng)該按照分層和分區(qū)的基本原則進(jìn)行配置，對于直接接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場，配置的容性無功容量能夠補償風(fēng)電場滿發(fā)時匯集線路、主變壓器的感性無功功率及風(fēng)電場送出線路的一半感性無功功率之和，配置的感性無功容量能夠補償風(fēng)電場送出線路的一半充電無功功率。

2 海上風(fēng)電場交流并網(wǎng)方式

海上風(fēng)電的并網(wǎng)方式可以分為交流并網(wǎng)和直流并網(wǎng)兩種方式。當(dāng)海上風(fēng)電場的規(guī)模相對較小且風(fēng)場離海岸距離較近時，風(fēng)電機組一般采用交流輸電方式直接接入陸上電網(wǎng)，隨著風(fēng)電場規(guī)模的增大和與海岸距離的增加，利用海上升壓站將風(fēng)電機組的功率匯集起來升高電壓，通過交流或直流方式經(jīng)過海底電纜輸送到陸上。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，目前認(rèn)為規(guī)模不超過400 MW，距離陸地不超過50 km的海上風(fēng)電場推薦采用交流并網(wǎng)方式［12］。據(jù)統(tǒng)計，2014年歐洲并網(wǎng)的海上風(fēng)電場，平均容量386 MW，距離海岸距離32.9 km，除距離海岸100 km的德國Bard風(fēng)電場采用HVDC技術(shù)外，其余并網(wǎng)風(fēng)電場均采用交流并網(wǎng)方式，而我國目前已建成和在建的海上風(fēng)電場也均采用交流方式。在現(xiàn)階段，交流并網(wǎng)的風(fēng)電場仍是海上風(fēng)電并網(wǎng)的主要方式。

根據(jù)風(fēng)電場容量和布置方式，交流并網(wǎng)主要有以下3種方式。方式1是小型風(fēng)電場每臺風(fēng)機直接通過35 kV海纜匯集到陸上升壓站方式，受35 kV海纜輸送容量限制和海上輸送通道限制，該方式輸送的風(fēng)電場容量不宜超過100 MW。方式2是容量較大的海上風(fēng)電場，風(fēng)機經(jīng)匯集線路匯集至海上升壓平臺，升壓至220 kV，經(jīng)1回海底電纜接至風(fēng)電場陸上開關(guān)站，并通過陸上開關(guān)站出線1回接入電網(wǎng)。方式3是距離較近的幾個海上風(fēng)電場分別建設(shè)海上升壓平臺，將海上風(fēng)電場風(fēng)機分別匯集升壓后，采用220 kV海底電纜連接，并且1回出線接至陸上開關(guān)站，并通過陸上開關(guān)站出線1回接入電網(wǎng)。

3 海上風(fēng)電場無功特性分析

海上風(fēng)電場由于配置了大量的電纜會提供大量的充電功率，同時受海上升壓站建設(shè)成本和設(shè)備運維難度限制，在海上升壓站難以安裝大量的無功補償裝置，因此其無功特性與陸上風(fēng)電場存在較大差別，以下分別對不同并網(wǎng)方式的風(fēng)電場無功特性進(jìn)行計算分析。

3.1 風(fēng)電場通過35 kV線路接入陸上升壓站

通過35 kV線路匯集到陸上升壓站的風(fēng)電場規(guī)模相對較小，且與海岸的距離較近。根據(jù)海上風(fēng)機的選址方法，每條35 kV線路上的風(fēng)機間隔為500 m左右，裝配的海上風(fēng)機的單機容量主要為3～5 MW。

參照上述條件，建立1座100 MW容量的風(fēng)電場模型（模型1）。如圖1所示，33臺3 MW風(fēng)機經(jīng)3回20 km長的35 kV電纜匯集至陸上升壓站后升壓到220 kV送至主電網(wǎng)。

圖1 通過35 kV線路接入陸上升壓站的風(fēng)電場

風(fēng)電場所用電纜如表1所示。經(jīng)計算，空載時，35 kV匯集線系統(tǒng)共提供5.4 Mvar的充電功率。風(fēng)電滿發(fā)時，35 kV匯集線系統(tǒng)無功缺失6.4 Mvar，升壓站主變無功損耗為13.5 Mvar，在整個送出系統(tǒng)的損耗占比較大。由于風(fēng)電滿發(fā)時電纜的充電功率基本可以補償匯集線自身的無功損耗，因此風(fēng)電場內(nèi)部的損耗可以看做由風(fēng)機箱變和升壓站主變損耗構(gòu)成，相當(dāng)于風(fēng)電場額定功率的20%左右。

表1 35 kV電纜參數(shù)

