仇衛(wèi)東，胡君慧，李 琰

(1.國網北京經濟技術研究院，北京 昌平 102209；2.中國電力科學研究院，北京 海淀 100192)

大型海上風電場并網過電壓問題及抑制措施研究

仇衛(wèi)東1，胡君慧1，李 琰2

(1.國網北京經濟技術研究院，北京 昌平 102209；2.中國電力科學研究院，北京 海淀 100192)

隨著海上風電的開發(fā)，大規(guī)模的海上風電將并入電網，由于海上風電機組出力的隨機性及長距離海纜容性充電功率特性，將導致海上風電場及系統(tǒng)側過電壓問題，對海上風電場及電網的安全運行帶來重大影響。有必要對海上風電的并網過電壓進行研究，通過對海上風電場過電壓問題的深入分析，提出過電壓問題的抑制措施，可以為海上風電場應對過電壓問題提供參考，指導海上風電場的的合理規(guī)范并網，為海上風電場的設計特別是系統(tǒng)方案的設計提供技術支撐，實現海上風電與沿海電網的協(xié)調發(fā)展。

海上風電場；并網；過電壓問題；抑制措施

0 引言

隨著我國風電、光伏發(fā)電等新能源的大規(guī)模開發(fā)，“十二五”期間、“十三五”初期陸上風電經歷大規(guī)模發(fā)展階段，至2015年底，我國的風電裝機規(guī)模已超過1.45億 kW，僅次于火電、水電，成為我國第三大發(fā)電能源，風電裝機總量位居全球第一。同時，海上風電正處于發(fā)展的起步階段，可以預見，隨著國家海上風電產業(yè)政策日趨明朗，海上風電將迎來快速發(fā)展期。隨著后續(xù)海上風電的開發(fā)，大規(guī)模的海上風電并網對沿海電網的安全穩(wěn)定運行也將帶來一定影響，有必要超前謀劃，吸取前期陸上風電大規(guī)模開發(fā)過程的經驗教訓，提前做好海上風電場相關領域的研究工作。

對海上風電場并網過電壓問題進行研究，通過研究提出海上風電場過電壓問題的研究成果及過電壓問題的抑制措施，可以為海上風電場應對過電壓問題提供參考，指導海上風電場的合理規(guī)范并網，為海上風電場的設計特別是系統(tǒng)方案的設計提供技術支撐，實現海上風電與沿海電網友好型發(fā)展。

1 海上風電開發(fā)現況及規(guī)劃

我國東部沿海地區(qū)海上風能資源豐富，具有良好的建設海上風電的條件。大力推進海上風電的開發(fā)，不但能夠大規(guī)模利用清潔風能資源，還可帶動海洋經濟和海上風電裝備制造業(yè)的發(fā)展，同時還可改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境，對于促進沿海經濟發(fā)展、調整能源結構等具有現實意義。

2014年，國家能源局公布了《全國海上風電開發(fā)建設方案(2014—2016)》，列入了44個海上風電項目，裝機規(guī)模達到1 053萬 kW，分布在江蘇、浙江、福建、廣東等沿海省份，標志著我國海上風電開發(fā)將進一步提速。截至2015年底，我國已建成的海上風電裝機容量共計1 014.68 MW。其中，潮間帶累計風電裝機容量達到611.98 MW，占海上裝機容量的60.31%，近海風電裝機容量402.7 MW占39.69%[1-3]。

2016年12月，國家能源局發(fā)布了風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃，提出到2020年底風電累計并網裝機容量確保達到2.1億 kW以上，其中海上風電并網裝機容量達到500萬 kW以上(如表1所示)；風電年發(fā)電量確保達到4 200億 kW·h，約占全國總發(fā)電量的6%。重點推動江蘇、浙江、福建、廣東等省的海上風電建設，到2020年四省海上風電開工建設規(guī)模均達到百萬 kW以上。積極推動天津、河北、上海、海南等省(市)的海上風電建設，探索性推進遼寧、山東、廣西等省(區(qū))的海上風電項目。到2020年，全國海上風電開工建設規(guī)模達到1 000萬 kW，力爭累計并網容量達到500萬 kW以上[2]。

表1 2020年我國海上風電開發(fā)布局Table 1 China’s offshore wind farm development prospect in 2020

