肖凌　胡煜

摘 要：大型海上風(fēng)電場通過長距離海纜接入電網(wǎng)，由于風(fēng)電出力的隨機性以及長距離海纜容性充電功率，風(fēng)電場接入后將會對電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生很大影響。文章通過探討一種無功補償裝置容量的計算原則及方法，明確海上風(fēng)電場無功平衡可分為風(fēng)電場升壓站及其內(nèi)部系統(tǒng)與風(fēng)電場送出海纜兩部分，且均按照功率因數(shù)為1進行平衡；高壓電抗器不僅用于送出海纜的無功平衡，同時作為限制工頻過電壓；風(fēng)電場升壓站內(nèi)部裝設(shè)一定容量的動態(tài)無功補償裝置后，具備一定的無功調(diào)節(jié)能力。最終解決風(fēng)電場接入后引起的電壓過高、電壓波動等問題。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場；海纜；無功補償；電壓；功率因數(shù)

1 概述

風(fēng)電具有很強的隨機性，海上風(fēng)電機組出力的隨機性及長距離送出海纜容性充電功率對電網(wǎng)的電壓有很大的影響。因此，大型海上風(fēng)電場接入電網(wǎng)前需采取相應(yīng)的措施，以保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。文章主要探討通過計算出合適的無功補償裝置容量，解決大型海上風(fēng)電場接入電網(wǎng)后引起的電網(wǎng)電壓波動，并在電網(wǎng)高峰、低谷負荷時段，按電網(wǎng)需要送出或吸收一定容量的無功，起到對電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的作用。

2 大型海上風(fēng)電場概況

近年來，世界許多國家出于對國家能源安全、環(huán)境保護和促進社會可持續(xù)發(fā)展的考慮，紛紛將可再生能源作為能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，在此形勢下，我國近幾年光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電發(fā)展十分迅速[1]。目前，我國已投運的風(fēng)力發(fā)電場中，絕大多數(shù)為陸上風(fēng)電，隨著陸地資源日益緊張，同時海上風(fēng)力優(yōu)于陸上且風(fēng)特性也較穩(wěn)定，因此海上風(fēng)電將是未來風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向。大型海上風(fēng)電場在我國尚屬于新事物，其特點有以下幾點。（1）海上風(fēng)電場通常采用海上升壓站+陸上集控中心的方式，主變壓器、高低壓配電裝置及動態(tài)無功補償裝置等布置在海上升壓站主平臺上，中控室、集控二次屏柜及集控室等布置在陸上集控中心。（2）海上風(fēng)電場中心升壓站距離海岸較遠，通常采用長距離海纜登陸、再轉(zhuǎn)由架空線路接入電網(wǎng)。

風(fēng)電場的風(fēng)電機組根據(jù)控制方式的不同，分為恒速恒頻與變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，由于變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性，目前風(fēng)電場的風(fēng)電機組普遍選用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有鼠籠式異步發(fā)電機、繞線式異步發(fā)電機、雙饋式異步發(fā)電機與永磁同步發(fā)電機，目前應(yīng)用較多、有發(fā)展前景的為雙饋式異步發(fā)電機與永磁同步發(fā)電機。2010年我國國家能源局4個海上風(fēng)電特許權(quán)招標(biāo)項目中，有3個項目計劃采用雙饋式異步發(fā)電機，1個項目計劃采用永磁同步發(fā)電機。

雙饋式異步發(fā)電機與永磁同步發(fā)電機在運行過程中具備功率因數(shù)設(shè)定功能，如功率因數(shù)可在±0.95范圍內(nèi)設(shè)定，通常不具備無功功率動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)的能力，未來在配置無功功率動態(tài)控制軟硬件設(shè)備后，風(fēng)機將具備功率因數(shù)動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)的能力。

3 存在的問題

風(fēng)電場出力受風(fēng)速變化的影響、具有很強的不可控性，因此風(fēng)電場不能被看做電網(wǎng)穩(wěn)定的電源，其容量也不能作為電網(wǎng)的可用容量。同時由于風(fēng)電出力的隨機性，其從電網(wǎng)吸收或發(fā)出的無功功率也有很大的不確定性，對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利的影響。目前國標(biāo)規(guī)定了風(fēng)電場無功補償容量的計算方法[2]，但考慮到大型海上風(fēng)電場通過長距離海纜送出后，其海纜的容性充電功率非常大，規(guī)定中感性無功補償方法采用補償送出線路一半的充電無功功率，此時將會出現(xiàn)仍有大量海纜充電無功注入電網(wǎng)的情況，對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運行帶來不利的影響。

