考虑工频过电压的海上风电场无功配置方案研究

1、考虑工频过电压的海上风电场无功配置方案研究*tl陈柏超，罗璇瑶，袁佳歆，田翠华，罗直(武汉大学 电气工程学院 武汉430072)摘要：随着海上风电能源的不断开发，海上风电场的过电压问题对系统的安全运行极为重要，而无功补偿 问题影响着系统的电能质量，因此在确定无功补偿方案的同时也应该考虑过电压的限制。本文基于海上风 电场含有架空线路和海底电缆混合输电线路的风电场电磁暂态模型，提出了一种考虑工频过电压的无功配 置方案，利用atp/emtp仿真软件分析了海上风电场工频过电压，并在此基础上对风机不同出力情况下的 风电场无功容量需求进行计算，从而得到符合系统安全运行范围的海上风电场无功容量配置方案，并以

2、某 海上风电场为例，最后利用matlab/simulink仿真验证了所提方案的可行性。关键词：海上风电场;工频过电压；无功补偿；配置方案中图分类号：tm761文献标识码：a文章编号：1003-0000 (2018) 00-0000-00reactive power allocation scheme for offshore wind farm consideringpower frequency overvoltagechen baichao, luo xuanyao, yuan jiaxin, tian cuihua, luo yaoschool of electrical enginee

3、ring, wuhan university, wuhan 430072, china)abstract: with the continuous development of offshore wind energy, ad orar-voltage problem of offshore wind farm ¥>丑ge-pfoblem is extremely impoilanl for 拆the system-esafe operation of system-is-e*籽ethely-irnpeflark and the reactive power compensat

4、ion problem affects the quality of system quality, therefore, restriction on the over-voltage should also be considered won determining the scheme of reactive power compensation. basiftg-ed on the wind electric field electromagnetic transient model of offshore wind farm with overhead lines and subma

5、rine cable hybrid transmission lines of wind electric field eleclfomagnelic ininsienl model, this paper proposes a method of reactive power allocation scheme for offshore wind farm access system considering power frequency overvoltage by using atp-/-emtp simulation software to calculate the frequenc

6、y overvoltage of offshore wind farm power frequency overvoltege, and on this basis, the reactive power capacity of wind farm 拾is calculateed under the different output conditions of wind power, and the cadacity reqoiremonts-eeget range of offshore wind farm with configuration scheme for the safe ope

7、ration of the system ef-迪 obtainedoffshore wind farm with coa fighfalieh-seherreof reaclive power eapaeky. taking a certain offshore wind farm as an example, the power frequency overvoltage and reactive power compensation are calculated and analyzed. finally, the feasibility of the proposed scheme i

8、s verified by matlab/simulink simulation.0 引言随着地球的煤炭和石汕资源接近耗尽，世界上 大部分国家都把开发和利用可再生能源作为一项*基金项目：国家自然科学基金资助项目()；中国水电顾问集团华东勘测设 计研究院有限公司研究项目(ky120228-03-04-w1)key-words: offshore wind farm, power frequency over-二voltage, reactive power compensation, allocation scheme 国策，提高到能源战略的地位。21世纪必然是一 切可再生能源革命大发展的春天。

9、而风能作为可再 生能源的一种，在被利用的可再生能源中占了一半 以上。风力发电是利用风能资源的一种最主要的手 段，近年来高速增长，前景光明。随着陆上风电资源开发的逐渐饱和，而且陆上机组对自然景观有一定的破坏，也会带来一定的噪 音污染，近海潮间带及海上风能资源储量丰富，风 能质量好，海上风电场装机容量得到大幅增长，海 上风电即将成为未来风能应用和发展的重点i。对于海上风电场，电能主要通过海底高压电缆 从海上传输到陆上，再通过架空线路传递到并网 点。而海底高压电缆的充电功率很大，相对于普通 架空线路，可能会产生较大的工频过电压。而目前 对海底高压电缆过电压的研究不多，尤其是对于含 架空线路和高压电缆

