交流并網海上風電場無功配置原則研究

王 爽，高長征

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

其它

交流并網海上風電場無功配置原則研究

王 爽1，高長征2

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

海上風電具有年利用小時長，同時具備風速穩定、占用土地少等優勢，在我國的發展逐漸受到關注。由于大量使用海底電纜和建設海上升壓站的需要，海上風電場的電氣結構與陸上風電場有所區別，反映在無功特性方面存在明顯差異。海上風電發展較快的國家在并網導則中都提出了海上風電場無功配置要求，而我國尚缺少針對性要求?；谖覈壳昂Ｉ巷L電以交流并網為主的現狀，在總結國內外風電并網的基礎上，計算分析了通過交流線路并網的不同規模海上風電場的無功特性，提出了相應的無功配置原則，可為我國海上風電場的并網設計提供參考和借鑒，促進海上風電場和電網的協調發展。

海上風電；并網；高壓交流；無功補償

近年來，全球風電發展迅速，陸上風電裝機容量不斷增加，海上風電的發展逐漸受到關注。海上風能資源豐富、年利用小時長，同時具備風速穩定、占用土地少等優勢。截止2014年，歐洲并網的海上風電場裝機總量為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劃建設一批規模較大的海上風電場項目，隨著并網規模的增加，海上風電對電網穩定運行的影響同樣值得重視［2］。

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

1 海上風電并網要求

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

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

2 海上風電場交流并網方式

海上風電的并網方式可以分為交流并網和直流并網兩種方式。當海上風電場的規模相對較小且風場離海岸距離較近時，風電機組一般采用交流輸電方式直接接入陸上電網，隨著風電場規模的增大和與海岸距離的增加，利用海上升壓站將風電機組的功率匯集起來升高電壓，通過交流或直流方式經過海底電纜輸送到陸上。通過技術經濟性比較，目前認為規模不超過400 MW，距離陸地不超過50 km的海上風電場推薦采用交流并網方式［12］。據統計，2014年歐洲并網的海上風電場，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風電場采用HVDC技術外，其余并網風電場均采用交流并網方式，而我國目前已建成和在建的海上風電場也均采用交流方式。在現階段，交流并網的風電場仍是海上風電并網的主要方式。

根據風電場容量和布置方式，交流并網主要有以下3種方式。方式1是小型風電場每臺風機直接通過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，該方式輸送的風電場容量不宜超過100 MW。方式2是容量較大的海上風電場，風機經匯集線路匯集至海上升壓平臺，升壓至220 kV，經1回海底電纜接至風電場陸上開關站，并通過陸上開關站出線1回接入電網。方式3是距離較近的幾個海上風電場分別建設海上升壓平臺，將海上風電場風機分別匯集升壓后，采用220 kV海底電纜連接，并且1回出線接至陸上開關站，并通過陸上開關站出線1回接入電網。

3 海上風電場無功特性分析

海上風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成本和設備運維難度限制，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電場存在較大差別，以下分別對不同并網方式的風電場無功特性進行計算分析。

3.1 風電場通過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電場規模相對較小，且與海岸的距離較近。根據海上風機的選址方法，每條35 kV線路上的風機間隔為500 m左右，裝配的海上風機的單機容量主要為3～5 MW。

參照上述條件，建立1座100 MW容量的風電場模型（模型1）。如圖1所示，33臺3 MW風機經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。

圖1 通過35 kV線路接入陸上升壓站的風電場

風電場所用電纜如表1所示。經計算，空載時，35 kV匯集線系統共提供5.4 Mvar的充電功率。風電滿發時，35 kV匯集線系統無功缺失6.4 Mvar，升壓站主變無功損耗為13.5 Mvar，在整個送出系統的損耗占比較大。由于風電滿發時電纜的充電功率基本可以補償匯集線自身的無功損耗，因此風電場內部的損耗可以看做由風機箱變和升壓站主變損耗構成，相當于風電場額定功率的20%左右。

表1 35 kV電纜參數

按照我國現有并網導則，風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。按照目前風機功率因數0.95計算，可提供相當于額定有功33%的無功功率，遠大于匯集線損耗的無功。

3.2 單個風電場通過海上升壓站并網

計算模型2如圖2所示，400 MW風電場，通過海上升壓站升壓至220 kV，經高壓電纜連接至陸上開關站。

此種方式下風電場的無功補償需考慮海上集電線系統及升壓站、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的風電場

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補償的方式，也可以采取一側補償的方式，容量應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，在開關站側一側補償，當開關站高壓母線電壓達到1.07 pu時，風電場升壓站及風機端各級母線電壓最高不超過1.075 pu，可以保證穩定運行，因此為了降低海上升壓站建設成本，高壓電纜的補償裝置無需安裝在升壓站側。同時經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站內需要配置的并聯高抗的容量（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安裝并聯電抗器實現。如經計算不需安裝并聯高抗，可根據海上升壓站建設情況在升壓站低壓側安裝30%～50%補償度的電抗器，剩余補償容量安裝在開關站側。

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，線路參數如表2所示。在開關站側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各補償50%可以保證線路空載時并網點A（開關站高壓母線）和海上升壓站220 kV母線B的電壓更為合理，計算結果如表3所示。

表2 220 kV線路參數

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

根據方式1的計算分析和國外導則的建議，海上集電線系統充電功率的補償應通過在升壓站低壓側安裝并聯電抗器實現。

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

3.2.3 開關站送出線路無功補償

按照3.2.1和3.2.2的計算，開關站為補償高壓電纜應配置并聯高抗或低壓電抗器，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，為保證響應速度，該部分無功裝置類型應為SVG。

3.3 多個風電場通過海上升壓站匯集后并網

圖3 通過海上升壓站并網的多座風電場

計算模型3如圖3所示，2座容量200 MW的風電場，經過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絡線，算例中電纜提供35.2 Mvar的充電功率，比方式2在風電場滿發時可以提供更多補償，所以在風電場升壓站側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說明采用均勻補償的方式，并網點A，海上升壓站220 kV母線B、C的電壓更為合理，補償效果明顯優于在開關站單側補償的效果。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盡量均勻布置在各座升壓站內。由于35 kV匯集集線系統以及陸上送出系統沒有變化，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 海上風電場無功配置原則

根據上述計算分析，海上風電場與陸上風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。結合國內外相關并網導則要求，海上風電場的無功配置策略可遵循以下原則。

4.1 風電場通過35 kV線路接入陸上升壓站

a.風電場35 kV匯集系統的感性無功損耗通過調節風機功率因數實現。

b.在陸上升壓站內配置集中無功補償裝置，容性無功容量應滿足風電場滿發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速度的要求，集中補償裝置宜采用SVG。

4.2 經海上升壓站并網的風電場

a.風電場35 kV匯集系統的感性無功損耗通過調節風機功率因數實現。

b.集中無功補償裝置分別配置在海上升壓站和陸上開關站（變電站）。海上升壓站需配置感性補償裝置（低壓電抗器）。當高壓電纜較短時，電抗器容量僅需滿足補償全部35 kV匯集系統充電功率，當高壓電纜較長時，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電纜過電壓計算結果決定，容量應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。

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

5 結束語

本文介紹了國外并網導則對海上風電場無功配置的有關要求，針對交流并網海上風電場的典型方式，計算分析了風電場運行時的無功電壓特性。針對海上風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，提出了海上風電場無功配置原則，可為我國海上風電場的并網設計提供參考。

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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，主要從事電網規劃、電廠接入系統設計、輸變電工程可行性研究工作。

2015－12－10）