【原】提高海缆输送容量的无功补偿策略

征稿通知

第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

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联合主办

中国电工技术学会

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室

联合承办

中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会

国家高速列车技术创新中心

《电气技术》杂志社

会议日期/地点

2019年10月25-27日/山东青岛

摘要

福州大学电气工程与自动化学院的研究人员张金辉、江岳文，在2019年第5期《电气技术》上撰文指出，随着海上风电规模的不断扩大，需要输送至陆上的电能也迅速增加。受成本以及海上通道的影响，不能大规模铺设海缆，通过无功补偿提升海缆输电容量便成了重要途径。

本文分析了海缆近风电场侧的无功功率对最大传输容量的影响，当海缆中间点无功最小、电压最高，无功功率在海缆线路终端之间平均分配时，最有利于提升传输容量。在此基础上，本文提出了海缆近风电场侧所需最佳并联电抗器容量的简化计算方法，当调整风电场侧功率因数为一个合理的较小负值时，有助于消耗部分海缆充电功率，减少无功补偿投资成本。

我国海上风力资源丰富，具有广阔的发展前景，开发海上风力资源是风能持续发展的一个重要途径。我国海上风电资源丰富地区主要集中在东南沿海，大力发展海上风电有助于解决该地区的用电需求。未来我国将海上风电重点投入在东南沿海的几个主要省份，如广东、福建、浙江及江苏等，并且建设规模也将越来越大。受多方面的影响因素，中国海上风电黄金时段最有可能出现在2020年左右。

海上风电的输电方案主要有3种，即高压交流输电、高压直流输电和分频输电技术。输电方式通常是由海上风电装机容量的大小和风电场离岸距离来决定的。海上风电场的规模在200MW以下，离陆地距离小于100km时，优先采用交流输电方式，该方式具有结构简单，成本低等优点。

以海上风电场实际建设的工程为例，考虑到风电场集群里的分散布局、离岸距离的因素，提出部分海上风电场采用220kV高压交流海底电缆输送方式，部分海上风电场采用柔性直流输电的优化组合。海上风电场容量较小时，经一回海缆便可输送至陆上电网；当容量较大，超过500MW时，可分成几部分各自输送或者经直流方式输送。

文献[8]在考虑受海底电缆充电功率影响的情况下，针对风电场介绍了海缆的一端和两端补偿以及改变海上风电场的功率因数进行等效补偿的方法，根据相对电容效应系数来确定补偿量。文献[9]提出在海上风电场侧配置1/3高压电抗器，在电网侧配置2/3高压电抗器，用静止无功发生器（static vargenerator, SVG）控制海上风电场并网点电压的无功配置方案。

文献[10]指出海上风电场侧汇集系统和变压器的无功主要通过变压器低压侧的补偿装置进行补偿；高压长距离海缆线路的无功补偿主要由线路上的高压电抗器进行补偿。文献[11]采用电网侧配置高抗及结合风电机组进行无功调节的无功配置方案。

以上文献多考虑利用无功来控制电压，进而提出无功补偿策略，但在海上风电场实际运行中发现，在相同电压下单位长度海缆的充电功率是要比架空线路高出一个数量级的，所以高压交流海缆线路的充电电流很大，这也导致海缆线路的负载能力大幅度降低。并联高压电抗器进行感性无功补偿可起到提升海缆传输容量的作用，但目前该方面的研究较少。

提升海缆的传输容量能有效提升海上风电输电系统的输电效率，有利于海上风电交流输电方式向更远距离、更大容量的方向发展。也可以减少海缆数量进而降低海缆的投资成本，同时降低了对海上通道的影响，可见对海缆传输容量提升是具有很大实际意义的。

本文以提升海缆传输容量为目标，以海缆的载流量为约束条件，分析无功补偿对海缆传输容量的影响情况。在Digsilent软件中建立海上风电输电系统简化模型，对海上风电场的容量、功率因数等参数进行调整，分析海缆近风电场侧并联电抗器补偿对海缆最大传输容量的影响，提出用于提升海缆最大传输容量的海缆近风电场侧无功容量配置策略，得到海缆近风电场侧所需并联电抗器容量与风电场出力间的关系曲线。

图1  海上风电场交流输送电典型结构

图3  海缆在最大传输容量情况下的无功分布

图5  海上风电输电系统仿真模型

结论

本文以提升海缆最大传输容量为目标，分析了海缆近风电场端无功对线路传输容量的影响情况，研究发现当海缆线路中点无功最小、并沿两端对称分布时，海缆具有最大传输容量；提出海缆近风电场端所需最佳并联电抗器容量的简化计算方法。

通过与仿真计算对比分析，验证该无功补偿容量配置策略误差较小，能较好地达到提高海缆的传输容量的要求；若调整风电场侧功率因数为一个合理的较小负值时，则可减少海缆近风电场端的无功补偿容量，减少补偿的投资成本。