考虑海底电缆充电功率的风电场无功补偿
查国强;袁越;傅质馨;孙纯军;钱康;许文超
【摘 要】Considering that the large charging power of the submarine cable of offshore wind farm influences the bus voltage, this paper proposes a new way of reactive power compensation. The relationship between the coefficient of capacitance effect of the no-load line and the reactive power compensation is analyzed under different ways of compensation and a method to determine the reactive power compensation capacity based on the relative coefficient of capacitance effect is proposed. The simulation proves that the method is correct. In addition, the relationship between the relative coefficient of capacitance effect and the power of wind farm when the power factor of wind farm is set to 1 and -0.98 respectively is analyzed. Experiments show that compensating the charging power of the submarine cable through high voltage reactors can effectively weaken the capacitance effect of the line when the power factor is set to -0.98. Therefore, this paper suggests that the power factor of offshore wind farm should be set to negative.%考虑到风电场海缆的充电功率较大,易引起母线
电压偏高的问题,提出了一种新的无功补偿方法.分析计算了不同无功补偿方式下,空载线路的电容效应系数与无功补偿容量的关系,提出了根据相对电容效应系数来确定海缆无功补偿容量的方法,并将不同无功补偿方式下的效果进行了比较,通过仿真,验证了该方法的正确性.同时分析了风电场功率因数设定为1与-0.98时,相对电容效应系数与风电场出力的关系.当风电场功率因数为-0.98(超前)时,即风电场吸收一部分海缆的充电功率,结合高抗对海缆进行无功补偿,更能削弱线路的电容效应.因此,文中建议海上风电场功率因数设为负值(超前),与高抗联合对海缆进行无功补偿.
【期刊名称】《电网与清洁能源》
【年(卷),期】2013(029)002
【总页数】7页(P54-60)
【关键词】海上风电;海缆;充电功率;无功补偿;电容效应
【作 者】查国强;袁越;傅质馨;孙纯军;钱康;许文超
【作者单位】江苏省电力设计院,江苏南京211102
【正文语种】中 文
【中图分类】TM614
风电是我国目前发展最快的可再生能源之一。目前，我国绝大部分的风电装机容量位于陆上，尤其是东北、华北和西北地区。而我国海上风能资源同样丰富，据初步测定有7.5亿kW储量，是陆地风资源储量的2~3倍。海上风电的优势是：年利用小时长，风速较陆上更高，风切变更小，湍流强度小，有稳定的主导方向。因此，机组运行稳定、寿命长，不需要很高的塔架，单机能量产出较大。此外，海上风电还有不占用土地资源，可以减少噪声及对公众视觉的冲击，对环境的影响小，接近沿海用电负荷中心等优点。因此，我国沿海地区的海上风电也越来越受到重视。
2010年10月，我国首轮海上风电特许权项目“圈定”在江苏省盐城市近海地区，分别为大唐滨海近海海上风电项目、中电投射阳近海海上风电项目、龙源大丰潮间带海上风电项目、鲁能东台潮间带海上风电项目，总装机容量为1 000 MW。规划中的海上风电场离岸距离为18～35 km。在后期规划中，江苏沿海地区将会有越来越多的海上风电场。盐城南部的大丰、东台地区约有1 500 MW的海上风电装机容量，由于这些风电场比较集中，可以形成风电场
汇流至规划中的大丰汇流站，经汇流站升压后集中接入电网。
