基于海纜的海上風電場無功補償技術研究

張 起，朱連勇

(國網葫蘆島興城供電分公司，遼寧 興城 125100)

基于海纜的海上風電場無功補償技術研究

張 起，朱連勇

(國網葫蘆島興城供電分公司，遼寧 興城 125100)

針對海上風電場中長距離海底電纜的充電效應，風電場無功功率波動時易引起母線電壓較大波動的問題，結合風電機組變流器和本地無功補償設備實現風電場的無功補償。基于海上風電場無功補償控制方案，對比分析了不同規模、不同傳輸距離海上風電場采用兩端補償和單端補償兩種方案時海纜導體損耗情況，即風電場出力曲線。最后在Matlab/Simulink環境下建立相應的仿真模型，仿真結果表明：該無功補償控制方案能夠在風電場功率波動時降低海纜導體損耗的同時快速穩定并網點電壓，大大提高了系統的無功補償能力，驗證了該方案的有效性。

海上風電場；海纜；充電效應；無功補償

考慮到實際運行中的風況實時變化引起發電機組的輸出功率和運行狀態不斷改變，進而影響風電場的穩定運行和輸出電能質量，風電場系統運行的特殊性使得對風電場進行無功補償具有重要意義[1-2]。

合理配置風電場的無功補償容量是高效、穩定提升系統安全運行的前提。補償容量不足時無法補償系統的無功缺額，無功損耗吸收系統部分無功功率進而拉低風電場系統電壓；補償容量過多降低設備利用率和系統有功損耗，同時也會使風電場系統電壓高于正常值。目前，針對風電場無功補償技術進行了大量的研究，文獻[3-4]計及容性和感性無功進行配置無功補償容量，但是未考慮兩者之間容量的合理配置，文獻[5]盡管考慮到匯集線路的充電無功功率和主變壓器部分無功補償容量，但是都缺少對箱式變壓器的闡述。目前相關研究對所需補償無功的定性、定量分析以及實現方法不夠深入和詳細，針對上述問題，結合風電場具體情況和設計規程，實現無功功率補償容量的合理配置。

1 海上風電場無功損耗分析

風電場的無功損耗主要來源于變壓器和集電系統。風電場的變壓器將集電系統輸入的電能升壓后通過一定電壓等級的交流母線送出，變壓器的無功損耗主要來源于空載無功損耗和負載無功消耗。變壓器的無功損耗可表示為

(1)

式中：ΔQT為變壓器總無功損耗；ΔQ0為空載無功損耗；ΔQS為負載無功消耗；SN為變壓器額定容量；S為負載視在功率；US%為短路電壓百分比；I0%為空載電流百分比。風電場通過集電系統匯集電能，其消耗的無功功率主要體現在線路等值電抗和對地電容消耗的無功。集電系統的無功損耗可表示為

(2)

式中：ΔQX為集電系統總無功損耗；ΔQL為感性無功損耗；ΔQB為對地電容充電功率；P1為線路有功功率；Q1為線路無功功率；U1為線路首端電壓；U2為末端電壓；X為等值電抗；B為電容。

考慮到風電場中不同類型機組的無功補償能力有所區別，對所需的無功補償的容量合理配置需認真考慮[6-10]。恒速恒頻異步機組通過并聯電容器于發電機定子側，可以補償一定的無功缺額；變速恒頻雙饋異步電機，通過轉子側變流器控制輸出電壓的幅值和頻率實現輸出功率的控制，過低的富余容量無法實現無功功率的全工況補償；直驅永磁同步機組采用全功率變流器無需外接無功補償裝置即可實現全工況下的無功補償。

2 海上風電場的電壓—無功特性研究

2.1電壓靜態穩定指標

2.2無功整定研究

海上風電場的無功功率需求量的整定在計算電壓偏差基礎上通過PI環節實現，該電壓偏差通過遠端控制點電壓與系統穩定時的參考電壓的差值獲得，再經過無功功率整定環節實現系統控制點的無功平衡和電壓穩定。但是系統控制點一般位于遠端升壓站的高壓側，而高壓側的參數電量無法直接測量，需要通過換算獲得。折算獲得的遠端控制點電壓表示為

(3)

