无功配置对海上风电场输出海缆损耗的影响分析

鲁加明，赵云，郑明，余宏强

(1.中国能建集团装备有限公司南京技术中心，南京市 210015；2.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州市 510663)



无功配置对海上风电场输出海缆损耗的影响分析

鲁加明1，赵云1，郑明2，余宏强1

(1.中国能建集团装备有限公司南京技术中心，南京市 210015；2.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州市 510663)

基于海上风电场输电系统模型和海底电缆参数，分析了海上风电场无功补偿配置方法和海缆损耗的计算方法，建立了海上风电场输电系统简化模型，计算了不同规模、不同传输距离海上风电场采用两端补偿和陆上单端补偿两种方案时输出海缆导体损耗，得到了海缆导体损耗-风电场出力曲线。在风电场低出力水平及长距离传输时，两端补偿损耗更低，而在风电场高出力水平或短距离传输时，单端补偿损耗稍低一些。

海底电缆；海上风电；无功补偿；损耗

0 引 言

由于海上风电具有风资源丰富、不占土地资源、出力稳定等特点，已经成为当前可再生能源的热点[1]。海上风电场一般建设在离岸10 km及以外的海域，其所发电能通过海底电缆输送，当风电场规模较大时，通常需要建设海上变电站[2-3]。海上变电站将风电场集电系统的电能汇集，并经过一次升压，通过高压海缆送至陆上电网。

建设海上变电站可以减少送出海缆的回路数和损耗，但变电站平台的施工需要使用昂贵的专业设备，且平台的重量和尺寸越大，可选择的设备越少，费用越高[4-5]。由于受到天气、海况等因素的影响，海上变电站的设备故障通常需要更长的时间来处理，影响了输电系统的整体可用率[6]。海上的高湿度高盐雾环境对电气设备的可靠性产生影响[7]，同时充油的高压电气设备也会对平台的安全性构成威胁[8]。综合以上因素，减少海上变电站内大型高压设备的数量对于提高其安全性、可靠性和经济性有积极意义。

电气设备的减少有赖于电气系统设计的优化，其中，无功补偿优化配置是最有效的措施之一，海上风电场无功补偿技术成为专业领域内的研究热点。文献[9]对不同绝缘高压海底电缆的电磁暂态问题进行研究，但研究对象是500 kV的海底电缆联网工程。文献[10]基于PSCAD/EMTDC仿真软件研究了海缆结构参数对电磁暂态的影响。文献[11]、[12]对海上风电场架空线-海缆混合线路的雷电过电压问题进行了研究，得到不同避雷器配置方式下的过电压计算结果。文献[13]对海底电缆操作过电压进行暂态分析，提出较高补偿水平可能会引起过零点丢失现象，加装电阻器是最有效的解决方法。文献[14]从补偿效果和经济性的角度对海缆联网工程中补偿容量的计算和优化分组方法进行了研究。文献[15]对电网电压跌落时海上风电系统的动态功率传输特性进行详细分析，指出电网电压跌落的幅值、电网电压跌落时风电场输出有功功率、无功功率对海上风电系统的无功补偿容量有重要影响，并因此而影响海上风电系统的动态过程控制。文献[16]对海缆输电线路的电容效应进行了分析，并通过仿真计算进行验证，得出电容效应系数随无功补偿容量的增大而减小，并且二端补偿比一端补偿效果更好的结论。综合分析已有研究成果发现：(1)海上风电场高压输出海缆存在过电压问题；(2)高压海底电缆产生大量充电功率；(3)无功补偿是解决以上两个问题的有效方法，且两端补偿比一端补偿效果更好。两端补偿需要在海上变电站布置高压电抗器，这面临前述的安全性、可靠性和经济性问题，因此，对于具体工程项目采用两端补偿的必要性和经济性仍有待研究。

本文基于海上变电站典型主接线和国内厂家海底电缆参数，在Digsilent Powerfactory软件中建立海上风电场输电系统模型，对风电场容量、输电距离和补偿配置进行调整，计算在不同出力下输出海缆中的电流分布，进而得到海缆导体损耗-风电场出力曲线，对比两端补偿和单端补偿对输出海缆损耗的影响，为优化海上风电场无功配置的经济性分析提供参考依据。

1 海上风电场电气系统

我国近期建设及规划的海上风电项目都位于潮间带或近海海域，容量大多为200～400 MW[17]，电能送出将以高压交流(HVAC)输电方式为主。典型的海上风电场HVAC输电系统主要由风电机组、集电海缆、海上变电站和高压输出海缆组成，图1为一个典型的大型海上风电场电气系统结构图。

2 海底电缆

我国已规划的海上风电场装机容量大多在200 MW及以上，且离岸距离越远，单个风电场装机规模越大。由于110 kV海底电缆输电容量受到限制，随着国内220 kV海底电缆制造技术不断成熟，海上风电场输出电缆将会更多的选择220 kV电压等级。