按照我國現(xiàn)有并網(wǎng)導(dǎo)則，風(fēng)電場配置的無功補償裝置，容性無功主要用于補償35 kV匯集線系統(tǒng)以及主變的全部損耗和220 kV送出線路無功損耗的一半，感性無功主要用于補償35 kV匯集線系統(tǒng)全部充電功率和220 kV送出線路充電功率的一半。為降低匯集線的損耗，建議由風(fēng)機在有功出力較大時提供一定的感性無功補償線路損耗。按照目前風(fēng)機功率因數(shù)0.95計算，可提供相當(dāng)于額定有功33%的無功功率，遠(yuǎn)大于匯集線損耗的無功。

3.2 單個風(fēng)電場通過海上升壓站并網(wǎng)

計算模型2如圖2所示，400 MW風(fēng)電場，通過海上升壓站升壓至220 kV，經(jīng)高壓電纜連接至陸上開關(guān)站。

此種方式下風(fēng)電場的無功補償需考慮海上集電線系統(tǒng)及升壓站、高壓海底電纜和陸上架空線路等部分。

圖2 通過海上升壓站并網(wǎng)的風(fēng)電場

3.2.1 高壓電纜的無功補償

高壓電纜由于充電功率高、可能引發(fā)工頻過電壓等問題［12－14］，是無功配置研究的重點，對高壓電纜空載電容的補償可以采取兩側(cè)補償?shù)姆绞?，也可以采取一?cè)補償?shù)姆绞?，容量?yīng)能補償全部充電功率。

如果高壓電纜長度較短，提供的充電功率較少。以長度20 km為例，電纜充電功率51 Mvar。計算表明，在開關(guān)站側(cè)一側(cè)補償，當(dāng)開關(guān)站高壓母線電壓達(dá)到1.07 pu時，風(fēng)電場升壓站及風(fēng)機端各級母線電壓最高不超過1.075 pu，可以保證穩(wěn)定運行，因此為了降低海上升壓站建設(shè)成本，高壓電纜的補償裝置無需安裝在升壓站側(cè)。同時經(jīng)計算升壓站主變損耗54 Mvar，高壓電纜的充電功率基本滿足補償主變和電纜的無功損耗。由于海上升壓站不可能距離海岸過近，可以考慮高壓電纜充電功率補償可滿足補償升壓站主變需要。

當(dāng)高壓電纜超過30 km時，不僅充電功率較大，而且要考慮過電壓問題。首先通過計算確定在開關(guān)站內(nèi)需要配置的并聯(lián)高抗的容量（一般為充電功率的60%～70%），其余容量的補償通過在升壓站低壓側(cè)安裝并聯(lián)電抗器實現(xiàn)。如經(jīng)計算不需安裝并聯(lián)高抗，可根據(jù)海上升壓站建設(shè)情況在升壓站低壓側(cè)安裝30%～50%補償度的電抗器，剩余補償容量安裝在開關(guān)站側(cè)。

此外，如果送出線路存在較長的架空線路，雖然架空線路的充電功率不大，但會造成長線路兩端存在明顯的電壓差。如模型2中送出線路除20 km高壓電纜外，還有20 km長的架空線路，線路參數(shù)如表2所示。在開關(guān)站側(cè)補償電纜全部充電功率損耗時海上升壓站電壓的相對較高而在線路兩側(cè)各補償50%可以保證線路空載時并網(wǎng)點A（開關(guān)站高壓母線）和海上升壓站220 kV母線B的電壓更為合理，計算結(jié)果如表3所示。

表2 220 kV線路參數(shù)

表3 不同補償方式母線電壓

3.2.2 集電線和海上升壓站的無功補償

根據(jù)方式1的計算分析和國外導(dǎo)則的建議，海上集電線系統(tǒng)充電功率的補償應(yīng)通過在升壓站低壓側(cè)安裝并聯(lián)電抗器實現(xiàn)。

風(fēng)機箱變損耗參照方式1完全由風(fēng)機通過調(diào)整無功輸出補償。升壓站主變損耗由高壓電纜充電功率補償，即使略有不足，也可通過調(diào)整風(fēng)電機組的無功輸出進(jìn)行補償。因此在海上升壓站側(cè)不需要配置容性無功補償裝置。

3.2.3 開關(guān)站送出線路無功補償

按照3.2.1和3.2.2的計算，開關(guān)站為補償高壓電纜應(yīng)配置并聯(lián)高抗或低壓電抗器，同時需配置一定容量的無功裝置補償送出線路一半感性無功功率和一半充電無功功率，計算方式較為簡單，在此不做贅述，為保證響應(yīng)速度，該部分無功裝置類型應(yīng)為SVG。

3.3 多個風(fēng)電場通過海上升壓站匯集后并網(wǎng)