圖1 無功功率控制環節

為了防止功率的頻繁波動和補償設備的頻繁動作，設置一定范圍的死區。電壓偏差ΔU作為輸入量經過控制模塊獲得無功補償量ΔQ，獲得的無功補償量可表示為

(4)

式中：K1和K2為電網無功特性相關定值，進而得到參考無功功率Qref整定值與控制點的無功功率Qw的關系：

Qref=ΔQ+Qw

(5)

考慮到風電機組和補償設備的功率限額，無功功率參考值Qref存在一定的約束條件，表示為

(6)

式中：Pw為高壓側控制點的有功功率；λL為系統限定的低功率因數；λH為系統限定的高功率因數。

2.3海上風電場單機組無功整定分析

變速恒頻風電機組能實現有功功率和無功功率全工況下的獨立調節，而風電場的其他類型機組的無功輸出依據系統無功分配層整定值確定，通過控制無功補償設備的無功輸出實現風電場內的無功優化配置。

a. 基于無功容量比例分配

依據無功容量比例分配的無功補償量不隨運行方式的變化而變化，只受限于系統無功容量。在風電場的總無功容量滿足系統無功需求時，單臺機組都會依據比例分配所需的無功補償量。

b. 基于單臺機組損耗最小原則分配

依據風電場中單臺機組損耗最小的無功功率控制目標對系統輸出的無功功率進行控制，計算出不同機組的無功需求值發送到無功分配層，確定單臺機組的無功輸出值。以雙饋式風電機組為例，考慮到無功需求與系統輸出無功的匹配存在兩種情況。

①當雙饋式風機變流器輸出的無功功率能夠滿足系統無功需求時，無需添加外部補償設備，單臺機組損耗公式如下：

(7)

式中：n為風電場機組數量，a、b、c為無功分配系數。

②當風電機組和變流器輸出總無功大于系統無功需求上限時，系統無功分配如下：

(8)

式中：Qrefw為風電機組和變流器輸出的總無功上限；Qxmax為單臺機組輸出無功上限；QSVG為無功補償設備SVG輸出的無功功率。但是當風電機組和變流器輸出的總無功小于系統無功需求的上限時，基于上限無功輸出。

3 海底電纜電容效應和無功補償分析

導線與大地的分布電容產生容升效應使得末端電壓高于首端電壓，而且海底電纜相對架空線路這種容升效應尤為明顯，相應的簡化等效模型如圖2所示。

圖2 輸電線路簡化等效模型

3.1海底電纜容升系數分析

a. 海底電纜空載運行時容升系數

(9)

b. 海底電纜單端補償時容升系數

(10)

(11)

c. 海底電纜兩端補償時容升系數

在海纜出線端和登陸點同時并聯等容量的高阻抗無功補償裝置，進而實現兩端補償。各端補償容量為Q/2，補償等效感抗為XL=2U2/Q，得到等效補償感抗也可以表示為

(12)

(13)

3.2海上風電場無功補償算例分析

在Matlab/Simulink仿真軟件中建立如圖3所示的海上風電場簡化模型，主變壓器低壓側通過2臺發電機等效相同容量的風電場，改變發電機的輸出功率實現對風電場出力的調節。

圖3 海上風電場輸電系統等效模型

假定35 kV側無功始終平衡，無功補償裝置STATCOM和并聯電抗器的投切以220 kV的母線無功平衡為控制目標。該模型中風電場的容量擬定為200 MW、300 MW和400 MW，海纜長度選擇20 km、30 km、40 km和50 km 4種。依據不同容量、不同傳輸距離的海上風電場在不同出力情況下的海纜輸出電流值，再計算出導體損耗值，最后繪制出基于海纜導體損耗的風電場出力曲線，如圖4所示。

仿真結果表明：風電場出力水平較低時兩端補償時海纜導體的損耗低，風電場出力水平較高時路上單端補償時損耗低。兩種補償方式在一定容量時損耗相等，該容量對應海纜損耗最小時風電場輸出的臨界容量。風電場出力小于臨界容量時，兩端補償效果更佳，反之路上單端補償更好。相同規模風電場，傳輸距離越長臨界容量越大。當風電場出力提高時，電容電流對系統電壓穩定的影響逐步減小，在滿載時海纜損耗與長度接近線性關系。

