電網電壓跌落對海上風電系統無功補償的影響分析

陳 瀾，楊 蘋，周少雄，王 燦，尹 旭

（1.中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院，廣州 510663；2.華南理工大學 廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣州 510640；3.華南理工大學 風電控制與并網技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510641）

0 引言

隨著我國風電并網容量的不斷增大，大型風電場接入電網時會對電力系統造成很大的沖擊，影響電力系統的安全穩定運行。因此，我國對風電場接入電力系統的安全導則提出新的規范，對風電機組也提出更加嚴格的運行要求［1-3］。2012年6月實施的新國標GB／T19963—2011《風電場接入電力系統技術規定》對風電場的動態無功支撐能力提出明確要求：當風電場并網點電壓處于標稱電壓的20%～90%時，風電場應能夠通過注入無功電流支撐電壓恢復；自并網點電壓跌落出現的時刻起，動態無功電流控制的響應時間不大于75ms，持續時間應不少于550ms。風電場注入電力系統的動態無功電流IT≥1.5×（0.9-UT）IN，0.2≤UT≤0.9（UT為風電場并網點電壓標幺值；IN為風電場額定電流）。

根據新的國家標準，在并網點電壓跌落時要求風電系統有快速的動態響應，為此需要配備能夠快速響應的無功補償裝置——靜止無功發生器（SVG）。SVG的容量需要根據電網電壓跌落的幅值和風電場的運行工況來確定。海上風力場的無功補償方案一旦確定，往往因為其特殊的海上應用環境而難以擴展，如果留有太多的余量則投資太大。因此，在設計其無功補償方案時需要全面考慮影響補償效果和補償容量的相關因素，選擇性價比最高的方案。

在電網電壓跌落情況下，為保證海上風電系統能夠快速提供動態無功支撐，應先分析電網電壓跌落對風電系統無功分布的影響。近幾年來，國內外相關學者對這一問題進行了積極的探討和研究，文獻［4］在考慮風速和負荷變化情況的前提下改變電網電壓值，應用遺傳算法確定了并網點無功補償容量的大小；文獻［5］分別分析了異步、雙饋和永磁三種類型風力發電機所組成的風電場的實際并網電壓和無功補償容量的關系，通過仿真發現，從外部吸收的無功功率的大小隨著并網點電壓的升高而逐漸減小；文獻［6］提出在電網電壓發生跌落時，以跌落前的穩態電壓為控制目標，動態調節風電場輸出的無功功率，改善了接入地區的電壓穩定性。不過，以上論文都是針對陸上風電場展開的。

本文將基于海上風電系統的典型拓撲，建立適用于無功補償的海上風電系統模型，據此分析在電網電壓跌落時，風電場有功功率、無功功率以及電網電壓跌落幅值對海上風電系統無功補償的影響，為海上風電系統的無功補償方案設計提供參考依據，為海上風電系統的動態過程控制提供指導。

1 海上風電系統的功率傳輸模型

海上風電系統的無功功率變化主要有兩大因素：風電機組輸出的無功功率發生變化和海底電纜的無功功率分布發生變化。一般電網電壓是穩定的，隨著風速或調度指令的改變，海上風電機組輸出的有功功率和無功功率隨之發生變化，從而影響整個風電場的無功功率分布。另一方面，海底電纜在海上風電系統空載運行和額定功率運行時的無功功率分布會也發生很大變化。由此可見：在進行海上風電場無功補償方案設計時，需要建立海上風電系統的有功功率和無功功率傳輸模型。

海上風電系統主要包括海上風電機組、海上升壓站以及海底電纜3個模塊，海上風電系統的功率傳輸模型就由是這3個模塊的功率傳輸模型組成。

1.1 海上風電機組的功率傳輸模型

由于海上風電機組的并網電壓由電網決定，當電網電壓穩定時，隨著風速或調度指令的改變，海上風電機組輸出的有功功率和無功功率隨之發生變化，海上風電機組的輸出電流也跟隨功率的變化而改變。因此，可以將海上風電機組等效為一個電流可控的恒壓功率源［4］。

考慮到每臺海上風電機組連接到集電系統的線路損耗很低，因此，等值風電機組的容量等于每臺風力發電機的容量之和［7-8］。在進行動態仿真的過程中，把每臺等值風電機組作為PQ節點，則等值風電機組的容量S為：

