海上风电场无功补偿配置方式研究

海上风电场无功补偿配置方式研究

刘钊

福建永泰闽投抽水蓄能有限公司 福建省 福州市350713

海上风电在发展初期，单机容量和风场总装机不大、离岸距离很近，一般通过陆上升压站并网，无功补偿的技术问题并不凸显。近年来，随着海上风电机组大型化、离岸距离增加，在无功平衡方面也遇到了新的问题，例如:大量海底电缆充电功率的影响越来越大；大容量机组使用的永磁直驱发电系统的无功特性与传统鼠笼式异步发电机完全不同；海上升压站通常很紧凑，不易安装大型无功补偿设备等。上述问题都会增加海上风电场的无功配置难度，本文尝试对上述问题进行分析并计算。

一、海上风电场的无功特性及并网方式

1.1 海上风电场的无功特性

在海上风电场内，无功电源主要是风电机组的无功出力和场内集电线路的充电无功；无功负荷主要是场内集电线路、机组箱变和主变压器的无功损耗。当海上风电场的出力比较低时，线路轻载且充电功率过剩，海上风电场向电网输出无功功率；当海上风电场有功出力增大，场内充电功率小于无功负载时，海上风电场从电网吸收无功。

海上风电最早采用的恒定转速风电机组，它在发出有功功率的同时还需要从电网侧吸收无功功率来给机组励磁，并且吸收的无功功率随着有功出力增大而增大，需要自身配有无功补偿装置，不能向系统发无功。

1.2 海上风电场输电并网技术

1.2.1高压交流输电方式（HVAC）

海上风电场高压交流并网通过二级升压，发电机端电压690V通过箱变升压到35kV，通过海底电缆汇集到海上或陆上的升压站，经过主变压器升压到220kV后，再通过高压主海缆或陆上架空线并入电网。

1.2.2高压直流输电方式（HVDC）

随着海上风电场规模增大和离岸距离增加，采用直流输电变得十分必要。直流输电按照变流原理可分为基于线换相换流器的LCC-HVDC和基于电压源换流器的VSC-HVDC两种类型。LCC-HVDC适用于超大容量、超远距离电能输送和两大电网的背靠背联络，尚未成功应用于海上风电工程。VSC-HVDC国内称为柔性直流输电，采用IGBT变频器，能够实现有功功率和无功功率的独立控制，灵活实现海上风电场远距离、大容量的风电潮流控制。

二、基于HVAC并网的海上风电场无功补偿配置方式

2.1风电场无功补偿装置

我国目前淘汰了最早的固定电容器组补偿，逐步采用并联电容器/电抗器、静止无功补偿器的补偿方式。以下简单进行比较：

2.1.1 并联电容器/电抗器

并联电容器/电抗器是无功功率和电压调节最基本的方法。将电容器/电抗器分成若干组，根据风电场出力和母线电压确定投切容量，可以实现对无功功率的不连续的调节。根据运行方式和主接线不同，上述控制策略可能会有差异。这种补偿方式投资较少，技术成熟、维护方便，运行功耗较低，但是也存在明显缺点：采用SF6断路器进行投切，操作复杂、可靠性较差；响应速度慢，尤其在故障期间无法快速投切，对维持风电场暂态电压稳定的作用很有限；无法实现连续调节，不可避免出现过补偿和欠补偿的问题。

2.1.2静止无功补偿器SVC

SVC是目前电力系统中应用最多、技术最成熟的动态无功补偿设备，主要分为晶闸管控制电抗器（TCR型）和晶闸管投切电容器（TSC型）两种基本类型。在正常运行范围内，TCR可以视为连续可调的电抗。TSC型SVC如果在不适当的时机投入电容器会导致浪涌电流，因此需要设置限流电抗器对浪涌电流进行限制。另外，限流电抗器需要与电容器参数搭配，避免在某些特定频率上与系统电抗发生谐振。

2.1.3 静止无功发生器SVG

SVG采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成逆变器，它可以等效为一个受控电流源。SVG响应时间短，一般为5-10ms，且它本身谐波少，电能质量更好。

2.2 海上风电场无功补偿配置方式

由于海上风电场离岸距离、建设规模不同，决定了是否建设海上升压站。然而海上升压站与陆上升压站在总平面布置、设备选型、安装维护便利性以及工程造价方面有很大差别，这对海上风电场无功补偿配置方式有较大影响。

2.2.1 通过35kV集电线路接入陆上升压站并网

根据标准规范的要求，并结合工程实际，一般在陆上升压站集中配置动态无功补偿装置，通常安装在主变低压侧母线上。装置的容性和感性容量应满足规范要求。结合各种补偿装置的特点，考虑到双向输出和快速响应的需要，补偿装置宜选择SVG。

2.2.2 35kV集电线路接入海上升压站后通过高压主海缆并网

同等规模的海上风电场，如果通过海上升压站并网，35kV集电线路长度将更短，但由于离岸距离较远，220kV主海缆长度较长、充电功率很大。海上升压站空间受限，通常在海上和陆上同时布置补偿装置。所采用的无功补偿配置方式建议如下：

1)在海上升压站的主变低压侧配置低压电抗器，补偿容量为35kV集电线路的充电无功。如果高压主海缆很长，配置的低压电抗器容量还要考虑高压主海缆充电功率的40%-50%。