图1 大规模海上风电场电气系统结构图Fig.1 Electrical system structure of large offshore wind farm

海底高压电缆总体结构分为单芯和三芯，虽然国内厂家已有220 kV三芯海缆的产品，但尚无业绩，一些工程仍倾向采用单芯海缆，其结构如图2所示。

单芯海缆护套和铠装层两端接地时，会在护套和铠装层产生反相环流，镀锌钢丝铠装因涡流而使得电缆损耗加剧，降低了电缆最大传输容量，而且下降的幅度随导体截面的增加而增加。为了降低电缆损耗，提高电缆传输容量，大截面的单芯海底电缆往往采用非磁性材料铠装[18-19]。

图2 高压海底电缆(交联聚乙烯)单芯结构Fig.2 XLPE high-voltage submarine cable single-core structure

2.1 海底电缆等值电路

海底电缆在进行稳态计算时可采用如图3所示的Π型等值电路。

线路首、末端的节点电压、电流应满足：

(1)

式中：α为线路的相移系数，与线路的电感和电容有关；l为线路长度；Z为线路的波阻抗。

根据200、300、400 MW这3种规模风电场传输容量的需要，分别选择了3种规格的海底电缆，在水平敷设时，其电气参数如表1所示。

图3 电缆等值电路模型Fig.3 Equivalent circuit model of cable表1 220 kV单芯海底电缆电气参数Table 1 Electrical parameters of 220 kV single-core submarine cables

2.2 海底电缆有功损耗计算

海底电缆的损耗包括导体损耗、护套损耗的铠装层损耗，计算式为

Pz=Pd+Ph+Pk

(2)

式中：Pz为电缆总的损耗功率；Pd为导体损耗功率；Ph为护套损耗功率；Pk为铠装损耗功率。

根据文献[19]，每种规格的海缆在敷设参数确定时，其护套损耗因数λh和铠装损耗因数λk均为常数。因此，Pz与Pd呈线性关系，可表示为

Pz=(1+λh+λk)Pd

(3)

导体损耗功率为

(4)

式中：Ix为距离电缆首端x处的电流有效值；r为单位长度导体电阻。

3 海上风电场无功补偿配置

根据无功补偿分层分区、就地平衡的原则，集电网络的无功应在海上变电站的35 kV侧进行补偿。在风电场出力较大时，35 kV侧无功平衡可以充分利用风电机组的无功调节能力，变电站内只需考虑风电场轻载情况下的无功补偿，通常是配置并联电抗器。在高压侧只需考虑高压输出海缆和主变压器的无功平衡。

3.1 海底电缆充电功率计算

由电缆的等值电路，其充电功率为

(5)

式中：Qc为电缆的充电功率；By为电缆对地导纳；U1、U2分别为电缆首末端电压。

3.2 海底电缆无功损耗计算

电流在线路电抗上产生的无功损耗为

QL=I2X

(6)

式中：QL为线路的无功损耗；I为线路平均电流有效值；X为线路电抗。

3.3 变压器无功损耗计算

变压器可等效为电感，空载时无功损耗最小，满载时无功损耗达到最大，无功损耗按下式计算：

(7)

式中：QT为变压器的无功损耗；Q0为变压器的空载无功损耗；QS为变压器的负载无功损耗；Sca为计算视在功率；Se为变压器的额定容量。其中：

(8)

(9)

式中：I0为变压器空载电流百分数；Ud为变压器短路阻抗百分数。

3.4 无功补偿配置

海缆的充电功率为固定容量，海缆和变压器的无功损耗随负荷而变化，是可变部分。高压输电系统无功补偿采用并联电抗器+静止无功发生器(static var generation，SVG)的配置方案，容量分配按下式计算：

(10)

式中：QR为并联电抗器补偿容量；QSVG为SVG的补偿容量；QLmax、QLmin分别为海缆的最大、最小无功损耗；QTmax、QTmin分别为主变压器最大、最小无功损耗。

SVG布置在陆上更加靠近并网点，动态调节的响应速度和准确度都更高。两端补偿和单端补偿所对应的无功配置如表2所示。

表2 无功补偿配置

Table 2 Reactive compensation configuration

4 仿真模型及计算结果

在Digsilent Powerfactory仿真分析软件中建立海上风电场电气模型。本文并不对集电系统的无功补偿进行研究，并且假定35 kV的无功是平衡的，简化后风电场模型如图4所示。

图4 海上风电场输电系统简化仿真模型Fig.4 Simplified simulation model of offshore wind farm power transmission system

