大型海上风电场并网过电压问题及抑制措施研究
2016-02-13仇卫东胡君慧
仇卫东,胡君慧,李 琰
(1.国网北京经济技术研究院,北京 昌平 102209;2.中国电力科学研究院,北京 海淀 100192)
大型海上风电场并网过电压问题及抑制措施研究
仇卫东1,胡君慧1,李 琰2
(1.国网北京经济技术研究院,北京 昌平 102209;2.中国电力科学研究院,北京 海淀 100192)
随着海上风电的开发,大规模的海上风电将并入电网,由于海上风电机组出力的随机性及长距离海缆容性充电功率特性,将导致海上风电场及系统侧过电压问题,对海上风电场及电网的安全运行带来重大影响。有必要对海上风电的并网过电压进行研究,通过对海上风电场过电压问题的深入分析,提出过电压问题的抑制措施,可以为海上风电场应对过电压问题提供参考,指导海上风电场的的合理规范并网,为海上风电场的设计特别是系统方案的设计提供技术支撑,实现海上风电与沿海电网的协调发展。
海上风电场;并网;过电压问题;抑制措施
0 引言
随着我国风电、光伏发电等新能源的大规模开发,“十二五”期间、“十三五”初期陆上风电经历大规模发展阶段,至2015年底,我国的风电装机规模已超过1.45亿 kW,仅次于火电、水电,成为我国第三大发电能源,风电装机总量位居全球第一。同时,海上风电正处于发展的起步阶段,可以预见,随着国家海上风电产业政策日趋明朗,海上风电将迎来快速发展期。随着后续海上风电的开发,大规模的海上风电并网对沿海电网的安全稳定运行也将带来一定影响,有必要超前谋划,吸取前期陆上风电大规模开发过程的经验教训,提前做好海上风电场相关领域的研究工作。
对海上风电场并网过电压问题进行研究,通过研究提出海上风电场过电压问题的研究成果及过电压问题的抑制措施,可以为海上风电场应对过电压问题提供参考,指导海上风电场的合理规范并网,为海上风电场的设计特别是系统方案的设计提供技术支撑,实现海上风电与沿海电网友好型发展。
1 海上风电开发现况及规划
我国东部沿海地区海上风能资源丰富,具有良好的建设海上风电的条件。大力推进海上风电的开发,不但能够大规模利用清洁风能资源,还可带动海洋经济和海上风电装备制造业的发展,同时还可改善地区生态环境,对于促进沿海经济发展、调整能源结构等具有现实意义。
2014年,国家能源局公布了《全国海上风电开发建设方案(2014—2016)》,列入了44个海上风电项目,装机规模达到1 053万 kW,分布在江苏、浙江、福建、广东等沿海省份,标志着我国海上风电开发将进一步提速。截至2015年底,我国已建成的海上风电装机容量共计1 014.68 MW。其中,潮间带累计风电装机容量达到611.98 MW,占海上装机容量的60.31%,近海风电装机容量402.7 MW占39.69%[1-3]。
2016年12月,国家能源局发布了风电发展“十三五”规划,提出到2020年底风电累计并网装机容量确保达到2.1亿 kW以上,其中海上风电并网装机容量达到500万 kW以上(如表1所示);风电年发电量确保达到4 200亿 kW·h,约占全国总发电量的6%。重点推动江苏、浙江、福建、广东等省的海上风电建设,到2020年四省海上风电开工建设规模均达到百万 kW以上。积极推动天津、河北、上海、海南等省(市)的海上风电建设,探索性推进辽宁、山东、广西等省(区)的海上风电项目。到2020年,全国海上风电开工建设规模达到1 000万 kW,力争累计并网容量达到500万 kW以上[2]。
