陳瀾，楊蘋，周少雄，尹旭

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州市510663;2.廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華南理工大學(xué))，廣州市510641;3.風(fēng)電控制與并網(wǎng)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室(華南理工大學(xué))，廣州市510641)

0 引言

近年來，風(fēng)電呈現(xiàn)從陸上向海上轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)［1］。海上風(fēng)資源豐富，風(fēng)向、風(fēng)速比陸地穩(wěn)定，而且海上風(fēng)電遠(yuǎn)離人類居住環(huán)境，不會(huì)對(duì)人類造成噪聲污染，不占用陸地面積，因此海上風(fēng)電具有廣闊的發(fā)展前景。不過，海上風(fēng)電設(shè)備故障的修復(fù)大多依靠維修船出海作業(yè)完成，海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)成本比陸地高。因此，海上風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性要求非常高。為保證海上風(fēng)電場(chǎng)的安全、可靠運(yùn)行，需要對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行高可靠性的設(shè)計(jì)，其中，無功補(bǔ)償方案的設(shè)計(jì)是十分關(guān)鍵的部分。由于海底電纜在海上風(fēng)電場(chǎng)空載運(yùn)行與額定功率運(yùn)行時(shí)，分布電容的比例變化較大，海上風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)無功分布及其補(bǔ)償需求與陸上風(fēng)電場(chǎng)有較大的區(qū)別，因此，陸上風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償方案不適用于海上風(fēng)電場(chǎng)。

為得到高性價(jià)比的海上風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償方案，首先需要建立適用于無功補(bǔ)償容量計(jì)算的海上風(fēng)電場(chǎng)模型。目前陸上風(fēng)電場(chǎng)建模思路主要分為兩類［2］，一類是采用詳細(xì)模型，將風(fēng)電場(chǎng)視為多臺(tái)小容量的發(fā)電機(jī)、升壓變壓器和大量的連接線路加入到電力系統(tǒng)中，進(jìn)行詳細(xì)建模［3］。這是一個(gè)高階的數(shù)學(xué)模型，不僅增大了電力系統(tǒng)階數(shù)，也增加了潮流計(jì)算的時(shí)間，尤其是時(shí)域仿真所需的時(shí)間。另一類是風(fēng)電場(chǎng)等值建模，該方法為從整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響出發(fā)，將風(fēng)電場(chǎng)看作一個(gè)整體進(jìn)行研究，主要有風(fēng)速－風(fēng)功率關(guān)系建模、穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算模型、動(dòng)態(tài)模型和暫態(tài)模型等4個(gè)方面［4-5］，具有建模簡(jiǎn)單，仿真速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是存在考慮因素少、精確度不高等局限性。雖然國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)陸上風(fēng)電場(chǎng)模型進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)模型研究非常有限，特別是缺乏用于無功補(bǔ)償?shù)暮Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)模型。目前僅有對(duì)海底電纜進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难芯浚?］，沒有考慮整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償?shù)哪Ｐ汀?/p>

為此，本文充分借鑒陸上風(fēng)電場(chǎng)等值建模研究思路，從無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)的角度來研究和建立海上風(fēng)電系統(tǒng)的模型，為下一步設(shè)計(jì)海上風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償方案打下基礎(chǔ)。

1 電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無功要求

為建立適用于無功補(bǔ)償?shù)暮Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)等值模型，首先需要了解電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無功要求。GB/T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的無功要求主要包括:

(1)對(duì)于直接接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，其配置的容性無功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)時(shí)場(chǎng)內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功及風(fēng)電場(chǎng)送出線路的一半感性無功之和，其配置的感性無功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)自身的容性充電無功功率及風(fēng)電場(chǎng)送出線路的一半充電無功功率

(2)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率調(diào)節(jié)及電壓控制能力。根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令，風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)其發(fā)出(或吸收)的無功功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的要求。

(3)當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓處于標(biāo)稱電壓的20%～90%區(qū)間內(nèi)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)能夠通過注入無功電流支撐電壓恢復(fù);自并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落出現(xiàn)的時(shí)刻起，動(dòng)態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時(shí)間不大于75 ms，持續(xù)時(shí)間應(yīng)不少于550 ms。風(fēng)電場(chǎng)注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功電流 IT≥1.5 ×(0.9 －UT)IN，(0.2≤UT≤0.9)。式中:UT為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值;IN為風(fēng)電場(chǎng)額定電流。