驗證了相應風電場輸出功率選擇合適的無功補償方案有效地降低了海纜導體損耗，在此基礎上擬定風電場輸出功率在兩種補償方式下海纜導體損耗相當的功率范圍內，驗證在無功功率的波動下單端補償和兩端補償方式的PCC點處的電壓穩定效果，對應的無功功率和PCC點處電壓波形如圖5所示。波形結果表明：在系統無功功率具有相同的波動時，采用兩端補償時PCC點處電壓基本穩定在額定值水平，但是單端補償時PCC點處電壓穩定在額定值的1.02倍，使得系統電壓偏高，說明兩端補償相對于單端補償更能抑制海纜的充電效應對電壓抬升的影響。

(a)200MW風電場

(b)300MW風電場

(c)400MW風電場圖4 海纜導體損耗—風電場出力曲線關系圖

4 結論

針對海上風電場系統電壓與無功功率的特性，分析了變壓器和集電系統無功功率損耗，考慮到風電場長距離海底電纜的電容充電效應，提出了基于海纜導體損耗最小的陸上單端補償和兩端補償的風電場無功補償方案。仿真結果表明：依據海上風電場輸出容量選擇單端補償或者兩端補償的無功補償方案，在降低海纜導體損耗的同時對系統電壓穩定具有積極作用。

(a)單端補償

(b)兩端補償圖5 風電場的輸出功率與系統電壓波形

[1] 李春曦，王 佳，葉學民，等．我國新能源發展現狀及前景[J]．電力科學與工程，2012，28(4)：1-8.

[2] Chou C, Wu Y K, Han G Y, et al. Comparative evaluation of the HVDC and HVAC links integrated in a large offshore wind farm-an actual case study in Taiwan[C].Industry Applications Society Annual Meeting (IAS), IEEE, 2011: 1-8.

[3] 查國強，袁 越．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．

[4] 郭 敏．風電場機端無功補償的探討[J]．內蒙古電力技術，2006，24(3)：15-18．

[5] 陳惠粉，喬 穎，魯宗相．風電場群的無功電壓協調控制策略[J]．電力系統自動化，2010，24(18)：87-94．

[6] 郎永強，張學廣，徐殿國．雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略[J]．中國電機工程學報，2007，27(9)：77-82．

[7] 王成福，梁 軍，張 利，等．基于靜止同步補償器的風電場無功電壓控制策略[J]．中國電機工程學報，2010，30(25)：23-30．

[8] 米增強，蘇勛文，楊奇遜，等．風電場動態等值模型的多機表征方法[J]．電工技術學報，2010，25(5)：162-169．

[9] Xian ZHONG, Yanfang FAN, et al. Study on LVRT Coordinate Control Strategy of DFIG when Considering Non-rotor Side Crowbar Protection [J].Journal of Computational Information Systems, 2015, 11(18): 6 747-6 757.

[10] 鐘 顯， 樊艷芳， 王一波． 雙饋集群匯集站主變及送出線路繼電保護研究[J].電力系統保護與控制， 2016， 44(5)： 47-54．

Research on Reactive Power Compensation Technology of Offshore Wind Farm Based on Sea Cable

ZHANG Qi，ZHU Lianyong

(State Grid Huludao Power Supply Company,Xingcheng, Liaoning 125100, China)

Aiming at charging effect of the long distance submarine cable in the offshore wind farm, the fluctuated reactive power of the wind farm caused the fluctuation of the bus voltage easily.Then the reactive power of the wind farm is realized by combining the wind turbine converter and the local reactive power compensation equipment. The loss of sea cable conductor of different scale and transmission distance offshore wind farm were comparatively analyzed between the two-stage compensation and single-stage compensation, which was based on reactive power compensation control scheme of offshore wind farm. Finally, the simulation model is established in the Matlab/Simulink environment. The simulation results show that: the reactive power compensation scheme proposed in this paper can not only reduce the loss of the cable conductor but also keep the system voltage stably, as well as improving the reactive power compensation capability of the system while the wind power fluctuating, which verified the effectiveness of the scheme.

offshore wind farm;sea cable;charging effect;reactive power compensation

TM614

A

1004-7913(2017)09-0033-05

張 起(1990)，男，碩士，研究方向為電力系統運行與控制技術。

2017-05-10)