10、混合输电线路的海上风电场 的研究来说。因此，对海上风电场含有架空线路和 海底电缆的混合输电线路进行工频过电压研究对 系统的安全运行有着极为重要的作用。在未装设无功补偿装置且风机不发出无功的 情况下，风电场消耗无功的设备主要有变压器、海 底电缆和架空线，而且其大小与线路潮流有关；风 电场发出无功的主要设备为海底电缆和架空线，其 大小随电压波动，但变化极小可认为不变。由于风 速的随机波动，导致系统中的无功需求也是随时变 化的。为了满足无功需求的随机变化，海上风电场 必须装设一定容量的动态无功补偿装置。由于一般 的动态无功补偿装置价格较昂贵，通常情况下也会 采用固定高抗与动态补偿装置相结合的无功补偿

11、 方案来降低经济性。固定高抗是限制工频过电压的 主要措施，同时又具备补偿无功的效果。文献3介绍了海底高压电缆的不同结构对其 过电压的影响，但几乎没有考虑架空线路；文献 4.5包括合闸初相角、运行馈线数量、变压器位置、 运行方式以及母线长度对海上风电场内部电气系 统过电压的影响，并未考虑输电线路的过电压问 题；文献6-7以实验和仿真相结合的方法对海上风 电场的集电网络系统内产生的暂态过电压进行了 分析。文献8分析了不同无功配置方法对输出海缆 的损耗影响；文献9通过分析了不同类型风电机组 所组建风场的无功功率特性，并制定了静态无功补 偿与动态无功补偿的配合方法；文献10充分考虑 双馈风电机组的无功

12、特性，通过粒子群算法对海上 风电场的无功功率进行优化，达到减小网损和降低 补偿容量的目标。上述文献只是分别从过电压和无功补偿的角 度分析了对海上风电场的影响，实际上在无功补偿 的同时，还可以对过电压进行限制，这就需要配置 一套能同时满足二者要求的综合补偿方案，而目前 少有文献研究这一点。文献11研究了考虑海缆充 电功率的无功补偿，但这只说明了对因电容效应引 起的过电压的作用；文献12对海上风电场的工频 过电压和无功补偿进行了综合计算，但没有考虑风 机不同出力情况下的无功需求，并且所选案例满足 过电压限制要求，代表性不强。因此，本文提出了一种考虑工频过电压的无功 配置方案，通过对含有架空线路和海

13、底高压电缆的 海上风电场输电线路进行工频过电压分析，并通过 并联高抗对过电压加以限制，从而修正风机不同出 力情况下还需增加的无功补偿容量，确定综合补偿 方案，同时达到限制过电压和补偿功率因数的作 用，为海上风电场的工程应用设计提供实际参考。1 工频过电压一般海上风电场会安装避雷器用以限制操作 过电压，可以不用另加别的抑制措施。因此，本文 主要对海上风电场的工频过电压进行分析。产生工 频过电压的主要原因有：空载长线路引起的电容效 应、系统发生不对称接地故障以及发电机突然甩负 荷"。1.1空载长线路的电容效应对于海上风电场，常应用长距离高压海底电 缆，由于容抗大于感抗，因此交流电流流过时

14、，由 于电感与电容上的压降反相，旦容性电流在感抗上 的压降把容抗压降抬高，使得线路上各点电压高于 电源电势，而且愈靠近空载线路末端，电压升高愈 严重。线路上的电压自首端开始逐渐上升，全线按余 弦曲线布，当到达线路末端时，电压达到最高。1.2不对称接地引起的工频过电压单相接地时，工频过电压与相接地点向电源侧 的零序/正序电抗值成正比。当其大到一定程度时, 单相接地甩负荷过电压的幅值甚至可能超过三相 甩负荷过电压。1.3甩负荷引起的工频过电压甩负荷前后，线路遵循磁链不变原理，发电机 的暂态电势保持不变，但甩负荷后空载线路的电容 效应与发电机的超速叠加导致电势和频率上升，造 成较高的工频过电压。1.