表1 2020年我国海上风电开发布局Table 1 China’s offshore wind farm development prospect in 2020
2 大型海上风电场并网存在问题
随着海上风电项目的建设,需考虑其并网问题,目前海上风电并网时考虑诸多因素,主要包括:风电开发规模、线路送电能力及距离、海上风电的运行经济性及可靠性,并网电压等级、沿海电网的运行方式、电网网架等,并入电网的运行方式、网架情况等因素,并网时根据项目离岸距离、装机规模等考虑采用不同的输电方式,大体分为交流输电和直流输电[4]。
海上风电的并网依据风电场离岸距离、装机规模大体分为以下3种情形:
(1) 海上风电项目距离陆上较近,一般考虑风电机组经交流海缆汇集线路直接登陆至陆上风电升压站汇集,经并网线路并入电网,同时考虑在陆上升压站加装一定容量的动态无功补偿装置。这类风电场距离海岸均在20 km以内,具备直接汇集至陆上升压站的条件,不需设置海上升压站,适用于滩涂、潮间带、近海项目。
(2) 海上风电项目距离海岸较远,距离在40 km以上时,由于交流电缆充电电流的影响,传输容量和传输距离受到限制,一般考虑采用直流输电。这类风电场由于距离原因,交流输电容量受到限制,需采用直流输电,考虑输电成本等因素,只有开发容量较大时,才有一定经济性,一般开发规模均在400 MW以上,可采用几个风电场海上平台汇集,采用一回直流集中外送的方案。
(3) 距离海岸20~50 km的大型海上风电场,一般采用交流输电方式,通过海上交流升压站将风电机组的功率汇集升压,再经过海缆输送到陆上开关站,并入电网。此类海上风电场占海上风电开发项目的比例较高,结合我国沿海电网发展及电网现状,此类大型海上风电场并网一般采用220 kV电压等级并入电网。
由于此类海上风电场装机规模普遍较大且离岸距离较远,装机规模在200 MW以上,离岸距离在20 km以上,须采用220 kV海缆并入沿海220 kV电网。海上风电机组出力的随机性及长距离海缆容性充电功率特性,将导致海上风电场220 kV母线及系统侧并网点电压的升高,将对电网的安全稳定运行和海上风电场的运行带来重大影响,本文将对海上风电的并网过电压问题进行分析和研究,提出抑制海上风电并网过电压问题的措施,为今后的海上风电场并网设计和安全运行提供技术支撑,促进海上风电建设的可持续发展[5]。
3 大型海上风电场并网过电压研究
3.1 边界条件
本文假定海上风电场装机容量400 MW,采用交流海底电缆输送,电缆截面1 600 mm2,以220 kV接入电网,研究海上风电场输电系统的各类过电压问题。
根据实际输电线路绝缘水平设计、制造水平以及电缆的结构特点,参照过电压要求,本文分析计算时,采用以下绝缘水平:工频过电压以不宜超过1.3 pu;相对地操作过电压不宜超过3.0 pu;相间操作过电压不宜超过4.1 pu。
3.2 空载线路过电压研究
空载线路工频过电压分析是基于无损线路进行的,实际的电力系统要远比这些复杂,图1是基于实际电力系统的空载电缆线路的电容效应工频过电压的仿真计算结果。目前,受技术条件限制,海底电缆设备厂家所能生产的220 kV交流海缆最大截面为1 600 mm2,因此,本文案例研究中海底电缆截面均按1 600 mm2考虑。在仿真计算过程中,考虑了系统运行方式、海底电缆长度等多种影响因素[6]。
通过研究可以得出:
