ETAP建模下海上風電接入系統無功補償配置研究

朱靜慧

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

在資源緊缺、全球變暖以及環境污染的大環境下發展新能源已是大勢所趨。目前，我國大力發展的新能源中，海上風力發電以環保、年用小時高、儲量大以及永續性等優勢脫穎而出，成為未來風力發電的主要發展方向[1-2]。首先簡介ETAP建模，其次基于ETAP建模研究分析海上風電接入系統的無功補償配置，詳細估算分析無功補償容量，最后得出相應的結論，為我國海上風電的發展提供建議和思考。

1 ETAP建模下的海上風電

1.1 ETAP簡介

ETAP是由美國OTI公司開發的一種用于分析電力電氣和管理電能的軟件，也是一個以智能電網為核心出發點，開發涉及風能和太陽能等相關新能源的智能電網軟件系統[3-5]。

從近幾年的市場占有率來看，ETAP智能電網軟件系統在全世界各個國家都處于核心地位。該系統的主要工作為幫助企業管理能源系統、實時監控數據變化以及對生產計劃提出切實可行的方案等，從而大大提高了企業生產效率和數據記錄的準確性、及時性。

1.2 ETAP仿真模型

根據某海上風電場項目及其接入電網情況建立仿真模型，計算在PCC點電壓波動和風電場出力變化的不同情況下，風電場發出無功和吸收無功的情況，之后計算工程接入電網后各項電能質量指標，并與相關規程中相應的限值進行對比。僅考慮某風電場的接入對系統產生的影響。

ETAP建模下的海上風電系統包括等值電網、送電線路、陸上集控站、海纜、海上升壓站、風力發電機組以及配套設備等功能模塊。本文考慮最嚴重工況,包括全部風機投入運行且按額定出力運行和風電場近區系統處于最小方式運行兩種。

2 無功補償配置研究

2.1 無功補償容量計算

無功補償容量計算需遵守一個公認原則，即遇到靈敏度較大的地方將較多任務的無功補償分配給這個節點，遇到靈敏度較小的地方將任務較少的無功補償分配給這個節點[6-7]。

如果所有風電機組的功率因數都為1.0，即風電機組不參與無功功率調節，那么風電場的無功調節主要依靠額外配置的無功補償裝置實現；如果所有風電機組的功率因數為超前0.95或滯后0.95，那么風電機組優先主動參與無功功率的調節；如果風電場還有無功補償的或缺，那么風電場可使用剩余配置的無功補償裝置對其進行補足處理。

由于從風電場輸送出線路兩側的無功功率范圍極值出現在風電場機組有功出力為零或滿發的情況下，因此可選取風電場機組計算分析以上兩種有功出力的情況。當風電場零出力時，無論是否考慮風電機組的無功調節能力，只要PCC點在同一電壓，則PCC點向風電場發出的無功值都相同。計算PCC點電壓運行于0.97 p.u.和1.07 p.u.，風電機組在不參與無功調節、風電機組功率因數超前0.95以及風電機組功率因數滯后0.95這3種情況下，風電場在零出力和滿發兩種出力水平時風電場送出線路兩側的無功功率范圍。

（1）當所有風電機組工作的功率因數都為1.0，風電機組不參與無功功率的調節，PCC點電壓為1.07 p.u.且風電場零出力時，風電場側發出容性無功最大，為109.5 Mvar。此時，風電場不具備無功調節能力，其無功調節的實現主要依靠額外配置的無功補償裝置。

（2）當所有風電機組工作的功率因數都為1.0，風電機組不參與無功功率的調節，PCC點電壓為0.97 p.u.且風電場滿出力時，風電場側吸收容性無功8.4 Mvar。此時，風電場不具備無功調節能力，其無功調節的實現仍需依靠額外配置的無功補償裝置。

（3）當PCC點電壓為1.07 p.u.且風電場滿發，風機功率因數從1.0轉換至滯后0.95時，風電場側發出的容性無功功率增多，從32.3 Mvar增至135.8 Mvar。此時，適當控制風電機組的無功出力，即可滿足風電場容性無功補償的需要。

（4）當PCC點電壓為1.07 p.u.且風電場滿發，風機功率因數從1.0轉換至超前0.95時，風電場側從發出容性無功變為吸收容性無功。因此，通過適當控制風電機組的無功出力，可以在一定程度上滿足風電場容性無功補償方面的需求。

綜上，不考慮風電場的無功調節能力，當風電場零出力且PCC點電壓為1.07 p.u.時，風電場側發出容性無功最大，為109.5 Mvar；當風電場滿出力且PCC側電壓為0.97 p.u.時，風電場側吸收容性無功8.3 Mvar。例如，在風電場220 kV海纜線路配置2×55 Mvar并聯高壓電抗器的條件下，不考慮風電機組無功調節能力。若考慮補償全部送出線路無功，那么風電場無功補償容量范圍為-8.3～109.7 Mvar。如果接入同一站點的各個風電場所輸送出去線路需要的無功補償容量按照各個風電場裝機容量以一定的比例進行分配，那么這個風電場的無功補償容量范圍為-37.9～71.5 Mvar。若不考慮送出線路無功，風電場無功補償容量范圍為-43.2～60.3 Mvar。

2.2 無功補償容量估算結論

估算目前無功補償的容量可知，在風電場220 kV海纜線路配置2×55 Mvar并聯高壓電抗器的條件下，如果某海上風電工程（共計1 600 MW）將500 kV風電場輸送出的線路所需要的無功補償容量，按照各個風電場裝機容量以一定的比例進行分配，那么這個風電場的無功補償容量范圍為-32.4～69.8 Mvar。如果不考慮送出線路無功，那么風電場無功補償的容量范圍為-46.4～66.6 Mvar[8]。

由于送出線路無功配置最終的責任承擔形式由業主方協商后明確，因此暫時考慮的風電場無功補償容量范圍為-38.7～69.8 Mvar。建議配置70 Mvar的感性無功補償容量，無功配置的總容量待電能質量計算和無功補償容量復核后最終確定。

無功補償容量的計算一般采用優化算法的方式，簡易的優化方式如圖1所示。采用這種優化算法可以在有效提高電壓水平和最大程度減少網損及網損帶來花銷的前提下，計算無功補償配置。這種優化算法著重考慮的是普遍狀態下電壓無功補償策略，但由于這些電壓無功策略無法實時、準確且數據性地分析電壓穩定性，因此無法計算極其不穩定的海上風電系統的電壓穩定性[9-10]。

圖1 無功補償優化算法

3 結 論

海上風電發電系統覆面積廣泛，但風速非常不穩定且地處位置相對偏僻。當大規模的海上風電系統接入電網后，可能會產生很多關于電能質量的問題。海底交流電纜距離遠，會產生很多無功功率，從而導致越來越多的電能質量問題和無功配置問題。因此，為提高海上風電并網后的電能質量，分析研究了基于ETAP建模下的海上風電系統的無功補償配置。根據實際調研和分析探討數據可知，大規模海上風電場的無功裝置所需的類型和容量范圍的確定都應該結合具體情況進行分析計算。