文/胡小康 劉維斌 朱春生

0 引言

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，能源需求日趨增長(zhǎng)。我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，主要分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)但缺乏常規(guī)能源的華東、華南沿海地區(qū)。相比陸上風(fēng)能發(fā)電，海上風(fēng)能發(fā)電具有風(fēng)速較好、發(fā)電量高、年利用小時(shí)數(shù)高等顯著優(yōu)點(diǎn)，且不占用稀缺的土地資源及環(huán)境污染較小，因此，海上風(fēng)電已成為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的新趨勢(shì)。

一般情況下，海上風(fēng)電場(chǎng)的電能傳輸采用海底電纜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)海纜），由于交流海纜具有較大充電功率，特別是大截面、長(zhǎng)距離海纜的充電功率特性更加明顯。海上風(fēng)電場(chǎng)與海島微電網(wǎng)采用聯(lián)島海纜連接，其組成的電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓水平與無(wú)功功率的平衡密切相關(guān)：系統(tǒng)的無(wú)功電源比較充足，系統(tǒng)就具有高的電壓運(yùn)行水平；反之，無(wú)功不足就反映為運(yùn)行電壓偏低。此外，系統(tǒng)中大量的負(fù)荷需要一定的無(wú)功功率，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)元件也會(huì)有無(wú)功功率損耗。

本文基于桂山海上風(fēng)電場(chǎng)與海島微電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際情況，分析主變壓器調(diào)壓配合無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備（SVG）無(wú)功調(diào)整的運(yùn)行方式，既滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)度對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路電壓及無(wú)功平衡的要求，也穩(wěn)定了風(fēng)電場(chǎng)母線(xiàn)電壓，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了SVG有功損耗的最小化，提高海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，為海上風(fēng)電場(chǎng)與多個(gè)海島微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)與海島智能微電網(wǎng)間的電網(wǎng)系統(tǒng)

桂山海上風(fēng)電場(chǎng)和萬(wàn)山海島新能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)桂山項(xiàng)目）是國(guó)際首個(gè)海上風(fēng)電與海島新能源智能電網(wǎng)應(yīng)用整合研究項(xiàng)目。桂山項(xiàng)目海纜總體情況如圖1所示。

本文所研究的海上風(fēng)電場(chǎng)采用交流輸電方式接入電網(wǎng)，并通過(guò)聯(lián)島海纜與各個(gè)海島智能微電網(wǎng)連接，連接設(shè)備主要包括：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（含箱式變電站）、35kV風(fēng)機(jī)集電線(xiàn)路、110kV升壓站、110kV送出海纜、35kV聯(lián)島海纜，其中，110kV升壓站包括110kV升壓主變壓器和SVG等。

2 海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置

在海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行期間，感性無(wú)功缺額應(yīng)考慮能夠補(bǔ)償35kV風(fēng)機(jī)集電線(xiàn)路、110kV送出海纜以及35kV聯(lián)島海纜容性充電功率；容性無(wú)功功率缺額應(yīng)考慮能夠補(bǔ)償海上風(fēng)機(jī)滿(mǎn)發(fā)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組含箱變、35kV風(fēng)機(jī)集電線(xiàn)路、110kV升壓站主變、110kV送出海纜和35kV聯(lián)島海纜的感性無(wú)功之和。

海纜的無(wú)功特性與其電氣參數(shù)密切相關(guān)，而海底電纜的電氣參數(shù)主要取決于海纜所用的材料和幾何尺寸。根據(jù)海纜廠(chǎng)家提供的設(shè)備說(shuō)明書(shū)，即可得到海纜的電氣參數(shù)。桂山海上風(fēng)電場(chǎng)升壓站設(shè)有兩臺(tái)主變壓器，其中，低壓側(cè)（35kV）采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)。根據(jù)上述無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐渲迷瓌t，以及桂山海上風(fēng)電場(chǎng)海纜分布，每段35kV母線(xiàn)安裝1套調(diào)節(jié)容量 為-23 Mvar～+23 Mvar的SVG型無(wú)功補(bǔ)償裝置，共2套。為適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)出力的隨機(jī)波動(dòng)性，SVG可以連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定35kV母線(xiàn)電壓及110kV出線(xiàn)無(wú)功功率作為控制目標(biāo)；SVG動(dòng)態(tài)跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化，并根據(jù)變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，實(shí)現(xiàn)升壓變電站在任意出力下的高功率因數(shù)運(yùn)行。SVG主要參數(shù)如表1所示。

