海上風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)無功電壓的影響分析

摘要：該文介紹某個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)規(guī)模和基本情況，建模仿真分析高峰負(fù)荷和低谷負(fù)荷時(shí)段，隨著風(fēng)電場(chǎng)出力增加，海上風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)的電壓影響，充分利用海底電纜容性無功支撐風(fēng)電場(chǎng)的電壓，并根據(jù)無功平衡的原則和電壓調(diào)節(jié)需求配置無功補(bǔ)償裝置，并進(jìn)一步分析海上風(fēng)電接入電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（PCC）的電壓偏差是否合理，建議運(yùn)行時(shí)以SVG的無功調(diào)節(jié)能力作為主要的補(bǔ)償方式。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電? 海底電纜? 電壓調(diào)節(jié)? 無功電壓? 無功補(bǔ)償? 電壓偏差

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2021）11（a）-0000-00

Influence of Offshore Wind Power Connection on Reactive Power and Voltage of Power Grid

ZHONG Caihui

（Zhongshan Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Zhongshan， Guangdong? Province， 528400 China）

Abstract： This paper introduces the construction scale and basic situation of an offshore wind farm， analyzes the peak load and low load periods by modeling and simulation， the voltage impact of offshore wind power access on the power grid with the increase of wind farm output， makes full use of submarine cable capacitive reactive power to support the voltage of the wind farm， and configures reactive power compensation devices according to the principle of reactive power balance and voltage regulation requirements， It is further analyzed whether the voltage deviation of the public connection point （PCC） of offshore wind power connected to the power grid is reasonable. It is suggested that the reactive power regulation capacity of SVG should be taken as the main compensation mode during operation.

Key Words： Offshore wind power; Submarine cable; Voltage regulation; Reactive voltage; Reactive power compensation; Voltage deviation

能源是人類社會(huì)發(fā)展的重要因素，在降低溫室氣體二氧化碳排放已經(jīng)成為全球共識(shí)的情況下，作為清潔能源的風(fēng)能是各國(guó)開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一[1]。海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在歐洲已發(fā)展了近30年，目前已成為歐洲最主要的可再生能源發(fā)電形式之一，在未來可再生能源的規(guī)劃中占有非常重要的地位[2]。我國(guó)政府已承諾力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。廣東省強(qiáng)調(diào)要積極發(fā)展海上風(fēng)電，同時(shí)需要加快速度建設(shè)開發(fā)近海風(fēng)電場(chǎng)，逐步把海上風(fēng)電發(fā)展成規(guī)模化，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。而近水深海風(fēng)電作為新能源的重要組成部分，將強(qiáng)有力地支撐當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，同時(shí)起到調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的比例，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式，推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)穩(wěn)步較快發(fā)展起到十分重要的意義。

1研究對(duì)象基本情況

近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展與進(jìn)步，但仍存在許多問題有待進(jìn)一步研究和探討[4]。風(fēng)能存在的間歇性和不確定性等問題，也使得高滲透率的入網(wǎng)風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)帶來的沖擊越來越大[5]。由于DIgSILENT/PowerFactory軟件具備非常優(yōu)秀的功能與特性，因此使用DIgSILENT/PowerFactory軟件研究發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)測(cè)試問題擁有一定的優(yōu)勢(shì)[6]。該近海深水風(fēng)電項(xiàng)目規(guī)劃場(chǎng)址東側(cè)中部區(qū)域內(nèi)，場(chǎng)址涉海面積約81.03 km2，風(fēng)機(jī)外圍包絡(luò)海域面積約73.69 km2，水深范圍41 m～46 m，場(chǎng)址離岸最近距離約55 km。該風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃裝機(jī)容量500 MW，年上網(wǎng)電量為1 538 GWh，年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為3 056 h，計(jì)劃于2021年底投產(chǎn)完畢。該風(fēng)電場(chǎng)主要由風(fēng)機(jī)、海上升壓站、陸上升壓站、送出海纜和集電海纜等部分組成，升壓到500 kV后接入電網(wǎng)。

2研究方法簡(jiǎn)述

由于DIgSILENT/PowerFactory軟件具備非常優(yōu)秀的功能與特性，因此使用DIgSILENT/PowerFactory軟件研究發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)測(cè)試問題擁有一定的優(yōu)勢(shì)[5]。詳細(xì)比較了BPA和DIgSILENT兩種商業(yè)軟件中的機(jī)電暫態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的模型匹配[6]。該項(xiàng)目提取南網(wǎng)BPA數(shù)據(jù)庫(kù)中元件參數(shù)和采用電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，風(fēng)電場(chǎng)模型以委托方提供的風(fēng)電場(chǎng)資料為依據(jù)，采用電力系統(tǒng)電磁機(jī)電暫態(tài)混合仿真程序（DIgSILENT PowerFactory 15.1）對(duì)電壓無功計(jì)算仿真，在DIgSILENT PowerFactory中研究搭建電網(wǎng)等值網(wǎng)絡(luò)和風(fēng)電場(chǎng)等值網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式。分析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后的無功/電壓分析，研究風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓水平的影響;提出合理的風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償推薦方案及電壓調(diào)節(jié)方案。