(1) 在不同系统运行状况和不同电缆长度情况下,空载线路工频过电压在可接受范围内,均处于系统正常工作电压范围内,可以保证电网的安全稳定运行,不会对电网的稳定造成威胁,无需采取任何的限制措施[7]。
(2) 不管是母线还是线路,系统小方式运行状态下的电容效应均比大方式下的电容效应更为严重,线路长为10 km时,小方式运行状态下的母线上的工频过电压较大方式运行状态大了3.7%。可以看出,小方式运行状态下线路的电容效应更为明显。
(3) 随着电缆线路的增长,系统运行方式对线路的电容效应的影响略有减小的趋势,当电缆长度为10 km时,系统小方式运行状态比大方式运行状态下母线和线路上的电容效应分别大了0.034 pu和0.035 pu,而当电缆长度增长到了50 km时,系统小方式运行状态比大方式运行状态下母线和线路上的电容效应均只大了0.029 pu,增量减小了0.005 pu,即减小了14%。
(4) 随着并网线路长度增加,风电场母线上的过电压水平和线路上的过电压水平的差别也越来越大,以系统小方式运行状态为例,当线路长10 km时,母线上的过电压水平和线路上的过电压水平仅相差0.001 pu,基本相等,而当线路长50 km时,其差值增大到了0.2 pu,增大了20倍,即:随着线路的增长,线路的电容效应越来越明显,线路末端电压与首端电压的差别也越来越大[8]。
3.3 不对称短路引起的过电压研究
针对不同的系统运行方式、不同电缆长度情况下,对单相接地故障引起的过电压进行了计算分析。计算结果详见表2,由表2可以得出:
(1) 当海底电缆长度达到30 km时,系统运行方式为小方式下,单相接地故障工频过电压的幅值超过了1.3 pu,需采取过电压限制措施,比如在线路上加装高压电抗器等,对工频过电压进行限制[9]。
(2) 随着电缆长度增加,输电系统的过电压水平有逐渐增加趋势。
(3) 在系统运行方式为小方式时,工频过电压水平较大方式时更大。
表2 单相接地故障过电压Table 2 Single phase ground fault overvoltage
本文按照补偿度为60%~70%,对高压电抗器对单相接地工频过电压的限制作用做了校验,计算结果如表3所示。
由表3可以得出:装配高压电抗器对线路的单相接地工频过电压具有明显的限制作用,且其限制效果与线路的补偿度有关系;通过合理选择高抗补偿度,绝大多数情况下线路的单相接地工频过电压都降到了规程规定范围之内;并联高压电抗器的具体参数需要具体分析验证。
表3 装设高抗后线路的单线接地工频过电压Table 3 Single phase ground fault overvoltage after the installation of high voltage reactor
3.4 输电线路合闸过电压研究
在计算合闸空载线路过电压时,考虑了断路器不同期性、电源阻抗、线路长度、线路参数等诸多因素。在计算和研究分析时发现,若不加装避雷器,则线路上的过电压水平远远超过线路的绝缘水平,因此在整条电缆线路的首末两端分别加装了两组避雷器。针对风电场容量400 MW、海底电缆1 600 mm2、以220 kV接入的海上风电场输电系统不同长度电缆最大合闸过电压如表4所示。
表4 合闸过电压Table 4 Switch closing overvoltage
从表4可以得出:
(1) 加装了避雷器等电气设备,合闸操作过电压为2.58 pu,可以将合闸操作过电压控制在规程规定的范围内,无需采取其他限制措施.