4 解決辦法

4.1 風(fēng)電場的無功平衡

為使風(fēng)電場運行時對電網(wǎng)電壓的影響降低到最小程度，最佳的運行狀態(tài)為風(fēng)電場與電網(wǎng)公共連接點沒有無功功率交換，即風(fēng)電場送出線路電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，即Q電網(wǎng)側(cè)無功合計=Q風(fēng)機發(fā)出無功+Q充電功率+Q損耗=0，此時風(fēng)電場風(fēng)電機組無功出力、海纜的充電功率應(yīng)與風(fēng)電場及其送出線路的無功損耗相平衡。與陸上風(fēng)電相比，大型海上風(fēng)電場通過長距離高壓海纜登陸后再接入電網(wǎng)，其長距離海纜的容性充電功率較大，同時還將帶來工頻過電壓、操作過電壓等問題。因此海上風(fēng)電場的無功平衡可分為風(fēng)電場內(nèi)部與高壓送出線路兩部分，具體平衡原則如下：（1）通過選擇合適的風(fēng)機功率因數(shù)，使風(fēng)機無功出力、風(fēng)電場內(nèi)部集電海纜充電功率與風(fēng)機機端升壓變、集電海纜及中心升壓站主變的無功損耗相平衡，即風(fēng)電場中心升壓站主變高壓側(cè)功率因數(shù)為1。（2）通過選擇合適容量的高壓并聯(lián)電抗器，使高壓海纜的充電功率與高壓并聯(lián)電抗器出力、送出線路的無功損耗相平衡，即風(fēng)電場送出線路電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1。上述無功平衡均可按風(fēng)電場滿發(fā)的運行方式進行計算。

4.2 限制過電壓

大型海上風(fēng)電場通常離海岸較遠，一般采用長距離高壓海纜送出。2010年我國國家能源局4個海上風(fēng)電特許權(quán)招標(biāo)項目均采用220kV海纜送出，在海纜登陸后改由架空線路接入電網(wǎng)。由于海上風(fēng)電場高壓送出海纜的長度較長，海纜充電功率大，當(dāng)在風(fēng)電場送出線路電網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相接地、三相斷開或無故障三相斷開的故障方式時，非故障相將會發(fā)生過電壓，其中單相接地、三相斷開引起過電壓最為嚴(yán)重[3]。解決該問題最好的方法是與前述的無功平衡統(tǒng)籌考慮，即通過加裝高壓并聯(lián)電抗器來限制工頻過電壓，高壓并聯(lián)電抗器可裝設(shè)在風(fēng)電場中心升壓站送出線路出口側(cè)、也可裝設(shè)在海纜登陸點等其它位置。

需要注意的是：（1）風(fēng)電機組在電勢最高時、過電壓最嚴(yán)重，故在計算時風(fēng)電機組功率因數(shù)應(yīng)設(shè)定在最低值。（2）由于低谷負荷運行時、電網(wǎng)電壓水平較高，相應(yīng)的過電壓也更加嚴(yán)重，因此計算工頻過電壓應(yīng)選擇低谷負荷運行方式。（3）由于海上風(fēng)電場常采用2臺升壓變壓器，因此在工頻過電壓計算中需要計及1臺主變退出運行的方式。

4.3 風(fēng)電場無功電壓調(diào)節(jié)能力

國家標(biāo)準(zhǔn)及電網(wǎng)公司要求風(fēng)電場應(yīng)具備一定的電壓控制及無功調(diào)節(jié)能力，當(dāng)風(fēng)電場自身不能滿足該要求的情況下，需要通過裝設(shè)一定容量的動態(tài)無功補償裝置。動態(tài)無功補償裝置通?？裳b設(shè)在風(fēng)電場中心升壓站主變低壓側(cè)母線上，我國東部沿海陸上風(fēng)電場大多數(shù)采用35kV作為場內(nèi)集電線路的電壓等級，2010年我國國家能源局4個海上風(fēng)電特許權(quán)招標(biāo)項目也是計劃采用35kV作為機端升壓變、集電海纜的電壓等級。

4.3.1 風(fēng)機不具備功率因數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)能力

根據(jù)第3、4節(jié)計算出的風(fēng)機運行功率因數(shù)和高壓并聯(lián)電抗器容量，為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于風(fēng)電場應(yīng)具備一定的電壓控制及無功調(diào)節(jié)能力，可按照風(fēng)電場送出線路電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)+0.98～-0.98來考慮，即高峰負荷時、電網(wǎng)缺少無功電源，風(fēng)電場送出線路電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可按+0.98來要求，低谷負荷時、電網(wǎng)無功過剩，風(fēng)電場送出線路電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可按-0.98來要求。

4.3.2 風(fēng)機具備功率因數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)能力

風(fēng)機具備功率因數(shù)動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)能力，即風(fēng)電場已具備一定的電壓控制及無功調(diào)節(jié)能力，如風(fēng)機功率因數(shù)可在+0.95～-0.95范圍內(nèi)動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)。為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于風(fēng)電場應(yīng)具備一定的電壓控制及無功調(diào)節(jié)能力的要求，仍可按照風(fēng)電場送出線路電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)為+0.98～-0.98來考慮。計算中，應(yīng)首先充分利用風(fēng)電機組自身具備的無功功率動態(tài)調(diào)節(jié)能力，在不能滿足要求的情況下通過安裝一定容量的動態(tài)無功補償裝置來解決。

參考文獻

[1]朱莉，潘文霞，霍志紅，等.風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)[M].中國電力出版社.

[2]國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 19963-2011.風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].

[3]電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].中國電力出版社.

作者簡介：肖凌（1984-），男，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)分析。