式中：i，j表示風電機組在風電場內的位置，其中i為海上風電場單鏈支路編號，j為所在單鏈支路風電機組編號；M 為所在鏈路風電機組數；N 為單鏈支路數；P′i，j、Q′i，j表示經過箱式變壓器損耗后的有功功率和無功功率。

1.2 海上升壓站功率傳輸模型

海上升壓站的模型為變壓器模型，其模型的計算公式為：

式中：Pi，j、Qi，j分別表示編號為i，j等值風電機組的有功和無功功率；Ri、Xi分別表示編號為i變壓器的電阻和電抗；Uit為第i臺變壓器的額定電壓。

1.3 海底電纜功率傳輸模型

由于海上風電場逐漸由近海區域往深海區域發展，考慮到深海區域風電場需要的海底電纜較長，因此長距離均勻傳輸線的模型可用于海底電纜的功率傳輸模型具體如下。

針對長距離海底輸電電纜，由于其電纜分布參數中的有功損耗相對電容值較小，即g0=0和r0=0。因此，長距離的海底輸電電纜可以近似等效為無損耗線。

對 于 無 損 耗 輸 電 線˙A=˙D=cosαl，˙B=jZcsinαl，線路兩端的功率表達式為：

當兩端電壓給定時，圓心的坐標和半徑的長度都只是線路長度的函數。兩圓的半徑相等，圓心落在虛軸上。其傳輸特性如圖1所示。不同長度線路的功率圓圖各有其特點。

圖1 無線損的功率圓圖

2 電網電壓跌落時海上風電系統的動態分析

2.1 海上風電場動態分析

目前，在電網電壓跌落時，海上風電場的控制或保護裝置會保證系統工作在安全工作狀態。由于海上風電機組不同的變流器廠家所采用的低電壓穿越方案不一樣，因此，目前針對電網電壓跌落時海上風電場的輸出功率無具體標準要求。

但從整體來說，目前一般的做法是：風電場在電網電壓跌落后，控制系統啟動Crowbar保護電路，保證變流器系統的電流不超過額定值，以避免損壞風電系統。此時海上風電機組有功功率輸出量決定于變流器的功能；最后風電機組通過收槳以限制功率輸出。在保證海上風電系統安全工作的前提下，極端工況是風電場的風速超過額定風速時發生電網電壓跌落，此時海上風電系統按照額定電流繼續輸出有功功率，而不輸出任何無功電流。

根據《風電場接入電力系統技術規定》對電網電壓跌落后，由風電場注入電力系統的動態無功電流的計算公式可以得到。此時注入系統的無功功率要求為：

對式（4）右邊求最大值可知：當系統在UT=0.45時，系統所需的無功功率最大為：ST≥0.303 75SN。

因此，當電網電壓跌落到額定值的0.45時，風電場以0.45倍的額定視在功率大小的有功功率輸出，在并網點需要無功補償裝置的容量最大。這種情況對于海上風電系統來說是最為嚴峻的。

2.2 升壓站動態分析

當電網電壓跌落時，風電場的動態控制保證了系統穩定且安全輸出功率，而海上升壓站在設計時考慮了系統以額定功率輸出時的容量，而且系統的安全功率小于系統的額定功率。基于以上的考慮，變壓器的功率傳輸特性還可以按照式（2）進行。

2.3 海底電纜動態功率傳輸特性分析

目前，海上風電場的海上傳輸線一般都在40km以內，因此線路較短，式（3）中的分母可以化為：

上式即為線路的總電抗。

根據公式（3）可得，當電網電壓降低時，U1、U2的值都降低，因此傳輸的有功功率、無功功率的能力也隨之降低。根據圖1可知，此時功率圓的半徑縮小。

3 仿真分析

采用PSCAD軟件為仿真工具，以廣東省目前正設計的某海上風電系統為例，來驗證本文設計的正確性。該風電場由66臺額定功率為3MW，最小功率因數為0.95的雙饋風電機組組成。