2)在陆上集控中心配置高压电抗器，补偿容量为高压主海缆的充电功率。如高压主海缆很长，在陆上布置的高压电抗器的容量仅考虑高压主海缆充电功率的50%-60%。

3)补偿装置的容性容量应满足风电场满发时机组箱变、升压站主变的无功损耗以及送出线感性无功损耗的一半；感性容量应满足送出线路充电功率的一半。考虑到双向输出和快速响应的需要，补偿装置建议选择SVG。

三、海上风电场无功补偿容量计算

海上风电场实际运行中的无功损耗主要体现在：变压器、风力发电机、集电线路及高压主海缆、送出线路组四个方面。首先需要对以上无功损耗进行计算，然后确定容性和感性无功补偿容量，最后选择补偿装置和配置方案。

3.1 海上风电场无功损耗估算方法

3.1.1 变压器

变压器的无功损耗主要包括变压器的漏抗损耗和励磁损耗，对于主变压器和机组箱变而言，其无功损耗计算方法一致，公式为：

       （1）

式中：为变压器无功损耗；为变压器负载损耗，即漏抗损耗；为变压器空载损耗，即励磁损耗； 为变压器额定容量；S为变压器视在功率；%为空载电流百分数；%为短路阻抗百分数。

3.1.2 风力发电机组

近年来，国内海上风电所采用的5MW以上大容量风力发电机组主要是永磁同步机组和恒频变速双馈异步机组。永磁同步发电机采用的是永磁体励磁，在定子侧采用全功率变频器，控制风力发电机组按照恒定功率因数运行。为保证出力，通常功率因数控制为1.0，因此对直驱型机组可以不考虑无功损耗。

3.1.3 集电线路及高压主海缆

海上风电场的集电线路主要是连接各风电机组与低压侧母线的35kV海底电缆；对于设置海上升压站的海上风电场，则通过高压主海缆连接至陆上集控中心后并入电网。对于这些电缆的无功损耗包括了运行期间的感性无功损耗和线路充电功率，表示为：

                 （2）

式中：为总无功损耗；为感性无功损耗；为充电功率；P1为线路有功;Q1为线路无功；U1为线路始端电压；U2为线路末端电压；I为线路电流；X为等值电抗；B为等值电纳。

220kV主海缆和35kV海缆的充电功率相比架空线高很多，可能导致工频过电压等问题，是海上风电场无功补偿区别于陆上风电场的关键点。

3.1.4 送出线路

根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2016） ，无功补偿容量能够补偿送出线路一半感性无功功率和一半充电无功功率。对于送出线路采用电缆的，计算方式与3.1.3节相同；送出线路采用架空线的，其充电功率可忽略不计；但感性无功损耗随着线路负载的增大而增大，本文不涉及，在此不赘述。

3.2 海上风电场无功补偿容量估算实例

3.2.1 某海上风电场基本情况

某海上风电场拟布置单机容量7MW的海上风力发电机组21台，总装机容量147MW，其网络结构见图1。

图1 某海上风电场示意图

发电机出口经箱变升压至35kV后，通过5回35kV电缆汇流接入设在陆上的升压站，站内配备一台额定容量150MVA的主变压器，主变高压侧经过一段500米的220kV电缆开断接入已建成的220kV架空线路并入电网。

3.2.2 海上风电场无功补偿容量估算

为全面考虑海上风电场实际运行状况对无功的影响，根据风电场是否满发、机组和接入点功率因数的不同情况，分三种典型运行方式进行比较分析。

根据本文3.1章节给出的海上风电场各部分无功损耗估算方法，结合案例海上风电场的实际情况进行无功补偿容量估算，将设备参数代入公式（1）（2），可以计算出该海上风电场各部分的无功。海上风电场三种典型方式下的无功平衡结果详见表1。

3.3 无功补偿设备的选型

3.3.1 确定容性和感性补偿容量

由上表，应按方式二的容性无功缺额确定补偿容量，即配置的补偿装置的容性容量不低于32.4Mvar。方式三在风电场全停时，为补偿送出线路及场内集电线路的充电功率，应配置补偿装置的感性容量不低于5.2Mvar。

3.3.2 无功补偿设备选型

根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2016）及上述无功平衡结果，并考虑到各种补偿设备的性能特点，为了满足快速响应和双向输出的要求，补偿设备选择SVG。同时考虑到感性容量缺额较小，容性容量缺额较大，应同时搭配并联电容器组使用，以节约投资。最终确定在陆上升压站35kV母线侧配置1组容量为20Mvar的SVG动态无功补偿装置和1组容量为13Mvar的电容器成套装置。

四、结论与展望

本文介绍了用于海上风电场的无功补偿方式，针对HVAC并网的海上风电场的典型方式，通过计算和数据分析，并结合工程案例提出了设备优化选型的方案。随着海上风电进一步向远海发展，海上升压站容量和高压海缆长度大幅增加，以及VSC-HVDC并网技术的应用，海上风电场电压、无功的特点也在不断发生变化，今后需要对海上风电场无功补偿配置方式和使用的补偿装置进一步跟踪研究。

参考文献

[1] 杨校生，风力发电技术与风电场工程，北京：化学工业出版社，2016

[2] 钱海，风电场无功补偿容量配置及补偿方式的研究，北京：华北电力大学，2012