考慮海底電纜充電功率的風電場出力特性

姜韜韜 武小梅 鮑 虎

（廣東工業大學自動化學院，廣州 510006）

現代工業以消耗大量能源為基礎得到了飛速的發展，隨著常規能源逐漸被消耗，尋找可替代的清潔能源來滿足未來工業發展的需要成為當務之急。風力發電作為一種特殊的發電形式應運而生，理論上只需要利用地球上1%的風能儲量就可以滿足人類的需求。我國已經在東北、華北和西北地區大力發展陸上風能資源，但隨著風電發展的逐步深入，相比較受到路上運輸與安裝等方面條件制約的陸上風電，海上風電越來越受到關注。海上風電具有大而穩定的風速，能夠節約土地資源，設計壽命一般較長，分切度小等優點[1]。而中國海上風能資源非常豐富，以東部沿海為例，水深達到2～15m 的海域面積非常遼闊，具有3 倍于陸上的可利用風能資源，而且靠近負荷中心[2]。

根據統計，我國已建成海上風電裝機容量為142MW。按照我國的可再生能源“十二五”規劃，我國計劃建立一條完整的海上風電成套技術的產業鏈，并在2015年后海上風電達到世界先進水平，實現規模化發展。到2020年我國海上風電達到3000萬kW[3]。

隨著海上風電發展的逐步推進，海上風電與電纜的研究也開始興起。文獻[4-5]介紹了海上風電場主要的3 種并網方式，對他們的特點進行了比較。文獻[6]詳細例舉了國內外一些采用海底電纜進行區域電網互聯的輸電工程，及電纜在應用中遇到的問題。文獻[7-8]都針對海南500kV 交流跨海聯網工程進行了研究，通過不同無功補償方案的選擇研究了對系統電壓的影響。文獻[9]通過提出風電場出力分布特征指數這一指標，通過比較海上風電與陸上風電的出力特性，給出了一些對海上風電消納問題的建議。文獻[10]從海上風電場自身建設的規模、與所處地區的風向和風速的角度分析風電場出力波動性，文獻[11]介紹了海上風電與波浪能發電這兩種發電方式的出力特性與互補運行的可行性，文獻[12]使用PSCAD/EMTDC 建立海上風電場的仿真模型，仿真了過電壓對電纜絕緣的影響。文獻[13]考慮了風電場海纜的充電功率，提出了相對電容系數這一指標，通過這一指標確定海上風電場無功補償方案。

因此，本文主要研究采用高壓交流輸電方式海上風電場的最小注入功率問題，使用了穩態潮流仿真法來確定不同無功補償方式下，海上風電場的注入功率。

1 線路的充電功率效應

輸電線路存在對地電容，當線路帶有電壓時，電容會產生無功功率，這種無功功率稱為充電功率。在電力線路空載或者輕載時線路末端電壓會高于電源電壓。在線路重載時，線路上有較多的感性負荷，充電功率的存在中和了感性負荷，起到了提高系統功率因數，使輸送容量增大的效果。

圖1 輸電線路等值模型

圖2 海上風電場連接電網方式

圖2中1 為海上升壓站，2 為登陸點，3 為匯流站。匯流站與登陸點之間和匯流站與地區電網之間采用架空線路連接，海上升壓站與登陸點之間采用海底電纜連接。所用架空線路參數和海底電纜參數見表1。

表1 架空線路與海底電纜正序參數

通過表1的線路參數，可以得到表2所示的線路充電功率。整個線路充電功率合計80.45MVA,其中海底電纜充電功率為70.7MVA，架空線路充電功率9.75MVA。海底電纜單位長度是架空線路的12倍左右，所以充電功率也遠遠大于架空線路，從表2可以看出，海底電纜的充電功率占到全線的88%左右。

表2 線路充電功率

2 海底電纜充電功率對風電場出力的影響

風電場的正常運行需要吸收大量的無功功率，而充電功率的存在會對風電場的運行帶來一定的影響，本文使用Digsilent/Power factory 進行仿真研究，以220kV 作為電壓基準值。逐步加大海上風電場的出力水平，從圖3的電壓變化曲線可以看出，在風電出力較小的情況下，隨著出力的逐漸增加，登陸點的端電壓開始比較平穩，隨后快速降低，說明在采用海底電纜作為連接線進行高壓交流傳輸時，電纜為風電場提供了一部分無功功率，使登陸點的電壓情況得到改善，起到了無功補償的作用。這種現象在需要進行遠距離、大容量傳輸的情況下，表現的尤為明顯。

但當風電場出力較小時，由于這種電壓升高現象的存在，使的登陸點側電壓常常無法滿足《GB/T 12325—2008 電能質量供電電壓偏差》的規定，該規范規定在使用220kV 進行供電時，供電電壓正、負偏差絕對值之和不能超過標稱電壓的10%，一般不超過標稱電壓的-3%～+7%。為了維持電網的正常運行，說明風電場存在一個出力的下限。同時為了使風電場的電壓滿足規定，需要對風電場進行必要的無功補償，根據文獻[13]的介紹，對海底電纜進行無功補償時，常采用高抗補償裝置對電纜進行一端補償、兩端補償和采用改變風電場功率因數三種方法。