2 大型海上風電場并網存在問題

隨著海上風電項目的建設，需考慮其并網問題，目前海上風電并網時考慮諸多因素，主要包括：風電開發(fā)規(guī)模、線路送電能力及距離、海上風電的運行經濟性及可靠性，并網電壓等級、沿海電網的運行方式、電網網架等，并入電網的運行方式、網架情況等因素，并網時根據項目離岸距離、裝機規(guī)模等考慮采用不同的輸電方式，大體分為交流輸電和直流輸電[4]。

海上風電的并網依據風電場離岸距離、裝機規(guī)模大體分為以下3種情形：

(1) 海上風電項目距離陸上較近，一般考慮風電機組經交流海纜匯集線路直接登陸至陸上風電升壓站匯集，經并網線路并入電網，同時考慮在陸上升壓站加裝一定容量的動態(tài)無功補償裝置。這類風電場距離海岸均在20 km以內，具備直接匯集至陸上升壓站的條件，不需設置海上升壓站，適用于灘涂、潮間帶、近海項目。

(2) 海上風電項目距離海岸較遠，距離在40 km以上時，由于交流電纜充電電流的影響，傳輸容量和傳輸距離受到限制，一般考慮采用直流輸電。這類風電場由于距離原因，交流輸電容量受到限制，需采用直流輸電，考慮輸電成本等因素，只有開發(fā)容量較大時，才有一定經濟性，一般開發(fā)規(guī)模均在400 MW以上，可采用幾個風電場海上平臺匯集，采用一回直流集中外送的方案。

(3) 距離海岸20～50 km的大型海上風電場，一般采用交流輸電方式，通過海上交流升壓站將風電機組的功率匯集升壓，再經過海纜輸送到陸上開關站，并入電網。此類海上風電場占海上風電開發(fā)項目的比例較高，結合我國沿海電網發(fā)展及電網現狀，此類大型海上風電場并網一般采用220 kV電壓等級并入電網。

由于此類海上風電場裝機規(guī)模普遍較大且離岸距離較遠，裝機規(guī)模在200 MW以上，離岸距離在20 km以上，須采用220 kV海纜并入沿海220 kV電網。海上風電機組出力的隨機性及長距離海纜容性充電功率特性，將導致海上風電場220 kV母線及系統(tǒng)側并網點電壓的升高，將對電網的安全穩(wěn)定運行和海上風電場的運行帶來重大影響，本文將對海上風電的并網過電壓問題進行分析和研究，提出抑制海上風電并網過電壓問題的措施，為今后的海上風電場并網設計和安全運行提供技術支撐，促進海上風電建設的可持續(xù)發(fā)展[5]。

3 大型海上風電場并網過電壓研究

3.1 邊界條件

本文假定海上風電場裝機容量400 MW，采用交流海底電纜輸送，電纜截面1 600 mm2，以220 kV接入電網，研究海上風電場輸電系統(tǒng)的各類過電壓問題。

根據實際輸電線路絕緣水平設計、制造水平以及電纜的結構特點，參照過電壓要求，本文分析計算時，采用以下絕緣水平：工頻過電壓以不宜超過1.3 pu；相對地操作過電壓不宜超過3.0 pu；相間操作過電壓不宜超過4.1 pu。

3.2 空載線路過電壓研究

空載線路工頻過電壓分析是基于無損線路進行的，實際的電力系統(tǒng)要遠比這些復雜，圖1是基于實際電力系統(tǒng)的空載電纜線路的電容效應工頻過電壓的仿真計算結果。目前，受技術條件限制，海底電纜設備廠家所能生產的220 kV交流海纜最大截面為1 600 mm2，因此，本文案例研究中海底電纜截面均按1 600 mm2考慮。在仿真計算過程中，考慮了系統(tǒng)運行方式、海底電纜長度等多種影響因素[6]。

通過研究可以得出：

(1) 在不同系統(tǒng)運行狀況和不同電纜長度情況下，空載線路工頻過電壓在可接受范圍內，均處于系統(tǒng)正常工作電壓范圍內，可以保證電網的安全穩(wěn)定運行，不會對電網的穩(wěn)定造成威脅，無需采取任何的限制措施[7]。

