海上风电系统无功补偿优化设计分析

1、海上风电系统无功补偿优化设计分析摘要：在海上风电系统建设中，优化无功补偿设计能够增强系统运行效果。基 于此，本文从海上风电系统无功补偿优化设计的研究意义展开论述，详细阐述了 机组模型构建、集电系统模型构建、系统无功补偿运行分析、无功补偿设计研究、 设计方案仿真验证这几项优化设计分析过程，研究了无功补偿装置的优化。关键词：无功补偿；风电系统；机组模型引言：海上风电系统是一种能够将海上风能转化为电能的发电系统，具有低 碳、环保等优势。而无功补偿系统作为保障风电系统稳定供电的重要设施，起到 了提高供电效率、减少电网损耗的作用，因此工作者应当深入分析无功补偿系统 的优化设计方法，并采取有效措施，强化无

2、功补偿装置的效用，提升系统运行水 平。1优化设计的研究意义据统计，我国东部沿海地区存在可开发风能资源约有7.5千亿瓦，供电企业 通过建设海上风力发电系统，能够实现沿海地区的有效供电，推动我国可持续发 展国策的落实进程。在此过程中，海上风电系统需要借助长距离的海底电缆以及 海上升压站，来进行电力功率传送，因此，在长距离传输的条件下，电缆不可避 免地会呈现出空载的状态，而空载电缆呈容性，会随着功率的增加，出现电容性 或电感性无功情况，使无功补偿成为了海上风电系统必不可少的部分。为了保障 供电质量，当前各供电企业大多都会在陆上并网点内安装无功补偿装置，但这并 不能弥补长距离传输带来的问题，而且会造成

3、无功容量太大。然而，在每台风机 上都安装补偿装置，则会给整体调度控制带来困难，因此，研究者提出在陆上集 控中心、海上升压站分别安装补偿系统，并深入探讨了补偿系统的优化设计方案， 希望能够利用电缆的电容和电感特质，提高供电的稳定性。2优化设计研究过程2.1机组模型构建为了推算出海上风电系统无功补偿装置设计的最优解，研究者需要构建出一 个机组模型，来模拟风机运作状态，强化设计的合理性。在模型构建中，由于风 电机组的总容量相当于系统内所有发电机的容量之和，所以研究者将模型中的等 值风力发电机作为节点，然后将每台发电机的电厂单链支路编号设为i，并将j设 为一个单链支路中发电机的具体编号，同时，支路总数

4、量设为N，支路中风力发 电机的总数量设为M，P、Q则为该风电发电机经过变压器之后，线路所呈现出 的有功、无功功率。基于此，研究者即可得出等值风电机组容量的模型表达式， 即。为了模拟其无功功率以及有功功率的形成，研究者还要借助上述表达式推算 出每台发电机P、Q的表达式，最后构建出风电发电机机组的数学模型，这样可 以有效模拟出风电机机组的功率变化状态，以便于在后续的设计优化中，准确反 映出补偿器对海上风电系统的作用效果。2.2集电系统模型构建集电系统即为海上风电系统中的电缆系统和电网系统，研究者需要分析电缆 系统在其自身电容性和电感性特质下的运行状态，并构建出相应的系统模型，推 算出电阻、电容、电

5、感这几项主要因素在整体模型中的表达式，使海上风电系统 模型能够更好地模拟出无功补偿装置下自身的运行效果，强化模型仿真效果。在 模型构建中，研究者在上述数据设置的条件下，可以将电缆长度设为，然后将电 缆的电阻设为r、将电容设为C、将电感设为L，再应用电缆的电阻、电容、电感 的物理计算公式，结合上述研究中得出的风电机组模型，推导出这三个量在风电 系统中的表达式，就会得出一个电缆方程组，此方程组即为集电系统的数学模型， 能够体现出每台风力发电机所连接的电缆线路，在其自身的电感、电容特质下所 呈现出的运行状态。之后，再结合海上升压站的模型，即箱式变压器的数学代数 式，就可以构建出一个电缆与海上升压器的