4.1 参数调整

4.1.1 模型调整

2台主变压器的低压侧分别以一个等同一半风电场容量的发电机组代替，通过调节发电机的输出功率实现风电场出力的变化。风电场总容量选择200、300和400 MW这3种规模，每种规模对应选择了表1中3种规格海缆及120、180和240 MVA这3种规格主变压器。

4.1.2 海底电缆参数调整

海缆长度选择20、30、40、50 km共4种规格。由于海缆充电功率的影响，海缆各处的电流值并不相等，为了提高计算的精度，在模型中对海缆进行了分段，使海缆模型可用多个∏型等值电路来等效。

4.1.3 无功补偿容量调整

并联电抗器设置为固定容量，通过手动操作进行投切。SVG设置为自动调节，控制目标为并网点220 kV母线无功功率为0。

4.2 计算结果

根据不同传输距离、不同规模的海上风电场在各种出力情况下输出海缆中流过的电流值，计算得到海缆导体损耗值，并绘制出海缆导体损耗-风电场出力曲线图，如图5所示。

4.3 结果分析

(1)在风电场出力水平较低时，两端补偿损耗更低；而在风电场出力水平较高时，陆上单端补偿损耗更低。在计算中发现，当输出海缆电流有效值最小点出现在海缆中点时，海缆的损耗最小。线路空载时，电流最小点在电缆首端(海上)，随着风电场出力的增加，变压器和海缆无功损耗都有所增加，抵消了一部分海缆充电功率，最小点逐渐向电缆末端(陆上)偏移，所以风电场出力水平较高时，最小点更接近海缆中点位置。

图5 海上风电场海缆导体损耗-风电场出力曲线图Fig.5 Offshore wind farm submarine cable loss-wind farm output curve

(2)两种补偿方式的损耗曲线存在一个交叉点，在该点处两种补偿方式的损耗相同，对应风电场出力称为海缆损耗对比临界容量。风电场出力小于临界容量时，两端补偿损耗更低，反之，则单端补偿损耗更低。相同规模风电场，传输距离越长，临界容量越大。

(3)传输距离越长时，两端补偿相比陆上单端补偿在风电场低出力水平下的优势越明显；而传输距离较短时，两者差异不大。在风电场低出力时，海缆中电流有效值主要受电容电流影响，而电容电流与海缆长度呈近似线性关系(忽略电容效应)，则海缆损耗与其长度呈三次方关系。当风电场出力提高时，电容电流对有效值的影响逐步减小，在满载时，海缆损耗与长度接近线性关系。

5 结 论

从输出海缆损耗的角度，对两端补偿和单端补偿进行了对比，绘制了海缆导体损耗-风电场出力曲线，得出风电场低出力水平或传输距离较长时，两端补偿损耗更低，给出了海缆损耗对比临界容量，为海上风电场无功配置优化提供依据。

在本文所取得成果基础上仍有一些工作有待进一步研究：

(1)具体规格海缆的护套损耗因数和铠装损耗因数尚未确定，获得相关数据计算出全部损耗将更具指导意义。

(2)两端补偿时，并联电抗器容量的分配比较单一，而这种分配方法可能并不是最优的，具体项目应根据实际情况进行优化。

海上风电场无功配置需要综合考虑诸多因素，如电压支撑、过电压问题、运行方式等，本文从海缆损耗的角度进行了分析，仅在其他方面均满足的情况下作为优化的手段，而非决定性因素。

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(编辑：蒋毅恒)

Reactive Power Configuration Influence on Output Cable Loss of Offshore Wind Farm

LU Jiaming1， ZHAO Yun1， ZHENG Ming2， YU Hongqiang1

(1. Nanjing Technology Center of China Energy Equipment Co., Ltd., Nanjing 210015, China;2. Guangdong Electric Power Design Institute, China Energy Engineering Group Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

Based on the transmission system model and submarine cable parameters of offshore wind farm, the reactive power compensation configuration mode of offshore wind farm and the calculation method of submarine cable loss were analyzed. A simplified model of offshore wind power transmission system was established; and the output cable loss under two different compensation schemes: both ends compensation and single-end compensation on land, were calculated for offshore wind farms with different scales and transmission distances; the power loss-wind farm output curves of submarine cable were obtained. Both ends compensation will have a lower cable power loss when the wind farm is in the low output level or with long distance transmission, while single-end compensation will have a little lower cable power loss when the wind farm is in the high output level or with short distance transmission.

submarine cable; offshore wind power; reactive power compensation; loss

TM 614

A

1000-7229(2015)06-0114-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.019

2015-03-31

2015-04-28

鲁加明(1972)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统方面的研究工作；

赵云(1984)，男，本科，工程师，主要从事海上变电站方面的研究工作；

郑明(1982)，男，硕士，高级工程师，注册电气工程师(发输变电)，从事火电、核电及新能源项目的设计工作；

余宏强(1985)，男，本科，工程师，主要从事海上风电场电气系统设计工作。