根據(jù)以上要求，海上風(fēng)電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償容量，不僅要滿足系統(tǒng)在各種正常運(yùn)行狀態(tài)下的無功需求，還要滿足系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落下的無功需求。同時(shí)，要求無功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)時(shí)間足夠快。隨著電力電子和控制技術(shù)的發(fā)展，無功補(bǔ)償裝置中靜止無功發(fā)生器的成本不斷下降，風(fēng)電場(chǎng)所配備的無功補(bǔ)償裝置已從靜止無功補(bǔ)償器升級(jí)為靜止無功發(fā)生器，其響應(yīng)速度完全滿足風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的要求。于是，如何根據(jù)海上風(fēng)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)電壓跌落情況下的無功需求分別計(jì)算其無功配置，是海上風(fēng)電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。

根據(jù)GB/T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的無功要求，以及風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償容量計(jì)算公式［7］，可知:

(1)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，且風(fēng)電機(jī)組輸出的視在功率為0，則系統(tǒng)所需的感性無功功率最大;

(2)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，且風(fēng)電機(jī)組輸出最大有功功率時(shí)，系統(tǒng)所需的容性無功功率最大;

(3)系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落到0.45時(shí)，系統(tǒng)需要注入的無功最大為:0.303 75×SN，其中SN為風(fēng)電機(jī)組的額定容量。

因此，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮以上三點(diǎn)，對(duì)海上風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行建模。

2 用于無功補(bǔ)償?shù)暮Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)建模

在對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行建模時(shí)，如果分別對(duì)其中的每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)建模，那么包含大量風(fēng)電機(jī)組的整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的模型將會(huì)是一個(gè)高階模型，利用電力仿真軟件進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)姆治鲇?jì)算時(shí)，計(jì)算量非常大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，占用內(nèi)存空間也大，造成數(shù)據(jù)處理和計(jì)算分析的困難。另一方面，在計(jì)算海上風(fēng)電系統(tǒng)及其無功補(bǔ)償容量時(shí)，也不需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行精確的建模［8-12］。

根據(jù)GB/T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)規(guī)范》對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償?shù)囊?，為?jiǎn)化適用于無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的海上風(fēng)電場(chǎng)的模型，本文提出將風(fēng)電機(jī)組等效為電流可控的恒壓功率源，在此基礎(chǔ)上，基于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)與等效風(fēng)電場(chǎng)的功率傳輸特性相同的原則，建立海上風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)等值模型。

2.1 海上風(fēng)電場(chǎng)的等效容量

圖1為海上風(fēng)電系統(tǒng)的典型拓?fù)?。每列由多臺(tái)風(fēng)機(jī)組成的支路構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組的單鏈支路，等值容量為每列風(fēng)電機(jī)組的容量之和［13-15］。對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)來說，可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組和機(jī)組變壓器參數(shù)等因素把風(fēng)電場(chǎng)等值為1臺(tái)或多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，并在潮流計(jì)算時(shí)把每臺(tái)等值機(jī)作為PQ節(jié)點(diǎn)，則等值風(fēng)電機(jī)組的容量為

式中:S∑，∑ 為等效的支路總視在功率;Pi，j，Qi，j為單機(jī)i，j的有功功率和無功功率，i為海上風(fēng)電場(chǎng)單鏈支路編號(hào)，j為所在單鏈支路風(fēng)電機(jī)組編號(hào)。

圖1 海上風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Offshore wind power system’s topology

2.2 等效多機(jī)系統(tǒng)中變壓器的等值

由于變壓器的無功損耗計(jì)算公式為

式中:ΔQ0為空載時(shí)無功損耗;ΔQT為額定負(fù)載時(shí)的無功損耗;I0為空載電流;SN為額定容量，U1N為變壓器一次側(cè)額定電壓，XT為變壓器電抗［16］。

從式(2)可以看出，無功損耗與系統(tǒng)的等效容量及通過的視在功率成正比，因此，多個(gè)型號(hào)相同的機(jī)端變壓器無功損耗滿足疊加原理。

2.3 等效多鏈系統(tǒng)中集電系統(tǒng)等值

目前，新建的海上風(fēng)電場(chǎng)所選用的風(fēng)電機(jī)組型號(hào)都是相同的，即單機(jī)容量和功率因數(shù)可調(diào)范圍一致，而且，海上風(fēng)電場(chǎng)的集電系統(tǒng)中每條鏈路都是樹狀結(jié)構(gòu)。下面對(duì)單鏈支路中的風(fēng)機(jī)數(shù)分別為n1，n2，…，nm，以及等效多鏈系統(tǒng)中的單鏈支路數(shù)為m的系統(tǒng)進(jìn)行等效系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于風(fēng)機(jī)的型號(hào)都相同，當(dāng)風(fēng)機(jī)的輸出視在功率相同時(shí)，系統(tǒng)在無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)考慮的3種運(yùn)行情況下，風(fēng)機(jī)的輸出功率都是相同的。由于風(fēng)電場(chǎng)的輸出可以看成是一個(gè)電流可控的恒壓功率源，因此為了保證等效的準(zhǔn)確性，等效后的集電系統(tǒng)要保證與原系統(tǒng)的有功損耗和無功損耗相同。