15、4工频过电压的抑制措施抑制工频过电压常见的方法有：采用良导体地 线和并联高压电抗器。前者通过减小线路的零序电 阻和电抗使工频过电压减小，后者主要是用来补偿 线路上的容抗，从而来限制工频过电压，同时并联电抗器还可以来调节线路无功潮流，因此并联高抗 为限制工频过电压的主要措施。2 海上风电场无功补偿2.1海上风电场结构35kv海缆220/35/35kv集电线路图14-海上风电场结构示意图fig.14- the-sschematic diagram of offshore windfarm以如图1所示的江苏某海上风电场为例，海上 风电场结构上主要由风力发电机组、集电线路、海 上升压站、风电场输电线路

16、组成。风力发电机将转 化的风能经由机端的升压变压器通过35kv海底电 缆与集电母线相连，汇总至海上升压平台经由主变 连接到高压海底海缆，到达陆上集控中心后再通过 高压架空线连接到电网。2.2无功特性需求以上图4所示的海上风电场为例，35kv海底 电缆长度很短不予考虑，整体等效变换至220kv 侧的等值电路如图2所示：偈+j0 £+jq £+jq £+jqr+j0图23海上风电场等值图fig.23 the equivalent circuit of offshore wind farm 其中，pg、qg、fpcc、0cc分别为风力发电机 输出和注入并网点的有功、无功

17、功率，pto、。此、 pn、分别为变压器空载损耗和负载损耗，pl、 q> 0分别为海底电缆的线路损耗和充电功率。当系统稳定运行时，系统电压可认为不变，海 底电缆的充屯功率可认为大小固定不变mi,主变 空载损耗亦为固定值；而主变容量很大，其负载损 耗与海底电缆的线路损耗均与线路流过的功率有 关，同样不容忽视。因此，并网点无功功率有：% = q - (0 + so) - (q - qc)对于变压器有：p +q：qi + q()a g x + q()对于海底电缆有：(2)v1q=#( -玲 - £。)2 + (q - 0 - 0)+?a)2(3) 对于，双馈风机大多数运行在功率因数为

18、1 的状态下，可视为零，而风机的有功出力范围 在0bv之间，则式(1)可化为：加=-金(弓-£1-£o)2+(-q1-qo+?q)2(4)=4+"3+灯号+批+*0其中，灯、k2、k3、k4、ko是与系统参数有关的常 数。海上风电场并网点的无功需求容量应满足：(5)qx = qxc由上可知，海上风电场的无功需求与系统的参 数和风机的有功出力紧密相关，当对海上风电场进 行无功补偿时，需要同时考虑风机的出力水平和系 统的结构参数。2.3无功配置方案海底电缆长度变化时，并网点的无功需求也随 之变化，当长度较小时，海上风电场会表现出较小 范围内的容性无功需求，而当长度较大

19、时，海底电 缆的充电功率很大，只需要补偿感性的无功功率即 可。通过对海上风电场的工频过电压和操作过电 压进行计算，要求加装固定高抗对其进行限制。然 而固定高抗并非海上风电场无功补偿的首选，因 此，本文提出了一种考虑工频过电压的无功配置方 式，能够充分利用高压电抗器既能限制过电压又能 做无功补偿的作用。此方案在安装高抗的基础上, 对无功补偿容量进行修正，从而得到一套既能够满 足过电压限制范围又满足功率因数要求的综合无 功补偿方案，适用不同规格与靠岸距离的海上风电 场，步骤如图3所不。图3无功配置方案流程图fig.3 flow chart of reactive power allocation

20、scheme 3案例分析3.1工频过电压计算本文以图1所示的某海上风电场为例分析其 无功需求，风电场由100台3.0mw的双馈异步感 应风力发电机构成，海上升压平台的主变为2台 sfz-180000/220的低压侧双分裂变压器，220kv 海缆为三根l*800mm2的交流电缆，长度为 23.2km, 220kv架空线长度为20km。采用 atp-emtp电磁暂态程序中的图形预处理程序 atp-draw建立风电场的仿真模型。为了简化系统, 将100台风力发电机简化为四台，并且简化为电源 模型，变压器主要采用bctran变压器模型，当 线路较短时，海缆主要采用型cable模型，线路较 长时，海缆和

