交流并网海上风电场无功配置原则研究

王 爽，高长征

（1.东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021；2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，吉林 长春 130021）

其它

交流并网海上风电场无功配置原则研究

王 爽1，高长征2

（1.东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021；2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，吉林 长春 130021）

海上风电具有年利用小时长，同时具备风速稳定、占用土地少等优势，在我国的发展逐渐受到关注。由于大量使用海底电缆和建设海上升压站的需要，海上风电场的电气结构与陆上风电场有所区别，反映在无功特性方面存在明显差异。海上风电发展较快的国家在并网导则中都提出了海上风电场无功配置要求，而我国尚缺少针对性要求。基于我国目前海上风电以交流并网为主的现状，在总结国内外风电并网的基础上，计算分析了通过交流线路并网的不同规模海上风电场的无功特性，提出了相应的无功配置原则，可为我国海上风电场的并网设计提供参考和借鉴，促进海上风电场和电网的协调发展。

海上风电；并网；高压交流；无功补偿

近年来，全球风电发展迅速，陆上风电装机容量不断增加，海上风电的发展逐渐受到关注。海上风能资源丰富、年利用小时长，同时具备风速稳定、占用土地少等优势。截止2014年，欧洲并网的海上风电场装机总量为8 045.3 MW［1］，我国目前也建成了东海大桥一期100 MW风电场等示范项目，并且正在辽宁大连、江苏如东以及福建莆田等地规划建设一批规模较大的海上风电场项目，随着并网规模的增加，海上风电对电网稳定运行的影响同样值得重视［2］。

受送出路径限制，海上风电场除了通过高压交流线路与陆上电网相连外，还可通过直流输电线路与陆上电网相连［3］，相关研究表明，根据风电规模和并网距离的不同，两种方式各具优势［4－5］。由于大量海底电缆的使用和建设海上升压站的需要，海上风电场的电气结构与陆上风电场有所区别，突出反映在无功特性方面存在明显差异，因此在海上风电发展较快的英国、德国等国家及电网公司都制定了专门针对海上风电的并网导则［6－7］，针对海上风电场的无功电压控制等方面提出要求，保证风电并网后电站和系统的稳定运行。我国现有的风电并网导则［8］主要针对于陆上风电场的电气特性制定，并没有针对海上风电提出专门的要求，国内开展的相关研究工作也以具体案例分析为主［9－11］，对海上风电场的无功配置缺乏指导作用。

1 海上风电并网要求

英国国家电网（National Grid）并网导则中规定，在海上风电场升压站的低压侧（通常为33 kV），无功交换应保持为零，在与陆上公共输电网的连接点，功率因数应控制在±0.95之间。荷兰及德国北部的电网公司（TenneT B.V.）要求通过高压线路并网的海上风电场并网点的功率因数随着系统电压变化在－0.95至＋0.925可调，同时规定了风机的无功输出范围在输出额定有功时应在－30%到＋40%可调，并且建议在风电场内配置电抗器补偿电缆产生的容性无功，避免外部电网故障时风电场内部出现过电压情况。

我国要求风电场的无功容量应该按照分层和分区的基本原则进行配置，对于直接接入公共电网的风电场，配置的容性无功容量能够补偿风电场满发时汇集线路、主变压器的感性无功功率及风电场送出线路的一半感性无功功率之和，配置的感性无功容量能够补偿风电场送出线路的一半充电无功功率。

2 海上风电场交流并网方式

海上风电的并网方式可以分为交流并网和直流并网两种方式。当海上风电场的规模相对较小且风场离海岸距离较近时，风电机组一般采用交流输电方式直接接入陆上电网，随着风电场规模的增大和与海岸距离的增加，利用海上升压站将风电机组的功率汇集起来升高电压，通过交流或直流方式经过海底电缆输送到陆上。通过技术经济性比较，目前认为规模不超过400 MW，距离陆地不超过50 km的海上风电场推荐采用交流并网方式［12］。据统计，2014年欧洲并网的海上风电场，平均容量386 MW，距离海岸距离32.9 km，除距离海岸100 km的德国Bard风电场采用HVDC技术外，其余并网风电场均采用交流并网方式，而我国目前已建成和在建的海上风电场也均采用交流方式。在现阶段，交流并网的风电场仍是海上风电并网的主要方式。

根据风电场容量和布置方式，交流并网主要有以下3种方式。方式1是小型风电场每台风机直接通过35 kV海缆汇集到陆上升压站方式，受35 kV海缆输送容量限制和海上输送通道限制，该方式输送的风电场容量不宜超过100 MW。方式2是容量较大的海上风电场，风机经汇集线路汇集至海上升压平台，升压至220 kV，经1回海底电缆接至风电场陆上开关站，并通过陆上开关站出线1回接入电网。方式3是距离较近的几个海上风电场分别建设海上升压平台，将海上风电场风机分别汇集升压后，采用220 kV海底电缆连接，并且1回出线接至陆上开关站，并通过陆上开关站出线1回接入电网。