圖1 桂山項(xiàng)目海纜布局

表1 海上風(fēng)電場(chǎng)SVG 主要參數(shù)

3 SVG設(shè)備補(bǔ)償模式選擇與主變調(diào)壓

3.1 SVG設(shè)備補(bǔ)償模式

SVG設(shè)備共有四種補(bǔ)償模式：固定補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、電壓補(bǔ)償以及功率因數(shù)補(bǔ)償。

（1）固定補(bǔ)償：根據(jù)SVG設(shè)定的無(wú)功電流大小，輸出一個(gè)固定的無(wú)功電流，輸出的無(wú)功電流與設(shè)定值保持一致。

（2）動(dòng)態(tài)補(bǔ)償：SVG自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載無(wú)功電流，輸出電流隨負(fù)載無(wú)功電流變化。

（3）電壓補(bǔ)償：根據(jù)補(bǔ)償點(diǎn)在高壓側(cè)或低壓側(cè)設(shè)置補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償電壓與設(shè)定值保持一致。

（4）功率因數(shù)補(bǔ)償：基于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模式下進(jìn)行補(bǔ)償，按照動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模式進(jìn)行工作，超出設(shè)定值后按照電壓控制方式進(jìn)行補(bǔ)償。

根據(jù)SVG實(shí)際有功功率損耗記錄，在固定補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、功率因數(shù)補(bǔ)償三種補(bǔ)償模式下的有功損耗最大，在電壓補(bǔ)償模式下的有功損耗最小。以桂山海上風(fēng)電場(chǎng)某次保供電任務(wù)為例，電網(wǎng)調(diào)度要求海上風(fēng)電場(chǎng)SVG的運(yùn)行模式為固定補(bǔ)償，固定補(bǔ)償與電壓補(bǔ)償兩種模式下的有功功率損耗記錄見(jiàn)表2所示。因此在SVG設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，按照節(jié)能降耗的安全生產(chǎn)要求，采用補(bǔ)償電壓的模式明顯比其他模式節(jié)能。

表2 案例SVG運(yùn)行有功功率損耗對(duì)比

3.2 主變壓器調(diào)壓

桂山海上風(fēng)電場(chǎng)配置了兩臺(tái)110kV主變壓器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主變），型號(hào)及主要參數(shù)均相同，見(jiàn)表3。

表3 案例110kV主變主要參數(shù)

主變壓器的有載調(diào)壓檔位共有17檔，在桂山海上風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)110kV海纜首次受電時(shí)，SVG設(shè)備未投入運(yùn)行，為保證風(fēng)場(chǎng)升壓站35kV母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在35kV,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員將主變有載調(diào)壓檔位調(diào)整在13檔。此時(shí)，海島微電網(wǎng)、海上風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)等35kV系統(tǒng)均能保持在35kV電壓穩(wěn)定運(yùn)行。

SVG投入運(yùn)行后，采用有功損耗較小的電壓補(bǔ)償模式，進(jìn)一步穩(wěn)定35kV母線(xiàn)電壓，確保各個(gè)海島微電網(wǎng)、海上風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)小風(fēng)期、大風(fēng)期不同時(shí)段的變更，海上風(fēng)機(jī)的出力與之相應(yīng)變化；另外，伴隨季節(jié)更替，海島微電網(wǎng)負(fù)荷、電網(wǎng)負(fù)荷也會(huì)出現(xiàn)變化，海上風(fēng)機(jī)輸出電能的流向也隨之變化。此時(shí)，海上風(fēng)電場(chǎng)35kV母線(xiàn)電壓亦會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，SVG為穩(wěn)定35kV母線(xiàn)電壓，會(huì)增加無(wú)功輸出，確保海島微電網(wǎng)、風(fēng)機(jī)集電線(xiàn)路的電壓穩(wěn)定。在這種情況下，SVG輸出較大的無(wú)功功率則會(huì)隨著110kV送出海纜匯至電網(wǎng)變電站，造成電網(wǎng)側(cè)110kV母線(xiàn)電壓的升高，而SVG的有功功率損耗同樣增加，造成了風(fēng)電場(chǎng)能耗增加。