21、架空线均采用带集中电阻的分布参数 模型，搭建如图4所示的系统仿真图。图4系统仿真模型图fig.4 diagram of system simulation model3.1.1空载长线路的过电压分析对于海上风电场而言，由于海底电缆的存在, 使得线路上的充电功率较大，从而使得当风电机组 空载时，容易出现末端电压偏高的情况。如表1 所示为不同电缆长度下的空载线路工频过电压。表1电缆长度与线路电压间的关系（p.u.）tab.l the-rrelationship between the length of the cable and the voltage of the line(p.u.)电缆k度

22、/km102073 ?303540系统侧电压1.2511.2631.2671.2751.2811.287登陆点电压1.2551.2701.2751.2851.2931.301风机侧电压1.2561.2751.2821.29713101.324线路越长，电容效应越明显，末端电压上升 越大。根据相关规程要求，对于220kv系统工频 过电压的水平规定为线路断路器的变电站侧不大 于1.3p.u.以下，线路断路器的线路侧不大于 1.4p.u.o对于海上风电场而言，当电缆长度超过 30km时，就会出现工频过电压不满足要求的情况。 而对于本文中所研究的海上风电场的线路长度为 23.2km,可以无需考虑容升效

23、应所引起的过电压。 3.1.2单相接地过电压分析本文主要针对风电场系统侧和风机侧发生单 相接地的故障，对单相接地甩负荷进行分析，并对 一侧单相接地、三相断开的故障形式进行工频过电 压仿真计算，其计算结果如下表2所示。通过表2可知，最大过电压均出现在系统侧, 并且最大故障形式下工频过电压的最大值达到了 1.418p.u.,超出了规程最大允许值，有必要在线路 上加装高压并联电抗器进行工频过电压的抑制。高 抗的选择以补偿度为依据，而根据相关规程的要 求，所加的高压并联电抗器的容量为线路补偿电缆 充电功率的60%-70%左右，而220kv海底电缆的 充电功率约为53mvar,因此高抗可取为30mvar

24、。为了分析电抗器对工频过电压的抑制作用，本 文采用在风电场中的集控中心装设30mvar高压电 抗器的方式进行分析计算，主要是针对容升效应和 系统侧一相短路、三相断开的方式进行分析，其计 算结果如表3所示。在采用高压电抗器之后，工频过电压均在规 程范围以内，说明加装30mvar并联高抗不仅能够 补偿系统无功，还能起到有效地抑制工频过电压的 作用。因此，可以对无功补偿的容量起到参考作用o故障类型故障点风电场线路侧系统线路侧风电场母线侧系统母线侧单相接地、三相断系统侧1.4181.4051.4181.239开风电场侧1.2741.2671.0801.267表3采用高抗前后的工频过电压计算结果（p.u

25、.）表2风电场单相接地时的工频过电压计算结果（p.u.）tab.2 calculation results of power frequency over-voltage of single phase grounding of wind farm（p.u.）类型系统侧登陆点风电场侧过电压最大值无高抗1.2671.2751.2821.282无故障有高抗1.2541.2591.2661.266无高抗1.2391.4051.4181.418单相接地、三相断开有高抗1.2281.2501.2651.2653.2海上风电场的无功需求计算3.3无功补偿综合方案tab.3 calculation resu

26、lts of power frequency over-voltage before and after high frequency resistance（ p.u）一以江苏省某风电场的相关参数为基准，计算风 机不同出力水平状态下的系统潮流，不考虑风机的 无功出力能力，即功率因数取1。根据相关公式可 计算求得出风电场并网点的无功需求qx如图5所风机出力水平/%图5风机出力和电缆长度对系统无功需求的影响fig.5 the4impact of the wind turbine output and cable lengths for the reactive power demand 根据图5的