随着海上风电的兴起，海上风电[1]和海缆[2]的研究也受到广泛的关注。文献[3-5]对海上风电场输电方式进行了讨论，比较了高压直流输电与高压交流输电方式的优劣；文献[6]详细研究了海缆的模型以及可能引起的线路谐振问题，并设计了一种无源滤波器削弱其影响；文献[7-8]详细分析了不同海缆型号的充电功率，以及海缆的充电功率相比架空线大很多，但并没有指出如何对其进行无功补偿；文献[9]研究了海上风电场海底电缆引起的工频过电压，但并未给出治理方案；文献[10]对海缆无功补偿只是按80%的补偿度进行补偿；文献[11-12]都研究了对海南500 kV交流跨海联网工程海缆线路的无功补偿，通过不同的无功配置方案，研究对系统电压的影响，但由于是2个电网互连，与风电场的海缆补偿有一定区别。
因此，本文主要研究海上风电场的海缆的无功补偿问题，提出了根据相对电容效应系数的大小来确定无功补偿容量，并通过仿真分析验证了该方法的正确性。
1  线路参数
海缆的参数与长度、型号、敷设方式有很大关系[13]，而生产厂商提供的海缆型号的参数，与实际差别很大，因此需要根据海缆实际长度、敷设方式进行计算。
1.1  工程介绍
该工程拟以2个海上风电场，分别为东台200MW潮间带风电场和大丰200 MW潮间带风电场，经过汇流接入大丰汇流站。2个海上风电场均配套设置一座220 kV海上升压站及一座陆上集控中心。升压站规模按200 MW设计，并以一回220 kV海缆送出，在登陆点转架空线路接入大丰汇流站，如图1所示。大丰汇流站、登陆点1和东台海上升压站分别记为1、2、3号节点。
1.2  海缆相序参数
海缆相序参数与其链接方式有着紧密的关系，导电线芯与金属护套有着紧密的电磁耦合，为减小正常运行时流经金属护套的环流，并避免过电压时金属护套感应电压过高导致护套绝缘击穿，因此，需对海缆金属护套采取相应的连接和接地方式。
图1  海上风电并网连接图Fig.1  Offshore wind farm connected with power grid
1.2.1  金属护套一端互连接地
金属护套采用一端互联接地方式有2种：
1）电缆护套采用单端互连接地，三相电缆护套交叉换位，另一端经过保护装置接地，如图2（a）；
2）电缆护套中点互连接地，三相电缆护套交叉换位，然后两端再通过保护装置接地，如图2（b），以消除正常运行时流经金属护套的环流，降低金属护套感应电压。
图2  电缆一端互连接地Fig.2  One end of metal covering interconnected with the ground
电缆金属护套一端接地方式下，线路的正、负序单位阻抗为：
电缆零序单位阻抗为：
式中，Z11、Z12、Z10分别为正序、负序、零序单位阻抗；Rc为三相线芯的平均交流电阻；Rg为大地的漏电电阻，Rg=2πf×10-4=0.049 3 Ω/km；ω为角频率；GMRC为各相线各自几何均距；Deq为等效回路深度，Deq=，ρ为土壤电阻率；S1、S2、S3分别为AB、BC和CA的相间距离。
1.2.2  金属护套2端互连接地
当电缆线路长度较长时，为保证电缆的护套层绝缘免受雷击过电压的危害，通常采取护套交叉互连及电缆两端互连接地的方式，如图3所示。
图3  金属护套2端互连接地Fig.3  Both ends of metal covering interconnected with the ground
若临近没有金属回流线，当发生单相接地故障时，零序电流全部流经金属护套，此时的电缆正、负序阻抗为：
零序单位阻抗为：reactivepower
式中，Z21、Z22、Z20分别为正序、负序、零序单位阻抗；Xm为金属护套与线芯之间的互感抗；Xs为金属护套的自感抗；Rs为金属护套直流电阻；GMRS为金属护套的几何平均半径。而Xm为：
本工程海缆采用220 kV交联聚乙烯绝缘海底电力电缆HYJQ71+OFC 127/220单芯非磁性金属丝铠装，标称截面为800 mm2。由于两端互连接地，方法简单，又不需要额外装置，易于实施，所以该工程海缆采用金属护套交叉互连及两端互连接地方式。通过计算得到海缆相序
参数如表1所示。
表1  海缆正序、零序参数Tab.1  Positive and zero sequence parameters of cable线路正序参数零序参数0.052 9 0.053 0电阻/（Ω·km-1）0.090 4 0.089 1电抗/（Ω·km-1）48.695 48.695电纳/（10-6S·km-1）
由于海缆三相间距较远，相间偶合小，可忽略不计，因此其零序和正序参数基本相同，与计算值相一致。
1.3  架空线相序参数
本工程架空线路全线采用LGJ-2×630导线，根据相关单位提供的架空线路的参数如表2所示。
表2  架空线正序、零序参数Tab.2  Positive and zero sequence parameters of overhead line
2  海缆引起的电容效应
2.1  空载线路的电容效应

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