海上风电场送出混合线路工频过电压和无功补偿研究-第2页-北极星风力发电网

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3 工频过电压和无功补偿研究

3.1 工频过电压

工频过电压在确定系统绝缘水平时起着重要的作用，产生工频过电压的主要原因是空载线路的电容效应、不对称接地故障、发电机突然甩负荷等。由于海缆的与架空线路电气参数上的差异(如海缆线路的电容较大等)，海上风电场采用高压海缆和架空混合线路的送出电力时工频过电压情况较纯电缆和纯架空线路更为复杂。

高压并联电抗器是限制工频过电压的主要有效措施，以带有高抗的空载线路电容效应引起的工频过电压为例，海上风电场输电系统接线示意图如图5所示，可得：

其中，E为系统等效电源，XS为系统电源等值阻抗，XL为并联电抗器，ZC为输电线路特征阻抗，为输电线路的相位系数，l为输电线路长度。由式(6)可以看出，合理选择高压并联电抗器容量可有效降低输电系统末端电压U2，从而限制工频过电压数值；若不装设并联电抗器，则并联电抗器抗值XL=0。高压并联电抗器的选择以线路补偿度为依据，一般情况下，并联电抗器容量应为输电线路充电功率的60%～70%左右。

实际运行中，不对称短路是输电线路中最常见的故障型式，其中以单相接地故障所占比例最大，因此本文主要针对单相接地、三相断开的故障型式引起的工频过电压进行计算分析。

3.2 无功补偿综合研究

目前，勘测设计行业暂无专门针对海上风电场无功补偿容量的标准或规范。参照GB/T 19963-2011相关规定，风电场的无功补偿容量应按照分(电压)层分(电)区基本平衡的原则进行配置，并满足检修备用要求；对于直接接入公共电网的风电场，其配置的容性无功容量能够补偿风电场满发时场内汇集线路、主变压器的感性无功及风电场送出线路的一半感性无功之和，其配置的感性无功容量能够补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功率。结合海上风电场实际接入情况和电网公司技术管理要求，海上风电场配置无功补偿容量需考虑全部补偿其送出混合线路中海缆部分的容性及感性无功功率。根据上述原则，由海上风电场送出混合线路、升压主变、集电线路和机端升压变等设备电气参数即可计算得到所需补偿感性和容性无功补偿容量。本文已对海上风电场的无功补偿三种配置方式作了简要介绍，由于高压并联电抗器费用昂贵，且运行时必须一直接在线路上，不允许退出。综合考虑经济性和灵活性，高压并联电抗器往往不是海上风电场进行感性无功补偿的首要选择。但若通过输电系统过电压保护计算分析，要求加装高压电抗器以限制工频过电压，则必须基于过电压计算结果中高压并联电抗器的补偿度对前述计算所得无功补偿容量进行修正，得到所需低压无功补偿容量，并最终确立海上风电场无功补偿配置方案。按上述过程确定的海上风电场送出海缆+架空混合线路工频过电压和无功补偿综合计算研究流程如图6所示。

4 案例分析

4.1 计算条件

以江苏某近海风电场为例，风电场采用一机一变方式安装18台单机容量3 MW风电机组和37台单机容量4 MW风电机组，总装机规模202 MW，在海上平台建设220 k V升压站，通过一回220 k V海底电缆和架空混合线路送出电力至陆上某220 k V系统变电站，其中海缆截面为3×500 mm2，长度约12.9 km，海缆结构尺寸参数为：导体直径26.6 mm、导体屏蔽层1.7 mm、绝缘层27 mm、绝缘屏蔽1.2 mm、纵向阻水层1 mm、金属套3 mm、半导电护套3 mm、内衬层3.1 mm、铠装层8 mm、外被层5 mm、总外径251 mm；架空线型号为LGJ-2×630，长度约8 km。图7为工程输电系统示意图。

4.2 计算分析过程

首先，根据表1中三芯海缆的几何尺寸，利用EMTP/EMTPE电缆支持程序计算海缆的电阻、电感和电容矩阵，得到海缆的计算模型。建立输电系统等值电路示意图，如图8所示，其中S1、S2分别为系统220 k V变电站和海上风电场220 k V升压站等值电源，ZS1和ZS2分别是对应的等值电源阻抗，输电线路由海底电缆和架空混合线路组成。

考虑风电场三种典型出力方式(100%、60%和10%最大出力)，针对送出混合线路一侧单相接地、三相断开的故障型式进行工频过电压计算，计算结果如表1所示。

根据相关规定，对于220 k V系统工频过电压一般按线路断路器的变电站母线侧不超过1.3 p.u.及线路断路器的线路侧不超过1.4 p.u.考虑。由表2可见，本工程输电系统工频过电压计算结果均低于限值，因此无需采取加装高压并联电抗器来限值工频过电压。

根据本文所确定的无功补偿综合原则，结合变压器和线路等相关设备实际参数，进行工程无功补偿容量计算，详见表2。其中，感性无功缺额考虑能够补偿站内35 k V汇集电缆、220 k V送出海缆容性充电功率及220 k V送出架空线路的一半充电无功功率；容性无功缺额考虑能够补偿海上风电场满发时站内35 k V汇集电缆、220 k V升压主变压器、35 k V机端升压变、220 k V送出海缆的感性无功及220 k V送出架空线路的1/2感性无功之和。

按本文提出的无功补偿综合计算方法，本工程无需加装高压并联电抗器，则最终可确定本工程需配置不低于6.8 Mvar的容性无功补偿装置及不低于37.2 Mvar的感性无功补偿装置，无功补偿装置需具备动态调节能力。

5 结语

海上风电场是我国新能源领域未来投资和建设的热点。针对海上风电场送出高压海缆和架空混合线路的输电系统，本文首先从电磁场角度研究确立海缆计算模型，接着运用EMTP/EMTPE仿真软件建立输电系统模型，对系统工频过电压进行计算分析，根据计算结果确定是否需加装高压并联电抗器，最终综合无功补偿容量计算结果确定无功补偿配置方案。以江苏某近海风电场为例研究介绍了风电场送出海缆及架空混合线路的工频过电压和无功补偿综合计算方法，研究结论可为海上风电场的安全、经济和可靠运行提供设计参考。需要说明的是，由于目前实际工程中相关技术能力和管理经验欠缺，无功补偿暂未考虑风电机组的动态调节能力，否则需根据风电机组的无功容量对无功补偿计算结果和最终无功补偿配置方案进一步进行调整和完善。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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