大型海上风电场长距离海缆送出的无功补偿分析方法

肖凌　胡煜

摘 要：大型海上风电场通过长距离海缆接入电网，由于风电出力的随机性以及长距离海缆容性充电功率，风电场接入后将会对电网的电压产生很大影响。文章通过探讨一种无功补偿装置容量的计算原则及方法，明确海上风电场无功平衡可分为风电场升压站及其内部系统与风电场送出海缆两部分，且均按照功率因数为1进行平衡；高压电抗器不仅用于送出海缆的无功平衡，同时作为限制工频过电压；风电场升压站内部装设一定容量的动态无功补偿装置后，具备一定的无功调节能力。最终解决风电场接入后引起的电压过高、电压波动等问题。

关键词：海上风电场；海缆；无功补偿；电压；功率因数

1 概述

风电具有很强的随机性，海上风电机组出力的随机性及长距离送出海缆容性充电功率对电网的电压有很大的影响。因此，大型海上风电场接入电网前需采取相应的措施，以保证电网的电能质量满足国家标准的要求。文章主要探讨通过计算出合适的无功补偿装置容量，解决大型海上风电场接入电网后引起的电网电压波动，并在电网高峰、低谷负荷时段，按电网需要送出或吸收一定容量的无功，起到对电网电压调节的作用。

2 大型海上风电场概况

近年来，世界许多国家出于对国家能源安全、环境保护和促进社会可持续发展的考虑，纷纷将可再生能源作为能源发展战略的重要组成部分，在此形势下，我国近几年光伏发电、风力发电发展十分迅速[1]。目前，我国已投运的风力发电场中，绝大多数为陆上风电，随着陆地资源日益紧张，同时海上风力优于陆上且风特性也较稳定，因此海上风电将是未来风力发电的发展方向。大型海上风电场在我国尚属于新事物，其特点有以下几点。（1）海上风电场通常采用海上升压站+陆上集控中心的方式，主变压器、高低压配电装置及动态无功补偿装置等布置在海上升压站主平台上，中控室、集控二次屏柜及集控室等布置在陆上集控中心。（2）海上风电场中心升压站距离海岸较远，通常采用长距离海缆登陆、再转由架空线路接入电网。

风电场的风电机组根据控制方式的不同，分为恒速恒频与变速恒频发电系统，由于变速恒频发电系统具有明显的优越性，目前风电场的风电机组普遍选用变速恒频风力发电机组。

变速恒频风力发电系统主要有鼠笼式异步发电机、绕线式异步发电机、双馈式异步发电机与永磁同步发电机，目前应用较多、有发展前景的为双馈式异步发电机与永磁同步发电机。2010年我国国家能源局4个海上风电特许权招标项目中，有3个项目计划采用双馈式异步发电机，1个项目计划采用永磁同步发电机。

双馈式异步发电机与永磁同步发电机在运行过程中具备功率因数设定功能，如功率因数可在±0.95范围内设定，通常不具备无功功率动态连续调节的能力，未来在配置无功功率动态控制软硬件设备后，风机将具备功率因数动态连续调节的能力。

3 存在的问题

风电场出力受风速变化的影响、具有很强的不可控性，因此风电场不能被看做电网稳定的电源，其容量也不能作为电网的可用容量。同时由于风电出力的随机性，其从电网吸收或发出的无功功率也有很大的不确定性，对电网的电压稳定运行产生不利的影响。目前国标规定了风电场无功补偿容量的计算方法[2]，但考虑到大型海上风电场通过长距离海缆送出后，其海缆的容性充电功率非常大，规定中感性无功补偿方法采用补偿送出线路一半的充电无功功率，此时将会出现仍有大量海缆充电无功注入电网的情况，对电网电压稳定运行带来不利的影响。