(2) 操作过电压随着电缆长度的增加呈先增大后减小趋势。
3.5 输电线路分闸过电压研究
针对风电场容量400 MW、海底电缆1 600 mm2、以220 kV接入的海上风电场输电线路分闸过电压计算,不同电缆长度的最大切空线重燃过电压如表5所示。
表5 分闸过电压Table 5 Switch opening overvoltage
由表5可知:
(1) 相-地分闸过电压最高可达到2.82 pu,在规程规定范围之内,不会对设备造成绝缘危害。
(2) 海缆长度20 km及以上时,过电压值均超过4.1 pu,极易造成设备多次重燃,对设备的安全运行和设备绝缘造成严重威胁,需采取一定的抑制措施,如加装高抗;当线路长度为15 km时,断口过电压值为4.08 pu,设备绝缘裕度较小,但在可接受范围内,可不考虑加装高抗。
针对以上情况,本文检验了装设高抗对切空线重燃过电压的限制效果,高抗按照补偿度60%左右进行配置。加装高抗后,电缆的切空线重燃过电压如表6所示。
表6 装设高抗后的分闸过电压Table 6 Line opening overvoltage after the installation of high voltage reactor
由表6可知:
(1) 高抗能在较大程度上限制切空线重燃时断口电压以及相间过电压。以线路长度为20 km为例,当没有高抗时,断口电压为4.22 pu,相间过电压为3.91 pu,而加装高抗后,断口电压和相间过电压分别降低为了3.27、3.52 pu,分别减小了0.95、0.4 pu,使得切空线重燃过电压限制在规程规定范围之内。高抗对相对地过电压的作用很小[10]。
(2) 加装高抗后,断口恢复电压上升速率大大降低,幅值也略有降低,降低了线路的分闸过电压,降低了断口重燃的可能性,从根本上解决了断口重燃问题[11]。
(3) 加装高抗后,在相同的断路器重燃情况下,电缆沿线的切空线重燃过电压幅值均低于没有高抗时的过电压,且过电压沿线分布趋势基本相同。
4 限制过电压措施
(1) 加装高抗或可控高抗。线路加装高抗后,由于高抗可以补偿电缆线路的充电功率,相当于变相缩短了电缆线路长度,抑制了工频过电压。也可以考虑使用可控高抗,可灵活调节,海上风电大发时,降低补偿度,可提高输电能力。
(2) 加装金属氧化物避雷器(metal oxide arrester ,MOA)。加装MOA,可以作为限制操作过电压的有效措施,有效抑制操作过电压,在工程实际中,大多采用高抗作为限制工频过电压的手段,不需MOA限制工频过电压,仅在特殊情况下考虑。
(3) 加装合闸、分闸电阻。采用在断路器上加装合闸电阻的手段来限制合闸过电压,在断路器上加装分闸电阻限制分闸过电压[12-14]。
(4) 合理的网架和电网运行方式。在电网规划和建设阶段,应考虑合理的电网网架结构,尽可能避免出现过电压问题;在电网运行时,应考虑选择合理的运行方式,防止过电压问题[15-16]。
5 结论
海上风电场并网过电压问题涉及诸多因素,本文结合某一案例分析大型海上风电场过电压问题,提出了抑制过电压的主要措施。
(1) 在不同系统运行状况和不同电缆长度情况下,空载线路工频过电压在可接受范围内,不会对电网的安全运行造成威胁,无需采取措施。
(2) 加装避雷器,可将操作过电压控制在合理范围内;案例研究表明,当海缆超过20 km时,断口极易造成重燃,加装高抗可将分闸操作过电压控制在合理范围。
(3) 海上风电场并网过电压问题受电网、风电场多种因素影响,本文的研究基于假定的海上风电场,特定的装机规模、离岸距离、海缆型号及电网条件,分析结果可为今后的海上风电并网提供参考。
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(编辑 蒋毅恒)
Grid Access Overvoltage and Restrain Measures for Large-Scale Offshore Wind Farm
QIU Weidong1, HU Junhui1, LI Yan2
(1. State Power Economic Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China;2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)
With the development of offshore wind farm, large-scale offshore wind farm is to access to grid. Considering the random feature of power output and capacitive charging power of long distance submarine cable, the overvoltage problem occurs in offshore wind farm system, bringing great influences to the safe operation of offshore wind farms and power grid. It’s essential to discuss the overvoltage of offshore wind farm, so as put forward the restrain measures. This takes great reference for the offshore wind farm accessing to grid, providing technical support for the design and coordinated development of coastal power grid and offshore wind farm.
offshore wind farm; grid access; overvoltage problem; restrain measures
国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2013AA050601)
TM614
: A
: 2096-2185(2016)03-0023-06
2016-10-13
仇卫东(1972—),男,高级工程师,从事电力系统规划设计及电网安全稳定分析方面研究工作,sdxitong@163.com;
胡君慧(1965—),男,高级工程师,从事电网工程设计及电网工程设计方面研究工作;
李 琰(1977—),男,高级工程师,从事新能源并网方向研究工作。
Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2013AA050601)