(2) 不管是母線還是線路，系統(tǒng)小方式運行狀態(tài)下的電容效應均比大方式下的電容效應更為嚴重，線路長為10 km時，小方式運行狀態(tài)下的母線上的工頻過電壓較大方式運行狀態(tài)大了3.7%?？梢钥闯觯》绞竭\行狀態(tài)下線路的電容效應更為明顯。

(3) 隨著電纜線路的增長，系統(tǒng)運行方式對線路的電容效應的影響略有減小的趨勢，當電纜長度為10 km時，系統(tǒng)小方式運行狀態(tài)比大方式運行狀態(tài)下母線和線路上的電容效應分別大了0.034 pu和0.035 pu，而當電纜長度增長到了50 km時，系統(tǒng)小方式運行狀態(tài)比大方式運行狀態(tài)下母線和線路上的電容效應均只大了0.029 pu，增量減小了0.005 pu，即減小了14%。

(4) 隨著并網線路長度增加，風電場母線上的過電壓水平和線路上的過電壓水平的差別也越來越大，以系統(tǒng)小方式運行狀態(tài)為例，當線路長10 km時，母線上的過電壓水平和線路上的過電壓水平僅相差0.001 pu，基本相等，而當線路長50 km時，其差值增大到了0.2 pu，增大了20倍，即：隨著線路的增長，線路的電容效應越來越明顯，線路末端電壓與首端電壓的差別也越來越大[8]。

3.3 不對稱短路引起的過電壓研究

針對不同的系統(tǒng)運行方式、不同電纜長度情況下，對單相接地故障引起的過電壓進行了計算分析。計算結果詳見表2，由表2可以得出：

(1) 當海底電纜長度達到30 km時，系統(tǒng)運行方式為小方式下，單相接地故障工頻過電壓的幅值超過了1.3 pu，需采取過電壓限制措施，比如在線路上加裝高壓電抗器等，對工頻過電壓進行限制[9]。

(2) 隨著電纜長度增加，輸電系統(tǒng)的過電壓水平有逐漸增加趨勢。

(3) 在系統(tǒng)運行方式為小方式時，工頻過電壓水平較大方式時更大。

表2 單相接地故障過電壓Table 2 Single phase ground fault overvoltage

本文按照補償度為60%～70%，對高壓電抗器對單相接地工頻過電壓的限制作用做了校驗，計算結果如表3所示。

由表3可以得出：裝配高壓電抗器對線路的單相接地工頻過電壓具有明顯的限制作用，且其限制效果與線路的補償度有關系；通過合理選擇高抗補償度，絕大多數情況下線路的單相接地工頻過電壓都降到了規(guī)程規(guī)定范圍之內；并聯(lián)高壓電抗器的具體參數需要具體分析驗證。

表3 裝設高抗后線路的單線接地工頻過電壓Table 3 Single phase ground fault overvoltage after the installation of high voltage reactor

3.4 輸電線路合閘過電壓研究

在計算合閘空載線路過電壓時，考慮了斷路器不同期性、電源阻抗、線路長度、線路參數等諸多因素。在計算和研究分析時發(fā)現，若不加裝避雷器，則線路上的過電壓水平遠遠超過線路的絕緣水平，因此在整條電纜線路的首末兩端分別加裝了兩組避雷器。針對風電場容量400 MW、海底電纜1 600 mm2、以220 kV接入的海上風電場輸電系統(tǒng)不同長度電纜最大合閘過電壓如表4所示。

表4 合閘過電壓Table 4 Switch closing overvoltage

從表4可以得出：

(1) 加裝了避雷器等電氣設備，合閘操作過電壓為2.58 pu，可以將合閘操作過電壓控制在規(guī)程規(guī)定的范圍內，無需采取其他限制措施.