4 解决办法

4.1 风电场的无功平衡

为使风电场运行时对电网电压的影响降低到最小程度，最佳的运行状态为风电场与电网公共连接点没有无功功率交换，即风电场送出线路电网侧功率因数为1，即Q电网侧无功合计=Q风机发出无功+Q充电功率+Q损耗=0，此时风电场风电机组无功出力、海缆的充电功率应与风电场及其送出线路的无功损耗相平衡。与陆上风电相比，大型海上风电场通过长距离高压海缆登陆后再接入电网，其长距离海缆的容性充电功率较大，同时还将带来工频过电压、操作过电压等问题。因此海上风电场的无功平衡可分为风电场内部与高压送出线路两部分，具体平衡原则如下：（1）通过选择合适的风机功率因数，使风机无功出力、风电场內部集电海缆充电功率与风机机端升压变、集电海缆及中心升压站主变的无功损耗相平衡，即风电场中心升压站主变高压侧功率因数为1。（2）通过选择合适容量的高压并联电抗器，使高压海缆的充电功率与高压并联电抗器出力、送出线路的无功损耗相平衡，即风电场送出线路电网侧功率因数为1。上述无功平衡均可按风电场满发的运行方式进行计算。

4.2 限制过电压

大型海上风电场通常离海岸较远，一般采用长距离高压海缆送出。2010年我国国家能源局4个海上风电特许权招标项目均采用220kV海缆送出，在海缆登陆后改由架空线路接入电网。由于海上风电场高压送出海缆的长度较长，海缆充电功率大，当在风电场送出线路电网侧发生单相接地、三相断开或无故障三相断开的故障方式时，非故障相将会发生过电压，其中单相接地、三相断开引起过电压最为严重[3]。解决该问题最好的方法是与前述的无功平衡统筹考虑，即通过加装高压并联电抗器来限制工频过电压，高压并联电抗器可装设在风电场中心升压站送出线路出口侧、也可装设在海缆登陆点等其它位置。

需要注意的是：（1）风电机组在电势最高时、过电压最严重，故在计算时风电机组功率因数应设定在最低值。（2）由于低谷负荷运行时、电网电压水平较高，相应的过电压也更加严重，因此计算工频过电压应选择低谷负荷运行方式。（3）由于海上风电场常采用2台升压变压器，因此在工频过电压计算中需要计及1台主变退出运行的方式。

4.3 风电场无功电压调节能力

国家标准及电网公司要求风电场应具备一定的电压控制及无功调节能力，当风电场自身不能满足该要求的情况下，需要通过装设一定容量的动态无功补偿装置。动态无功补偿装置通常可装设在风电场中心升压站主变低压侧母线上，我国东部沿海陆上风电场大多数采用35kV作为场内集电线路的电压等级，2010年我国国家能源局4个海上风电特许权招标项目也是计划采用35kV作为机端升压变、集电海缆的电压等级。

4.3.1 风机不具备功率因数动态调节能力

根据第3、4节计算出的风机运行功率因数和高压并联电抗器容量，为满足国家标准关于风电场应具备一定的电压控制及无功调节能力，可按照风电场送出线路电网侧功率因数+0.98～-0.98来考虑，即高峰负荷时、电网缺少无功电源，风电场送出线路电网侧功率因数可按+0.98来要求，低谷负荷时、电网无功过剩，风电场送出线路电网侧功率因数可按-0.98来要求。

4.3.2 风机具备功率因数动态调节能力

风机具备功率因数动态连续调节能力，即风电场已具备一定的电压控制及无功调节能力，如风机功率因数可在+0.95～-0.95范围内动态连续调节。为满足国家标准关于风电场应具备一定的电压控制及无功调节能力的要求，仍可按照风电场送出线路电网侧的功率因数为+0.98～-0.98来考虑。计算中，应首先充分利用风电机组自身具备的无功功率动态调节能力，在不能满足要求的情况下通过安装一定容量的动态无功补偿装置来解决。

参考文献

[1]朱莉，潘文霞，霍志红，等.风电场并网技术[M].中国电力出版社.

[2]国家标准.GB/T 19963-2011.风电场接入电力系统技术规定[S].

[3]电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册[M].中国电力出版社.

作者简介：肖凌（1984-），男，工程师，工学学士，主要研究方向：电网规划、电力系统分析。