基于海缆的海上风电场无功补偿技术研究

张㊀ 起， 朱连勇
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｅａ Ｃａｂｌｅ
（ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｈｕｌｕｄａｏ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｘｉｎｇｃｈｅｎｇ， Ｌｉａｏｎｉｎｇ １２５１００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｃａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ， ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｅｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｓｅａ ｃａｂｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓ⁃
组的输出功率和运行状态不断改变， 进而影响风电 场的稳定运行和输出电能质量， 风电场系统运行的 特殊性使得对风电场进行无功补偿具有重要 意义
［１－２］
考虑到实际运行中的风况实时变化引起发电机
的充电无功功率和主变压器部分无功补偿容量， 但 是都缺少对箱式变压器的阐述㊂ 目前相关研究对所 入和详细， 针对上述问题， 结合风电场具体情况和 设计规程， 实现无功功率补偿容量的合理配置㊂ 需补偿无功的定性㊁ 定量分析以及实现方法不够深
提升系统安全运行的前提㊂ 补偿容量不足时无法补 偿系统的无功缺额， 无功损耗吸收系统部分无功功 率进而拉低风电场系统电压； 补偿容量过多降低设 备利用率和系统有功损耗， 同时也会使风电场系统 无功进行配置无功补偿容量， 但是未考虑两者之间
合理配置风电场的无功补偿容量是高效㊁ 稳定
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１㊀ 海上风电场无功损耗分析
风电场的无功损耗主要来源于变压器和集电系
电压高于正常值㊂ 目前， 针对风电场无功补偿技术 进行了大量的研究， 文献 ［３ － ４］ 计及容性和感性 容量的合理配置， 文献 ［ ５］ 尽管考虑到汇集线路
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东北电力技术
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第 ３８ 卷第 ９ 期
２０１７ 年
式中： ΔＱ Ｔ 为变压器总无功损耗； ΔＱ ０ 为空载无功 损耗； ΔＱ Ｓ 为负载无功消耗； Ｓ Ｎ 为变压器额定容 Ｉ ０ ％ 为空载电流百分比㊂ 风电场通过集电系统汇集 电能， 其消耗的无功功率主要体现在线路等值电抗 和对地电容消耗的无功㊂ 集电系统的无功损耗可表 示为 ＋ ２ （ Ｕ２ １ Ｕ２ ） Ｂ ２
ＺＨＡＮＧ Ｑｉ， ＺＨＵ Ｌｉａｎｙｏｎｇ
ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｃａｕｓｅｄ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｅａｓｉｌｙ． Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ⁃ｓｔａｇｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ⁃ｓｔａｇｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｍａｔｌａｂ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ： ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｂｌｙ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａ⁃ ｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ， ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ； ｓｅａ ｃａｂｌｅ； ｃｈａｒｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ； ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
统㊂ 风电场的变压器将集电系统输入的电能升压后 通过一定电压等级的交流母线送出， 变压器的无功 损耗主要来源于空载无功损耗和负载无功消耗㊂ 变 压器的无功损耗可表示为 ＝ ΔＱ Ｔ ＝ ΔＱ ０ ＋ΔＱ Ｓ （ Ｓ ２ ／ Ｓ ２ Ｎ） Ｉ ０ ％Ｓ Ｎ Ｕ Ｓ ％Ｓ ２ ＋ （１） １００ １００Ｓ Ｎ
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东北电力技术 ＮＯＲＴＨＥＡＳＴ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
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基于海缆的海上风电场无功补偿技术研究
（ 国网葫芦岛兴城供电分公司， 辽宁㊀ 兴城㊀ １２５１００） 摘要： 针对海上风电场中长距离海底电缆的充电效应， 风电场无功功率波动时易引起母线电压较大波动的问题， 结合 风电机组变流器和本地无功补偿设备实现风电场的无功补偿㊂ 基于海上风电场无功补偿控制方案， 对比分析了不同规 模㊁ 不同传输距离海上风电场采用两端补偿和单端补偿两种方案时海缆导体损耗情况， 即风电场出力曲线㊂ 最后在 Ｍａｔｌａｂ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 环境下建立相应的仿真模型， 仿真结果表明： 该无功补偿控制方案能够在风电场功率波动时降低海缆 导体损耗的同时快速稳定并网点电压， 大大提高了系统的无功补偿能力， 验证了该方案的有效性㊂ 关键词： 海上风电场； 海缆； 充电效应； 无功补偿 ［ 中图分类号］ ＴＭ６１４㊀ ［ 文献标志码］ Ａ㊀ ［ 文章编号］ １００４－７９１３（２０１７）０９－００３３－０５