大型海上風電場長距離海纜送出的無功補償分析方法

肖凌　胡煜

摘 要：大型海上風電場通過長距離海纜接入電網，由于風電出力的隨機性以及長距離海纜容性充電功率，風電場接入后將會對電網的電壓產生很大影響。文章通過探討一種無功補償裝置容量的計算原則及方法，明確海上風電場無功平衡可分為風電場升壓站及其內部系統與風電場送出海纜兩部分，且均按照功率因數為1進行平衡；高壓電抗器不僅用于送出海纜的無功平衡，同時作為限制工頻過電壓；風電場升壓站內部裝設一定容量的動態無功補償裝置后，具備一定的無功調節能力。最終解決風電場接入后引起的電壓過高、電壓波動等問題。

關鍵詞：海上風電場；海纜；無功補償；電壓；功率因數

1 概述

風電具有很強的隨機性，海上風電機組出力的隨機性及長距離送出海纜容性充電功率對電網的電壓有很大的影響。因此，大型海上風電場接入電網前需采取相應的措施，以保證電網的電能質量滿足國家標準的要求。文章主要探討通過計算出合適的無功補償裝置容量，解決大型海上風電場接入電網后引起的電網電壓波動，并在電網高峰、低谷負荷時段，按電網需要送出或吸收一定容量的無功，起到對電網電壓調節的作用。

2 大型海上風電場概況

近年來，世界許多國家出于對國家能源安全、環境保護和促進社會可持續發展的考慮，紛紛將可再生能源作為能源發展戰略的重要組成部分，在此形勢下，我國近幾年光伏發電、風力發電發展十分迅速[1]。目前，我國已投運的風力發電場中，絕大多數為陸上風電，隨著陸地資源日益緊張，同時海上風力優于陸上且風特性也較穩定，因此海上風電將是未來風力發電的發展方向。大型海上風電場在我國尚屬于新事物，其特點有以下幾點。（1）海上風電場通常采用海上升壓站+陸上集控中心的方式，主變壓器、高低壓配電裝置及動態無功補償裝置等布置在海上升壓站主平臺上，中控室、集控二次屏柜及集控室等布置在陸上集控中心。（2）海上風電場中心升壓站距離海岸較遠，通常采用長距離海纜登陸、再轉由架空線路接入電網。

風電場的風電機組根據控制方式的不同，分為恒速恒頻與變速恒頻發電系統，由于變速恒頻發電系統具有明顯的優越性，目前風電場的風電機組普遍選用變速恒頻風力發電機組。

變速恒頻風力發電系統主要有鼠籠式異步發電機、繞線式異步發電機、雙饋式異步發電機與永磁同步發電機，目前應用較多、有發展前景的為雙饋式異步發電機與永磁同步發電機。2010年我國國家能源局4個海上風電特許權招標項目中，有3個項目計劃采用雙饋式異步發電機，1個項目計劃采用永磁同步發電機。

雙饋式異步發電機與永磁同步發電機在運行過程中具備功率因數設定功能，如功率因數可在±0.95范圍內設定，通常不具備無功功率動態連續調節的能力，未來在配置無功功率動態控制軟硬件設備后，風機將具備功率因數動態連續調節的能力。

3 存在的問題

風電場出力受風速變化的影響、具有很強的不可控性，因此風電場不能被看做電網穩定的電源，其容量也不能作為電網的可用容量。同時由于風電出力的隨機性，其從電網吸收或發出的無功功率也有很大的不確定性，對電網的電壓穩定運行產生不利的影響。目前國標規定了風電場無功補償容量的計算方法[2]，但考慮到大型海上風電場通過長距離海纜送出后，其海纜的容性充電功率非常大，規定中感性無功補償方法采用補償送出線路一半的充電無功功率，此時將會出現仍有大量海纜充電無功注入電網的情況，對電網電壓穩定運行帶來不利的影響。