(2) 操作過電壓隨著電纜長度的增加呈先增大后減小趨勢。

3.5 輸電線路分閘過電壓研究

針對風電場容量400 MW、海底電纜1 600 mm2、以220 kV接入的海上風電場輸電線路分閘過電壓計算，不同電纜長度的最大切空線重燃過電壓如表5所示。

表5 分閘過電壓Table 5 Switch opening overvoltage

由表5可知：

(1) 相-地分閘過電壓最高可達到2.82 pu，在規(guī)程規(guī)定范圍之內，不會對設備造成絕緣危害。

(2) 海纜長度20 km及以上時，過電壓值均超過4.1 pu，極易造成設備多次重燃，對設備的安全運行和設備絕緣造成嚴重威脅，需采取一定的抑制措施，如加裝高抗；當線路長度為15 km時，斷口過電壓值為4.08 pu，設備絕緣裕度較小，但在可接受范圍內，可不考慮加裝高抗。

針對以上情況，本文檢驗了裝設高抗對切空線重燃過電壓的限制效果，高抗按照補償度60%左右進行配置。加裝高抗后，電纜的切空線重燃過電壓如表6所示。

表6 裝設高抗后的分閘過電壓Table 6 Line opening overvoltage after the installation of high voltage reactor

由表6可知：

(1) 高抗能在較大程度上限制切空線重燃時斷口電壓以及相間過電壓。以線路長度為20 km為例，當沒有高抗時，斷口電壓為4.22 pu，相間過電壓為3.91 pu，而加裝高抗后，斷口電壓和相間過電壓分別降低為了3.27、3.52 pu，分別減小了0.95、0.4 pu，使得切空線重燃過電壓限制在規(guī)程規(guī)定范圍之內。高抗對相對地過電壓的作用很小[10]。

(2) 加裝高抗后，斷口恢復電壓上升速率大大降低，幅值也略有降低，降低了線路的分閘過電壓，降低了斷口重燃的可能性，從根本上解決了斷口重燃問題[11]。

(3) 加裝高抗后，在相同的斷路器重燃情況下，電纜沿線的切空線重燃過電壓幅值均低于沒有高抗時的過電壓，且過電壓沿線分布趨勢基本相同。

4 限制過電壓措施

(1) 加裝高抗或可控高抗。線路加裝高抗后，由于高抗可以補償電纜線路的充電功率，相當于變相縮短了電纜線路長度，抑制了工頻過電壓。也可以考慮使用可控高抗，可靈活調節(jié)，海上風電大發(fā)時，降低補償度，可提高輸電能力。

(2) 加裝金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester ，MOA)。加裝MOA，可以作為限制操作過電壓的有效措施，有效抑制操作過電壓，在工程實際中，大多采用高抗作為限制工頻過電壓的手段，不需MOA限制工頻過電壓，僅在特殊情況下考慮。

(3) 加裝合閘、分閘電阻。采用在斷路器上加裝合閘電阻的手段來限制合閘過電壓，在斷路器上加裝分閘電阻限制分閘過電壓[12-14]。

(4) 合理的網架和電網運行方式。在電網規(guī)劃和建設階段，應考慮合理的電網網架結構，盡可能避免出現過電壓問題；在電網運行時，應考慮選擇合理的運行方式，防止過電壓問題[15-16]。

5 結論

海上風電場并網過電壓問題涉及諸多因素，本文結合某一案例分析大型海上風電場過電壓問題，提出了抑制過電壓的主要措施。

(1) 在不同系統(tǒng)運行狀況和不同電纜長度情況下，空載線路工頻過電壓在可接受范圍內，不會對電網的安全運行造成威脅，無需采取措施。

(2) 加裝避雷器，可將操作過電壓控制在合理范圍內；案例研究表明，當海纜超過20 km時，斷口極易造成重燃，加裝高抗可將分閘操作過電壓控制在合理范圍。

(3) 海上風電場并網過電壓問題受電網、風電場多種因素影響，本文的研究基于假定的海上風電場，特定的裝機規(guī)模、離岸距離、海纜型號及電網條件，分析結果可為今后的海上風電并網提供參考。

[1] 國家能源局. 國家能源局關于印發(fā)全國海上風電開發(fā)建設方案(2014—2016)的通知[Z]. 2014-12-8.

[2] 國家能源局. 國家能源局關于印發(fā)《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的通知 (國能新能[2016]314號). 2016-11-16.

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(編輯 蔣毅恒)

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

國家高技術研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2013AA050601)

TM614

： A

： 2096-2185(2016)03-0023-06

2016-10-13

仇衛(wèi)東(1972—)，男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計及電網安全穩(wěn)定分析方面研究工作，sdxitong@163.com；

胡君慧(1965—)，男，高級工程師，從事電網工程設計及電網工程設計方面研究工作；

李 琰(1977—)，男，高級工程師，從事新能源并網方向研究工作。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2013AA050601)