6、数学模型，以便于后续的仿真模拟研 究。2.3系统无功补偿运行分析在数学仿真模型的构建中，研究者需要借助上述机组、集电系统数学模型， 来推导出无功补偿设计方案需满足的条件，提高优化设计的准确性。现阶段，我 国海上风电系统的一般都应用双馈电机组，这种机组具有一定的无功调节能力， 研究者结合无功容量计算规范，能够得出无功补偿装置的优化设计应当满足以下 几项运行状态的要求：第一，在调度中要求输出的无功功率是0Mvar，风力发电机组输出最小视在 功率的情况下；第二，在调度中要求输出的无功功率是0Mvar，风力发电机组最 大有功功率、0Mvar无功功率情况下；第三，在调度中要求输出最大值无功功率， 风力发

7、电机组输出最大视在功率的情况下，第四，调度要求最大值无功功率，发 电机组电压跌落到标准值的0.45倍时的状态。其中，根据国家现行的动态无功电流要求，可以得出当前调度部门所给定的 无功功率表达式为，一般来说，风电场只要最低程度地满足调度要求即可，所以 在电压跌落时，无功输出的代数表达式为。在上述表达式的基础上，研究者可以 得出无功补偿装置优化设计中的最小视在功率、最大有功功率、电压降以及最大 视在功率这几项设计参数。2.4无功补偿设计研究为了保障无功补偿装置的运作能够满足上述条件，研究者采用了设计搜寻的 算法，将上述情况下装置的最小总功配置容量中的最大值设为算法最优解，就可 以确保优化设计下的无

8、功补偿装置应用效果，然后基于此，研究者将无功补偿装 置的最小总容量设为Q，并将i对应于上述的四种调度要求情况，然后可以得出 装置的优化设计目标，即Q=maxQcxi、Q92i=Qzi、Qcxi=min(|Qrpeil| + |Qrpejz|)，其中i=1,2,3,4。之后，研究者模拟在海上升压站、陆上集 控中心分别配置无功补偿器，并采用变PID控制方式，然后设PID的两个比例参 数分别为a和b，而且a+b=10。在升压站与集控中心两处的补偿装置PID控制参 数相同的情况下，研究者需要采用仿真软件来推算，当a从0增大到10的过程 中，补偿装置采用的补偿方式，进而实现所有要求条件下，各类不同补偿方

9、案的 全面搜索，实现对补偿装置的优化设计，提高设计研究结果的全面性和准确性。 2.5设计方案仿真验证为了验证研究者所提出的将补偿装置分别设置在海上升压站、陆上集控中心 这一优化设计思想的合理性，研究者采用了 PSCAD仿真软件，来进行设计方案仿 真验证，并将具体运作环境设计在发电机数量为66台、3MW风力发电机组电容、 0.95为最小功率因数、参与无功调度的状态下。根据上述设置的补偿方案全搜索 方式，研究者在之前提出的四种情况下，将a从0逐步增大达到10，并采用仿真 软件得出了仿真结果图。从仿真结果图中，工作者可以得出，当a增加到8的时 候，如果电网存在电压跌落现象，系统的总无功功率则呈现出了

10、最小的状态，而 在该设计优化条件下，补偿装置能够有效跟踪调度要求，并进行相应的无功补偿 输出，因此，Q=maxQcxi、Q92i=Qzi、Qcxi=min ( |Qrpeil| + |Qrpejz|)条件下，分 别设置在陆地上集控与海上升压站中的无功补偿装置，可以满足海上风电系统的 无功补偿需求，有助于强化该系统供电的稳定性和可靠性1。3优化设计结果分析在研究过程中，研究者通过将系统数学模型输入到计算机仿真软件中，来实 现无功补偿装置设计的最优解，最终得出，将基于陆上集控中心、海上升压站这 两个装置设置位置的优化设计，能够良好地实现海上风电系统的无功补偿，有利 于改善当前的系统供电质量2。结论：综上所述，基于无功补偿优化的海上风电系统能够推动风能供电质量的发 展。在优化设计中，研究者通过建立一系列的无功补偿装置运行模型，可以得出 将补偿装置分别设置在海上升压站与集控中心中可以海上风电系统的各类运行状 态需