3 海上风电场无功特性分析

海上风电场由于配置了大量的电缆会提供大量的充电功率，同时受海上升压站建设成本和设备运维难度限制，在海上升压站难以安装大量的无功补偿装置，因此其无功特性与陆上风电场存在较大差别，以下分别对不同并网方式的风电场无功特性进行计算分析。

3.1 风电场通过35 kV线路接入陆上升压站

通过35 kV线路汇集到陆上升压站的风电场规模相对较小，且与海岸的距离较近。根据海上风机的选址方法，每条35 kV线路上的风机间隔为500 m左右，装配的海上风机的单机容量主要为3～5 MW。

参照上述条件，建立1座100 MW容量的风电场模型（模型1）。如图1所示，33台3 MW风机经3回20 km长的35 kV电缆汇集至陆上升压站后升压到220 kV送至主电网。

图1 通过35 kV线路接入陆上升压站的风电场

风电场所用电缆如表1所示。经计算，空载时，35 kV汇集线系统共提供5.4 Mvar的充电功率。风电满发时，35 kV汇集线系统无功缺失6.4 Mvar，升压站主变无功损耗为13.5 Mvar，在整个送出系统的损耗占比较大。由于风电满发时电缆的充电功率基本可以补偿汇集线自身的无功损耗，因此风电场内部的损耗可以看做由风机箱变和升压站主变损耗构成，相当于风电场额定功率的20%左右。

表1 35 kV电缆参数

按照我国现有并网导则，风电场配置的无功补偿装置，容性无功主要用于补偿35 kV汇集线系统以及主变的全部损耗和220 kV送出线路无功损耗的一半，感性无功主要用于补偿35 kV汇集线系统全部充电功率和220 kV送出线路充电功率的一半。为降低汇集线的损耗，建议由风机在有功出力较大时提供一定的感性无功补偿线路损耗。按照目前风机功率因数0.95计算，可提供相当于额定有功33%的无功功率，远大于汇集线损耗的无功。

3.2 单个风电场通过海上升压站并网

计算模型2如图2所示，400 MW风电场，通过海上升压站升压至220 kV，经高压电缆连接至陆上开关站。

此种方式下风电场的无功补偿需考虑海上集电线系统及升压站、高压海底电缆和陆上架空线路等部分。

图2 通过海上升压站并网的风电场

3.2.1 高压电缆的无功补偿

高压电缆由于充电功率高、可能引发工频过电压等问题［12－14］，是无功配置研究的重点，对高压电缆空载电容的补偿可以采取两侧补偿的方式，也可以采取一侧补偿的方式，容量应能补偿全部充电功率。

如果高压电缆长度较短，提供的充电功率较少。以长度20 km为例，电缆充电功率51 Mvar。计算表明，在开关站侧一侧补偿，当开关站高压母线电压达到1.07 pu时，风电场升压站及风机端各级母线电压最高不超过1.075 pu，可以保证稳定运行，因此为了降低海上升压站建设成本，高压电缆的补偿装置无需安装在升压站侧。同时经计算升压站主变损耗54 Mvar，高压电缆的充电功率基本满足补偿主变和电缆的无功损耗。由于海上升压站不可能距离海岸过近，可以考虑高压电缆充电功率补偿可满足补偿升压站主变需要。

当高压电缆超过30 km时，不仅充电功率较大，而且要考虑过电压问题。首先通过计算确定在开关站内需要配置的并联高抗的容量（一般为充电功率的60%～70%），其余容量的补偿通过在升压站低压侧安装并联电抗器实现。如经计算不需安装并联高抗，可根据海上升压站建设情况在升压站低压侧安装30%～50%补偿度的电抗器，剩余补偿容量安装在开关站侧。

此外，如果送出线路存在较长的架空线路，虽然架空线路的充电功率不大，但会造成长线路两端存在明显的电压差。如模型2中送出线路除20 km高压电缆外，还有20 km长的架空线路，线路参数如表2所示。在开关站侧补偿电缆全部充电功率损耗时海上升压站电压的相对较高而在线路两侧各补偿50%可以保证线路空载时并网点A（开关站高压母线）和海上升压站220 kV母线B的电压更为合理，计算结果如表3所示。

表2 220 kV线路参数

表3 不同补偿方式母线电压

3.2.2 集电线和海上升压站的无功补偿

根据方式1的计算分析和国外导则的建议，海上集电线系统充电功率的补偿应通过在升压站低压侧安装并联电抗器实现。

风机箱变损耗参照方式1完全由风机通过调整无功输出补偿。升压站主变损耗由高压电缆充电功率补偿，即使略有不足，也可通过调整风电机组的无功输出进行补偿。因此在海上升压站侧不需要配置容性无功补偿装置。