圖3 風電場出力與登陸點電壓水平曲線

本文將對無功補償對海上風電場出力下限的影響進行研究，采用穩態潮流仿真法[14]，分析不同無功補償方案，對風電場出力下限的影響。風電場所選機組為額定容量為3.6MW，功率因數為1 的雙饋感應風力發電機(DFIG，Double-Fed Induction Generator)，登陸點與海上升壓站端都有分組投切的高抗補償裝置，運行過程中按照機組出力的大小進行控制。將無功補償容量與發電機有功出力的比值定為L。

采用在登陸點進行一端補償時，L的值分別為15%、30%、40%時的計算結果見表3，可知風電場的出力下限，隨無功補償容量的增加而減小。從圖4的電壓變化曲線可以看出，當風電場出力較小時，電壓變化曲線傾斜度較小，說明海底電纜改善了登陸點電壓，但為了使端電壓不越界，采取了增加出力和使用高抗補償裝置來使電壓達到規定范圍，然而大量高抗補償裝置的使用，也可能會導致系統在重負荷、低電壓情況下的電壓穩定性降低。

表3 一端補償方式下不同補償容量風電場出力下線

采用在登陸點和海上升壓站進行兩端齊補的情況下，結果見表4，我們得知采用兩端齊補的方式風電場的出力下限會比一端補償的方式要略低。所以采用兩端齊補的方式更適合需要風電場出力較小的情況。

圖4 風電場出力與登陸點電壓關系曲線

表4 兩端齊補方式下不同補償容量風機出力下限

不采用補償裝置，將風力發電機的功率因數進行適當調整，設置為-0.95（超前），即風電場吸收一部分的海底電纜上的充電功率，以兩端齊補且L=30%和L=15%的方式作為比較對象，我們得到圖5，從圖5可知，當風電出力為120MW 時，我們需要補償36MWA 的高抗容量，而采用改變功率因數方法時，我們只需要將功率因數調整到-0.95 就可以滿足電壓的要求，而且功率因數為-0.95 的端電壓曲線開始時與兩端齊補L=30%的曲線重合，以后隨著出力的增加端電壓下降明顯加快，說明采用改變功率因數的方法，在出力較大的情況下，起到了比兩端齊補更好降低端電壓的效果，同時我們得到表5，用表5所得數據與表4中采用兩端齊補，L為30%的風機出力下限的數據進行比較，我們可以得知，采用改變風機功率因數的方法我們可以取得更低的風力出力下限，使得風機出力的調節變得更為靈活。

圖5 功率因數為-0.95 與兩端齊補L=15%，L=30% 方式下的出力與電壓曲線

表5 選取功率因數為-0.95 的風機出力下限

3 結論

本文通過仿真證明了海上風電場采用海底電纜作為電能傳輸方式時，由于電纜充電功率的存在，使風電場的出力存在一個出力下限，并通過仿真計算進行驗證，結果表明：

1）在風機出力較小時電纜充電功率的存在，起到了穩定端電壓的作用。

2）無功補償容量的增加，可以使風電場的出力下限降低。

3）采用在海底電纜采用兩端齊補的方式比采用一端補償的方式更能降低海底電纜充電功率對電壓的影響，使風電場出力下限降低。

4）本文建議在必要的時候，可以將風電場的功率因數調整為負值（超前），適當吸收電纜上的充電功率，并在海底電纜兩端適當添加高抗補償裝置，不僅能降低登陸點端電壓，而且能起到減小風電場的出力下限的作用，提高海上風電場參與電網調節的能力。

[1] 姚偉,程時杰,等.直流輸電技術在海上風電場并網中的應用[J].中國電力,2007,40(10): 70-74.

[2] 劉林,葛旭波,等.我國海上風電發展現狀及分析[J].能源技術經濟,2012,24(3): 66-71.

[3] 王景全,程建生,李峰.論我國海上風電場建設重大工程問題[J].中國工程科學,2010,12(11): 4-9.

[4] 楊方,張義斌,等.德國海上風電VSC-HVDC 技術分析[J].電網與清潔能源,2012,28(10): 63-68.

[5] 胡兆慶,毛承熊,等.一種輕型的直流輸電技術- HVDC Light[J].電工技術學報,2005,20(7): 12-16.

[6] 王裕霜.國內外海底電纜輸電工程綜述[J].南方電網技術,2012,6(2): 26-30.

[7] 陳政,康義,等.廣東—海南500kV 交流跨海聯網工程無功補償及電磁暫態研究[J].電網技術,2009,33(19): 143-147.

[8] 王曉彤,林集明,等.廣東—海南500 kV 海底電纜輸電系統電磁暫態研究[J].電網技術,2009,32(12): 6-11.

[9] 徐乾耀,康重慶,等.海上風電出力特性及其消納問題探討[J].電力系統自動化,2011,35(22): 54-59.

[10] SORENSEN P,CUTULULIS N A,VIGUERAS- RODTIGUEZ A.et al.Power fluctuations from large wind farms[J].IEEE Trans on Power Systems,2007,22(3): 958-965.

[11] STOUTENBURG E D,JENKINS N,JACOBSON M Z.Power output variations of co-located offshore wind turbines and wave energy converters in California[J].Renewable Energy,2010,35(12): 2781-2791.

[12] 黃輝,鄭明,等.海上風電場海底高壓電纜電磁暫態過程[J].電網與清潔能源,2012,28(11): 72-76.

[13] 查國強,袁越,等.考慮海底電纜充電功率的風電場無功補償[J].電網與清潔能源,2013,29(2): 54- 60.

[14] 吳俊玲,周雙喜,等.并網風力發電場的最大注入功率分析[J].電網技術,2004,28(20): 28-32.