對(duì)于單鏈支路中的電纜，其模型是長(zhǎng)距離傳輸線模型，且電纜一般給出的參數(shù)包括單位長(zhǎng)度電感、單位長(zhǎng)度電容、單位長(zhǎng)度電阻。根據(jù)長(zhǎng)距離傳輸模型可知，電感和電阻是串聯(lián)在傳輸線路中，而電容是并聯(lián)在傳輸線路中。

由于海底電纜線路上的電壓U基本上保持不變，根據(jù)以上分析可以計(jì)算m條單鏈支路中的有功損耗和無功損耗等效值。

式中:P∑為集電系統(tǒng)的總損耗功率;Q∑L為集電系統(tǒng)的總損耗感性無功功率;Q∑C為集電系統(tǒng)的總損耗容性無功功率;Ps為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率，Qs為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出的無功功率;U為集電系統(tǒng)的電壓;i為單鏈支路數(shù)的序號(hào);m為單鏈支路的最大值;j為支路中風(fēng)機(jī)數(shù)序號(hào);nm為單鏈支路的風(fēng)機(jī)數(shù);aij為第i條鏈路中的第j條電纜上通過的功率是單臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出功率的倍數(shù);rij、Lij、Cij為第i條鏈路中的第j條電纜的單位電阻、電感和電容值;lij為第i條鏈路中的第j條電纜的長(zhǎng)度。

4 仿真分析

本文采用PSCAD軟件為仿真工具，以廣東省正在設(shè)計(jì)的某海上風(fēng)電場(chǎng)的相關(guān)參數(shù)為例，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。該海上風(fēng)電場(chǎng)有33臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)全部為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其額定功率為3MW，風(fēng)機(jī)的最小輸出功率因數(shù)為0.95，系統(tǒng)具有4條支路，前3條鏈路有8臺(tái)風(fēng)機(jī)，第4條鏈路有9臺(tái)風(fēng)機(jī)。

在系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下，設(shè)定每臺(tái)風(fēng)機(jī)的輸出有功功率從0逐漸增加到3MW，在0～5 s時(shí)，功率因數(shù)為0.95;在5～10 s，功率因數(shù)為1，實(shí)際系統(tǒng)輸出和等效系統(tǒng)輸出的波形如圖2所示。

海底電纜選用寧波東方集團(tuán)，各電纜參數(shù)如表1所示。

圖2 在正常運(yùn)行時(shí)，等效前、后的有功功率、電壓和功率因數(shù)波形圖Fig.2 Waveform of active power，voltage，and power factor of equivalent system and actual system in normal operation

表1 某海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的電纜選型表Tab.1 Cable selection for an offshore wind farm electricity collection system

從圖2可看出，系統(tǒng)等效前、后輸出的有功功率和功率因數(shù)都能很好地吻合，證明了系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下，能夠滿足要求。

在電網(wǎng)電壓跌落到u%時(shí)，根據(jù)電纜的電流限制，輸出的最大功率降為原來的u%，根據(jù)以上分析，下面只分析電網(wǎng)電壓跌落到0.45的情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 在電網(wǎng)電壓跌落為0.45時(shí)，等效前、后的有功功率、電壓和功率因數(shù)波形圖Fig.3 Waveform of active power，voltage，and power factor of equivalent system and actual system when grid voltage falls down to 0.45

從圖3可看出，系統(tǒng)等效前、后輸出的有功功率和功率因數(shù)也都能很好地吻合，證明了系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落到0.45時(shí)，也能夠滿足要求。

5 結(jié)論

在風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的今天，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的研究理論已日漸成熟，然而要建立起一個(gè)可有效地用于海上風(fēng)電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)牡戎的Ｐ?，還需要在已有理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更多的探索和創(chuàng)新。利用PSCAD仿真軟件搭建模型，對(duì)適用于海上風(fēng)電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證，其等效的原理和思路也可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)分析中去，無論是理論研究，還是實(shí)際應(yīng)用，這都將更好地推動(dòng)風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

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