3.2.3 开关站送出线路无功补偿

按照3.2.1和3.2.2的计算，开关站为补偿高压电缆应配置并联高抗或低压电抗器，同时需配置一定容量的无功装置补偿送出线路一半感性无功功率和一半充电无功功率，计算方式较为简单，在此不做赘述，为保证响应速度，该部分无功装置类型应为SVG。

3.3 多个风电场通过海上升压站汇集后并网

图3 通过海上升压站并网的多座风电场

计算模型3如图3所示，2座容量200 MW的风电场，经过220 kV海底电缆相连后通过1回线路送出。这种连接方式通常2座风电场之间的距离很近，在算例中距离为20 km。与方式2相比，方式3主要是增加了2座海上升压站之间的高压电缆联络线，算例中电缆提供35.2 Mvar的充电功率，比方式2在风电场满发时可以提供更多补偿，所以在风电场升压站侧无需增加容性补偿装置。由于电缆线路较长且充电功率较高，此时在各个升压站分别配置电抗器补偿充电功率更有利于控制空载时的电压。不同补偿方式母线电压见表4。表4说明采用均匀补偿的方式，并网点A，海上升压站220 kV母线B、C的电压更为合理，补偿效果明显优于在开关站单侧补偿的效果。因此，在考虑控制电缆过电压所安装电抗器前提下，电缆充电功率的补偿应尽量均匀布置在各座升压站内。由于35 kV汇集集线系统以及陆上送出系统没有变化，所以这两部分的补偿原则与方式2相同。

表4 不同补偿方式母线电压

4 海上风电场无功配置原则

根据上述计算分析，海上风电场与陆上风电场相比具有充电功率较高、在海上升压站配置大容量无功装置成本较高的特点。结合国内外相关并网导则要求，海上风电场的无功配置策略可遵循以下原则。

4.1 风电场通过35 kV线路接入陆上升压站

a.风电场35 kV汇集系统的感性无功损耗通过调节风机功率因数实现。

b.在陆上升压站内配置集中无功补偿装置，容性无功容量应满足风电场满发时主变感性无功损耗以及送出线路感性无功损耗一半。感性无功容量应满足全部汇集线充电功率和送出线充电功率一半。考虑到双向输出和快速响应速度的要求，集中补偿装置宜采用SVG。

4.2 经海上升压站并网的风电场

a.风电场35 kV汇集系统的感性无功损耗通过调节风机功率因数实现。

b.集中无功补偿装置分别配置在海上升压站和陆上开关站（变电站）。海上升压站需配置感性补偿装置（低压电抗器）。当高压电缆较短时，电抗器容量仅需满足补偿全部35 kV汇集系统充电功率，当高压电缆较长时，容量还需满足补偿高压电缆充电功率30%～50%的需要。

陆上开关站需配置电抗器补偿高压电缆充电功率，电抗器类型及容量根据电缆过电压计算结果决定，容量应满足与海上升压站端电抗器容量之和，可补偿海缆全部充电功率的要求。

同时需在开关站内配置一定容量动态无功补偿装置，装置的容性无功容量应满足风电场满发时风电场内的无功缺失和送出线路感性无功损耗的一半，感性无功容量应满足送出线路充电功率的一半，考虑到响应速度的要求，集中补偿装置宜采用SVG。

5 结束语

本文介绍了国外并网导则对海上风电场无功配置的有关要求，针对交流并网海上风电场的典型方式，计算分析了风电场运行时的无功电压特性。针对海上风电场通常充电功率较高、在海上升压站不易配置大量无功补偿装置的特点，提出了海上风电场无功配置原则，可为我国海上风电场的并网设计提供参考。

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Study on Configuration Principle of Reactive Power Compensation for AC Integration Offshore Wind Farm

WANG Shuang1，GAO Chang⁃zheng2
（1.Northeast Electric Power Design Institute，Changchun，Jilin 130021，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co.，Ltd.，Changchun，Jilin 130021，China）

The capacity of offshore wind power integration is increasing with the benefits of higher full power hours and lower cost of land space.Due to the usage of undersea cable and offshore substation，the electrical construction of offshore wind farm is different with onshore wind farm.The requirements of reactive power compensation for offshore wind farm are presented in grid codes for some coun⁃tries while not represented in China.At present，most of offshore wind farm connects the grids with AC transmission lines.In this pa⁃per，the configuration principles of reactive power compensation for AC integration offshore wind farm are proposed，the characteristic of different capacity offshore wind farm are analyzed.

Offshore wind power；Grid connection；HVAC；Reactive power compensation

TM614

A

1004－7913（2016）04－0042－04

王 爽（1979—），女，硕士，高级工程师，主要从事电网规划、电厂接入系统设计、输变电工程可行性研究工作。

2015－12－10）