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全球经济社会迅速发展,能源需求日趋增长,而煤炭、石油等传统能源日趋枯竭,伴随传统能源广泛使用所滋生的环境污染和生态破坏等问题愈发严重。2013年,由国务院印发的关于大气污染防治行动计划的通知中明确提出要加快调整能源结构,增加清洁能源供应,开发利用风能等新能源。我国海上风能资源丰富,且主要分布在经济发达、电网结构较强、又缺乏常规能源的沿海地区。海上风电相比陆上风电具有高风速、高产出、年利用小时数更高等显著优点,加之其不占用土地资源和对环境影响较小,海上风电逐渐成为我国风电产业发展的新趋势。随着海上风电关键技术研发不断突破、建设成本进一步降低,以及国家相关政策大力推动和引导,未来几年,海上风电有望迎来迅速发展的黄金时期。海上风电场在电力输送过程中需采用海底电缆,由于交流电缆具有较大充电功率,特别是高电压、大截面、长距离海缆在过电压保护方面与常规架空线路有很大不同。当前,国内外相关技术领域对海底电缆的过电压研究相对较少,而针对海缆+架空混合线路的过电压研究分析尤其缺乏。从电磁场角度建立海缆的计算模型,针对海上风电场送出混合线路进行工频过电压研究对保证其安全可靠运行十分重要。海上风电场感性无功补偿一般可采用高压并联电抗器(简称高抗)、低压感性补偿、高抗+低压感性补偿三种配置方案;容性无功补偿原则采用动态无功补偿装置。高压并联电抗器是限制工频过电压的主要措施,同时又具备无功补偿的作用。本文基于海上风电场送出混合线路过电压计算分析结果,综合研究海上风电场无功补偿容量,确立无功补偿配置方案,并应用于工程实际,为海上风电场安全可靠经济运行提供设计参考。
1 海上风电场输电系统
海上风电场接入电力系统主要有交流输电和直流输电两种基本方式,其中直流输送方式又分为两类:一类是传统的基于晶闸管换流器(PCC)的直流输电技术;另一类是近些年发展起来的基于电压源变频器(VSC)的轻型直流输电技术。交流输电系统结构相对简单,成本较低,应用较早,技术比较成熟,可靠性较高,是现阶段海上风电场主要采用的输电方式。
本文所研究的海上风电场采用交流输电方式接入电网,主要包括风力发电机组(含机端变压器)、站内汇集线路、海上升压站、送出海缆和架空混合线路,其中站内汇集线路一般采用35 k V电压等级,海上升压站包括升压主变压器和无功补偿装置等设备。图1为采用交流并网方式的典型海上风电场输电系统示意图。
2 海缆模型及电气参数
本文的主要研究对象为海上风电场送出海缆及架空混合线路,因此,从电磁场角度建立海缆的准确模型是进行仿真分析的必要前提。
海底电缆的电气参数取决于海缆所用的材料和几何尺寸,所以可据此计算得到海缆电气参数。海缆的电气参数主要有导电线芯电阻、绝缘电阻、电感和电容,以及正序阻抗和零序阻抗等,海缆的等效电路如图2所示。其中,R0为单位长度的等效电阻,单位为Ω/km,X0为单位长度的等效电感,单位为m H/km;G0为单位长度漏电导,单位为S/km;C0为单位长度的电容,单位为μF/km。在本文的研究中,考虑到海缆的漏电导很小,不考虑海缆的漏电导。
与常规电缆相比,海缆不仅要求具备防水、耐腐蚀、抗机械牵拉及外力碰撞等特殊性能,还要求较高的电气绝缘性能和很高的安全可靠性。根据结构不同海缆可分为三芯和单芯电缆,目前电缆厂家提供的典型海缆结构如图3所示。
以单芯海缆为例,可简化为图4所示的海缆参数模拟原理图。单芯电缆的电气参数是按同轴回路方程的形式推导而得,其中回路1由芯导线C与返回电路金属外皮S构成,回路2由金属外皮S与返回电路金属铠装A构成,回路3由金属铠装A和海水SE构成。上述三个回路的串联阻抗可用式(1)三个耦合方程来描述,其中V和I为相应回路电压、电流。
式(2)和(3)以芯线、外皮和铠装电压电流作为端部条件,其中,Vcore、Vsheath、Vcrmour分别为芯线、外皮和铠装的对地电压。将式(2)、式(3)应用到式(1),则可得到:
对图4中电流沿海缆的变化而言,各回路方程彼此是无关的,如公式(5)所示。根据式(1)~公式(5)即可计算得到海缆的电气参数。EMTP/EMTPE软件为用户提供了电缆支撑程序,通过特殊申请字“CABLE CONSTANTS”,便可以计算不同结构电缆的电阻、电感和电容矩阵。
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