3.1 電網電壓跌落幅值對并網點無功補償容量的影響

假設海上風電場輸入海上風電系統的視在功率不變，即調度給風機的有功功率和無功功率的指令信號為0的前提下，系統的電壓標幺值從1，逐漸減少0.1的方式降落。

電網電壓跌落不同幅值時，無功補償前后的系統的波形圖如圖2所示。從圖2可以看出，當不加入無功補償裝置時，

圖2 電網電壓跌落不同幅值時無功補償前后波形

系統隨著電網電壓的降落，其注入電網的無功功率Q92逐漸減少，而系統調度要求的無功功率形狀為拋物線。當加入無功補償裝置后，無功補償的Qrpc2波形走勢與調度無功功率Qz基本上一致。

經過無功補償后，海上風電系統注入系統的無功功率Q92能夠完全跟隨調度Qz的要求。

3.2 電網電壓跌落條件下有功功率對并網點無功補償容量的影響

設定調度給海上風電場的無功功率為0，電網的電壓降為0.45，系統輸入的有功功率從0逐漸上升為198MW，則系統在無功補償前后的波形如圖3所示。

圖3 電網電壓跌落到0.45時有功功率對無功補償的影響波形圖

從圖3可以看出，當不加無功補償裝置時，風電場在電網電壓跌落時，系統隨著注入有功功率的增加，其并網點輸出的容性無功功率逐漸減少。當加入無功補償裝置后，系統所需要的容性無功功率Qrcp2逐漸增加，海上風電系統注入系統的無功功率Q92能夠完全跟隨調度Qz的要求。

3.3 電網電壓跌落條件下無功功率對并網點無功補償容量的影響

設定調度給海上風電場的有功功率為0，電網的電壓降為0.45，系統輸入的無功功率從0到最大值，即65.08Mvar，則系統在無功補償前后的波形如圖4所示。

圖4 電網電壓跌落到0.45時無功功率對無功補償的影響波形圖

從圖4可以看出，當不加無功補償裝置時，風電場在電網電壓跌落時，系統隨著注入的無功功率的增加，其并網點輸出的容性無功功率也會逐漸增大。當加入無功補償裝置后，系統所需要的容性無功功率Qrcp2將會逐漸減少，海上風電系統注入系統的無功功率Q92能夠完全跟隨調度Qz的要求。

4 結語

針對電網電壓跌落時海上風電系統無功補償容量的需求分析問題，本文基于海上風電系統的典型拓撲，建立了包含海上風電機組、海上升壓站、海底電纜的海上風電系統的功率傳輸模型。在此基礎上，對電網電壓跌落時海上風電系統的動態功率傳輸特性進行詳細分析。對某實際海上風電系統的仿真計算結果表明：電網電壓跌落的幅值、電網電壓跌落時風電場輸出的有功功率、無功功率對海上風電系統的無功補償容量有著重要影響，并因此而影響海上風電系統的動態過程控制。當加入無功補償裝置后，海上風電系統注入系統的無功功率能夠完全跟隨調度的要求，可以為海上風電系統的無功補償方案設計提供參考依據，為海上風電系統的動態過程控制提供指導。

［1］ 關宏亮，趙海翔，王偉勝.風電機組低電壓穿越功能及其應用［J］.電工技術學報，2007，22（10）：173-177.

［2］ 范高鋒，趙海翔.大規模風電對電力系統的影響和應對策略［J］.電網與清潔能源，2008，24（1）：44-47.

［3］ 張興，張龍云，楊淑英，等.風力發電低電壓穿越技術綜述［J］.電力系統及其自動化學報，2008，20（2）：1-8.

［4］ 陳樹勇，申洪，張洋，等.基于遺傳算法的風電場無功補償容量及控制方法的研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（8）：1-6.

［5］ 張永武，孫愛民，張源超，等.風電場無功補償容量配置及優化運行［J］.電力系統及其自動化學報，2012，23（6）：150-156.

［6］ Kabouris J，Vournas C D.Application of interruptible contracts to increase wind-power penetration in congested areas［J］.Power Systems，IEEE Transactions on，2004，19（3）：1642-1649.

［7］ 王偉勝，申洪.電力系統潮流計算中風電場節點的考慮方法［J］.華北電力大學學報，2002；29（5）：150-153.

［8］ 王海超，周雙喜，魯宗相，等.含風電場的電力系統潮流計算的聯合迭代方法及應用［J］.電網技術，2005，29（18）：59-62.