為了盡量減少無(wú)功功率匯入電網(wǎng)，降低SVG有功功率損耗，同時(shí)穩(wěn)定35kV母線(xiàn)電壓，確保各個(gè)海島微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)技術(shù)人員將110kV主變有載調(diào)壓檔位由13檔調(diào)整至14檔。采用SVG電壓補(bǔ)償模式，調(diào)整主變有載調(diào)壓裝置檔位，調(diào)節(jié)主變低壓側(cè)電壓，從而調(diào)節(jié)35kV母線(xiàn)電壓，減少了SVG的無(wú)功功率輸出，降低了其有功損耗，也減少了無(wú)功功率匯入電網(wǎng)側(cè)變電站，穩(wěn)定了電網(wǎng)側(cè)110kV母線(xiàn)電壓。調(diào)節(jié)前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分別如表4至表6所示（#1、#2主變相類(lèi)似）：

表4 案例SVG電壓補(bǔ)償模式運(yùn)行結(jié)果

表5 案例SVG固定補(bǔ)償模式運(yùn)行結(jié)果

表6 案例SVG電壓補(bǔ)償模式運(yùn)行結(jié)果

SVG有功功率損耗的電量需要在時(shí)間上進(jìn)行積累。因此，如表4的第1種方式下，#2 SVG運(yùn)行半月累計(jì)損耗電量為1.72萬(wàn)kW . h；#1 SVG運(yùn)行半月累計(jì)損耗電量為1.22萬(wàn)kW . h。在如表6的第3種方式下，#2 SVG運(yùn)行半月累計(jì)損耗電量為0.98萬(wàn)kW . h；#1 SVG運(yùn)行半月累計(jì)損耗電量為0.73萬(wàn)kW . h。很明顯，第3種方式比較節(jié)能，而且具有較高的調(diào)壓水平。

4 結(jié)論

在無(wú)功功率充裕和平衡的電力系統(tǒng)中，改變主變壓器變比有良好的調(diào)壓效果，應(yīng)優(yōu)先采用。但在無(wú)功不足的電力系統(tǒng)中，不宜采用改變主變壓器變比調(diào)壓，因?yàn)楦淖冎髯儔浩鞯淖儽炔](méi)有增加系統(tǒng)的無(wú)功功率，這就有可能在采用變壓器變比改善某個(gè)地區(qū)電壓水平的同時(shí)會(huì)惡化其他地區(qū)無(wú)功功率不足，導(dǎo)致地區(qū)電壓水平進(jìn)一步下降。因此，在無(wú)功不足的電力系統(tǒng)中，首先應(yīng)裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率的缺額。

本文研究的桂山項(xiàng)目包括了海上風(fēng)電場(chǎng)、海島微電網(wǎng)兩個(gè)部分，海纜數(shù)量較多，其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)功平衡造成了較大的影響，配置了兩套SVG后，無(wú)功調(diào)節(jié)容量較充裕；在不同季節(jié)風(fēng)速下，海上風(fēng)機(jī)出力變化較大，海島微電網(wǎng)負(fù)荷也隨季節(jié)更替出現(xiàn)相應(yīng)變化。所以，采用主變調(diào)壓與SVG電壓補(bǔ)償相配合的方式，既穩(wěn)定了海上風(fēng)電場(chǎng)35kV母線(xiàn)電壓，也穩(wěn)定了各個(gè)海島微電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，又減少了海上風(fēng)電場(chǎng)匯入電網(wǎng)無(wú)功功率，穩(wěn)定了電網(wǎng)側(cè)母線(xiàn)電壓，是一種可靠性較高、經(jīng)濟(jì)性較好的電壓調(diào)試運(yùn)行方式。