3研究?jī)?nèi)容

參考《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》的各電壓層級(jí)的電壓允許偏差限值分析本風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同電壓層級(jí)母線電壓水平[7]。

500 kV送出線路加裝高抗后，首先假定風(fēng)電場(chǎng)未安裝無功補(bǔ)償設(shè)備。高峰負(fù)荷時(shí)段時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)220 kV、500 kV節(jié)風(fēng)電場(chǎng)約240～500 MW出力時(shí)220 kV電壓越下限1 pu。低谷負(fù)荷時(shí)段時(shí)，隨著風(fēng)電場(chǎng)出力增加，35 kV、220 kV風(fēng)電場(chǎng)出力增加，風(fēng)電場(chǎng)35 kV、220 kV、500 kV節(jié)點(diǎn)和PCC節(jié)點(diǎn)電壓均在允許范圍內(nèi)。

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率調(diào)節(jié)及電壓控制能力。根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令，風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)其發(fā)出（或吸收）的無功功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的要求[8]。假定在風(fēng)電場(chǎng)陸上升壓站安裝200 Mvar容性容量的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，且該裝置以風(fēng)電場(chǎng)升壓站500 kV母線節(jié)點(diǎn)與風(fēng)電場(chǎng)維持在0 Mvar無功交換作為控制目標(biāo)，PCC節(jié)點(diǎn)和風(fēng)電場(chǎng)母線電壓、風(fēng)電送出線上無功潮流的變化曲線如圖1所示。

根據(jù)圖1可以看出，高峰負(fù)荷時(shí)段下，在風(fēng)電場(chǎng)投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置后，對(duì)PCC節(jié)點(diǎn)電壓影響較小，其中風(fēng)電升壓站因安裝SVG無功補(bǔ)償裝置，隨著該風(fēng)電出力的增加，風(fēng)電場(chǎng)升壓站500 kV母線節(jié)點(diǎn)與風(fēng)電場(chǎng)無功交換始終維持在0Mvar，PCC節(jié)點(diǎn)電壓偏差值為0.002 pu，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各母線節(jié)點(diǎn)均在允許值范圍內(nèi)且最大偏差幅度為0.063 pu。同理可得，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)安裝不少于150 Mvar的感性無功補(bǔ)償裝置，才能夠確保風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓不受風(fēng)電出力的變化而產(chǎn)生偏差。

考慮地區(qū)電網(wǎng)的無功就地平衡和分層分區(qū)平衡的原則，以及高峰負(fù)荷和低谷負(fù)荷時(shí)段的調(diào)壓需求，該風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目需要在升壓站內(nèi)安裝200 Mvar容性無功補(bǔ)償設(shè)備和150 Mvar感性容量的無功設(shè)備，才能避免電網(wǎng)給風(fēng)電場(chǎng)下送無功潮流，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG可滿足本項(xiàng)目無功調(diào)節(jié)和調(diào)壓的需求。根據(jù)以上分析，在風(fēng)電場(chǎng)陸上升壓站內(nèi)配置3套±70 MVar的SVG，每套無功補(bǔ)償范圍為-70～+70 Mvar，運(yùn)行時(shí)以SVG的無功調(diào)節(jié)能力作為主要的補(bǔ)償方式。

3結(jié)語(yǔ)

我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量較豐富，隨著能源供給側(cè)改革的不斷深入，清潔能源的開發(fā)成為能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，但是風(fēng)電出力的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性產(chǎn)生電網(wǎng)運(yùn)行電壓偏差等問題，考慮地區(qū)電網(wǎng)的就地平衡和無功分層分區(qū)平衡的原則，以及高峰負(fù)荷和低谷負(fù)荷時(shí)段的調(diào)壓需求，在風(fēng)電場(chǎng)陸上升壓站內(nèi)配置3套±70 MVar的SVG，每套無功補(bǔ)償范圍為-70～+70 Mvar，運(yùn)行時(shí)以SVG的無功調(diào)節(jié)能力作為主要的補(bǔ)償方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳昊天.基于永磁風(fēng)機(jī)并網(wǎng)技術(shù)的微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行研究[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2021.

[2] 楊光亞.歐洲海上風(fēng)電工程實(shí)踐回顧及未來技術(shù)展望[J/OL].電力系統(tǒng)自動(dòng)化：1-10[2021-11-02].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210928.1608.009.html.

[3] 楊帆，張晶杰.碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下我國(guó)電力行業(yè)低碳發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].環(huán)境保護(hù)，2021，49（Z2）：9-14.

[4] 周飛航.永磁同步風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)振動(dòng)抑制及魯棒控制研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2020.

[5] 于澤洋.基于DIgSILENT軟件的雙饋風(fēng)電場(chǎng)等值建模研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2019.

[6] 刁哲偉.基于DIgSILENT的機(jī)組并網(wǎng)測(cè)試仿真及策略研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2018.

[7] 中華人民共和國(guó)能源部.電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則（試行）：SD 325-1989[S].中國(guó)電力出版社，1989.

[8] 王偉勝，遲永寧，張占奎，等.GB/T 19963-2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》解讀（英文）[J].China Standardization，2016（2）：86-89.

作者簡(jiǎn)介：鐘才惠（1987—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏σ?guī)劃和設(shè)計(jì)。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2111-5042-1842