4 解決辦法

4.1 風電場的無功平衡

為使風電場運行時對電網電壓的影響降低到最小程度，最佳的運行狀態為風電場與電網公共連接點沒有無功功率交換，即風電場送出線路電網側功率因數為1，即Q電網側無功合計=Q風機發出無功+Q充電功率+Q損耗=0，此時風電場風電機組無功出力、海纜的充電功率應與風電場及其送出線路的無功損耗相平衡。與陸上風電相比，大型海上風電場通過長距離高壓海纜登陸后再接入電網，其長距離海纜的容性充電功率較大，同時還將帶來工頻過電壓、操作過電壓等問題。因此海上風電場的無功平衡可分為風電場內部與高壓送出線路兩部分，具體平衡原則如下：（1）通過選擇合適的風機功率因數，使風機無功出力、風電場內部集電海纜充電功率與風機機端升壓變、集電海纜及中心升壓站主變的無功損耗相平衡，即風電場中心升壓站主變高壓側功率因數為1。（2）通過選擇合適容量的高壓并聯電抗器，使高壓海纜的充電功率與高壓并聯電抗器出力、送出線路的無功損耗相平衡，即風電場送出線路電網側功率因數為1。上述無功平衡均可按風電場滿發的運行方式進行計算。

4.2 限制過電壓

大型海上風電場通常離海岸較遠，一般采用長距離高壓海纜送出。2010年我國國家能源局4個海上風電特許權招標項目均采用220kV海纜送出，在海纜登陸后改由架空線路接入電網。由于海上風電場高壓送出海纜的長度較長，海纜充電功率大，當在風電場送出線路電網側發生單相接地、三相斷開或無故障三相斷開的故障方式時，非故障相將會發生過電壓，其中單相接地、三相斷開引起過電壓最為嚴重[3]。解決該問題最好的方法是與前述的無功平衡統籌考慮，即通過加裝高壓并聯電抗器來限制工頻過電壓，高壓并聯電抗器可裝設在風電場中心升壓站送出線路出口側、也可裝設在海纜登陸點等其它位置。

需要注意的是：（1）風電機組在電勢最高時、過電壓最嚴重，故在計算時風電機組功率因數應設定在最低值。（2）由于低谷負荷運行時、電網電壓水平較高，相應的過電壓也更加嚴重，因此計算工頻過電壓應選擇低谷負荷運行方式。（3）由于海上風電場常采用2臺升壓變壓器，因此在工頻過電壓計算中需要計及1臺主變退出運行的方式。

4.3 風電場無功電壓調節能力

國家標準及電網公司要求風電場應具備一定的電壓控制及無功調節能力，當風電場自身不能滿足該要求的情況下，需要通過裝設一定容量的動態無功補償裝置。動態無功補償裝置通常可裝設在風電場中心升壓站主變低壓側母線上，我國東部沿海陸上風電場大多數采用35kV作為場內集電線路的電壓等級，2010年我國國家能源局4個海上風電特許權招標項目也是計劃采用35kV作為機端升壓變、集電海纜的電壓等級。

4.3.1 風機不具備功率因數動態調節能力

根據第3、4節計算出的風機運行功率因數和高壓并聯電抗器容量，為滿足國家標準關于風電場應具備一定的電壓控制及無功調節能力，可按照風電場送出線路電網側功率因數+0.98～-0.98來考慮，即高峰負荷時、電網缺少無功電源，風電場送出線路電網側功率因數可按+0.98來要求，低谷負荷時、電網無功過剩，風電場送出線路電網側功率因數可按-0.98來要求。

4.3.2 風機具備功率因數動態調節能力

風機具備功率因數動態連續調節能力，即風電場已具備一定的電壓控制及無功調節能力，如風機功率因數可在+0.95～-0.95范圍內動態連續調節。為滿足國家標準關于風電場應具備一定的電壓控制及無功調節能力的要求，仍可按照風電場送出線路電網側的功率因數為+0.98～-0.98來考慮。計算中，應首先充分利用風電機組自身具備的無功功率動態調節能力，在不能滿足要求的情況下通過安裝一定容量的動態無功補償裝置來解決。

參考文獻

[1]朱莉，潘文霞，霍志紅，等.風電場并網技術[M].中國電力出版社.

[2]國家標準.GB/T 19963-2011.風電場接入電力系統技術規定[S].

[3]電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊[M].中國電力出版社.

作者簡介：肖凌（1984-），男，工程師，工學學士，主要研究方向：電網規劃、電力系統分析。