圖3 通過海上升壓站并網(wǎng)的多座風(fēng)電場

計算模型3如圖3所示，2座容量200 MW的風(fēng)電場，經(jīng)過220 kV海底電纜相連后通過1回線路送出。這種連接方式通常2座風(fēng)電場之間的距離很近，在算例中距離為20 km。與方式2相比，方式3主要是增加了2座海上升壓站之間的高壓電纜聯(lián)絡(luò)線，算例中電纜提供35.2 Mvar的充電功率，比方式2在風(fēng)電場滿發(fā)時可以提供更多補償，所以在風(fēng)電場升壓站側(cè)無需增加容性補償裝置。由于電纜線路較長且充電功率較高，此時在各個升壓站分別配置電抗器補償充電功率更有利于控制空載時的電壓。不同補償方式母線電壓見表4。表4說明采用均勻補償?shù)姆绞?，并網(wǎng)點A，海上升壓站220 kV母線B、C的電壓更為合理，補償效果明顯優(yōu)于在開關(guān)站單側(cè)補償?shù)男Ч?。因此，在考慮控制電纜過電壓所安裝電抗器前提下，電纜充電功率的補償應(yīng)盡量均勻布置在各座升壓站內(nèi)。由于35 kV匯集集線系統(tǒng)以及陸上送出系統(tǒng)沒有變化，所以這兩部分的補償原則與方式2相同。

表4 不同補償方式母線電壓

4 海上風(fēng)電場無功配置原則

根據(jù)上述計算分析，海上風(fēng)電場與陸上風(fēng)電場相比具有充電功率較高、在海上升壓站配置大容量無功裝置成本較高的特點。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)并網(wǎng)導(dǎo)則要求，海上風(fēng)電場的無功配置策略可遵循以下原則。

4.1 風(fēng)電場通過35 kV線路接入陸上升壓站

a.風(fēng)電場35 kV匯集系統(tǒng)的感性無功損耗通過調(diào)節(jié)風(fēng)機功率因數(shù)實現(xiàn)。

b.在陸上升壓站內(nèi)配置集中無功補償裝置，容性無功容量應(yīng)滿足風(fēng)電場滿發(fā)時主變感性無功損耗以及送出線路感性無功損耗一半。感性無功容量應(yīng)滿足全部匯集線充電功率和送出線充電功率一半?？紤]到雙向輸出和快速響應(yīng)速度的要求，集中補償裝置宜采用SVG。

4.2 經(jīng)海上升壓站并網(wǎng)的風(fēng)電場

a.風(fēng)電場35 kV匯集系統(tǒng)的感性無功損耗通過調(diào)節(jié)風(fēng)機功率因數(shù)實現(xiàn)。

b.集中無功補償裝置分別配置在海上升壓站和陸上開關(guān)站（變電站）。海上升壓站需配置感性補償裝置（低壓電抗器）。當(dāng)高壓電纜較短時，電抗器容量僅需滿足補償全部35 kV匯集系統(tǒng)充電功率，當(dāng)高壓電纜較長時，容量還需滿足補償高壓電纜充電功率30%～50%的需要。

陸上開關(guān)站需配置電抗器補償高壓電纜充電功率，電抗器類型及容量根據(jù)電纜過電壓計算結(jié)果決定，容量應(yīng)滿足與海上升壓站端電抗器容量之和，可補償海纜全部充電功率的要求。

同時需在開關(guān)站內(nèi)配置一定容量動態(tài)無功補償裝置，裝置的容性無功容量應(yīng)滿足風(fēng)電場滿發(fā)時風(fēng)電場內(nèi)的無功缺失和送出線路感性無功損耗的一半，感性無功容量應(yīng)滿足送出線路充電功率的一半，考慮到響應(yīng)速度的要求，集中補償裝置宜采用SVG。

5 結(jié)束語

本文介紹了國外并網(wǎng)導(dǎo)則對海上風(fēng)電場無功配置的有關(guān)要求，針對交流并網(wǎng)海上風(fēng)電場的典型方式，計算分析了風(fēng)電場運行時的無功電壓特性。針對海上風(fēng)電場通常充電功率較高、在海上升壓站不易配置大量無功補償裝置的特點，提出了海上風(fēng)電場無功配置原則，可為我國海上風(fēng)電場的并網(wǎng)設(shè)計提供參考。

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Study on Configuration Principle of Reactive Power Compensation for AC Integration Offshore Wind Farm

WANG Shuang1，GAO Chang?zheng2
（1.Northeast Electric Power Design Institute，Changchun，Jilin 130021，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co.，Ltd.，Changchun，Jilin 130021，China）

The capacity of offshore wind power integration is increasing with the benefits of higher full power hours and lower cost of land space.Due to the usage of undersea cable and offshore substation，the electrical construction of offshore wind farm is different with onshore wind farm.The requirements of reactive power compensation for offshore wind farm are presented in grid codes for some coun?tries while not represented in China.At present，most of offshore wind farm connects the grids with AC transmission lines.In this pa?per，the configuration principles of reactive power compensation for AC integration offshore wind farm are proposed，the characteristic of different capacity offshore wind farm are analyzed.

Offshore wind power；Grid connection；HVAC；Reactive power compensation

TM614

A

1004－7913（2016）04－0042－04

王 爽（1979—），女，碩士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、電廠接入系統(tǒng)設(shè)計、輸變電工程可行性研究工作。

2015－12－10）