27、计算，风机出力为100%时，系统 的无功需求为容性无功；但风机出力小于83%时, 系统的无功需求均为感性无功。而实际情况中， 95%的情况下风电出力小于装机容量的80%， 所以海上风电场的无功需求主要为感性无功。由表 中计算可得风电场的无功需求为 qxh-24.688,56.233mvar。又由于 300mw 风电机 组出力最大时可提供的最大无功补偿容量为 ±93.7mvar,故在风电机组出力较大时，风电场呈 容性的无功需求可以由风电机组来补偿，即无需安 装可输出容性无功的补偿装置，考虑到在在风机出 力较小时，风电机组仍然具有一定的无功调节能 力，在保留一定裕度的情况下，本文初步确定

28、风电 场的无功需求范围为qxc0,56.5mvar。由于风机输出功率的波动性，全部安装动态补 偿装置实时调节海上风电场的无功功率是最理想 的补偿方案。由于只有海上升压站和陆上集控中心 才适合装设无功补偿装置，海上升压平台空间有 限，又加上将体积庞大的常规动态无功补偿装置安 装于海上升压平台会增加海上平台的建设成本和 装置的维护难度。为了节约成本，可以通过合理的 容量配置满足补偿要求，为此采用在陆上集控中心 装设26.5mvar的动态无功补偿装置，海上升压站 装设4组30mvar的固定电抗（每组7.5mvar）的 无功补偿方案，能够同时达到抑制过电压和补偿功 率因素的目的。3.4方案验证220k

29、v架空戏电网系统陆上集控中心风机高抗220kv海缆1>_<高抗动补装置高抗35/0.69kv集电线路海上升压站 22（v35/35kv35kv海缆 £><1_|卜抗图6方案验证接线图fig.6 wiring diagram of scheme verification 由上可知，所提方案己经能够满足对工频过电 压的限制，为了验证其能够很好地补偿功率因数, 利用matlab/simulink搭建该的海上风电场模 型，即在陆上集控中心装设26.5mvar的动态无功 补偿装置msvc,在海上升压站装设4组共计 30mvar的固定高抗，每组7.5mvar。风速模型采

30、用从风机启动到饱和速度的近似线性变化来模拟, 总时长为50s。具体接线图如图6所示。可以得到并网点处的功率因数和电压如下图7、8所示，可以看出，在风速不断变化的情况下, 并网点的功率因数仍然能够保持在0.98以上，并 网点的电压也能够满足要求。图7并网点功率因数fig.7 power factor of access point1.02 :1.015 -1.01 .-41.006 .n 1_o 1 -:° 0.9950.99 0.985 09805101520253035404550t(s)图8并网点电压fig.8 voltage of aaccess rpoint因此，通过工频过电

31、压e析所得到的固定高抗 与动态补偿相结合的无功补偿综合方案既能够满 足工频过电压的限制，又能够动态地补偿功率因 数，证实了该方案的有效性。4 结束语文章以某海上风电场为例，计算了工频过电压 和操作过电压，并以并联高抗的补偿容量值为参 考，联合海上风电场的无功需求特性，得出一套既 综合无功补偿方案，经过验证该方案既能达到过电 压限制范围乂能满足功率因数补偿要求。该方案的 得出过程具有一定的工程实际意义，能够为日后海 上风电场的无功补偿方案提供参考。参考文献1苏晓.2013年全球海上风电发展简析j.风能,2014(6):4014.2 冯文泉，赵磊，巩源泉，等.北车风电海上风电机组概念设计研究j.科

32、技创新导报,2011： (25): 119-122.3 黄辉，郑明，蓝锦标，等.海上风电场海底高压电缆电磁暂态(5 wang j, li g, qin h. simulation of switching over-voltages in the collector networks of offshore wind farmjl. automation of electric power systems, 2010, 2: 024.6 reza m, brcdcr h, sannino a, ct al. cable system laboratory for studying transient phenomena inwin