CN103078329A - 海上风电场长距离220kV海缆送出无功补偿分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明解决风电场出力的随机性在公共连接点引起的电压波动，并在电网高峰、低谷负荷时段，按电网需要送出或吸收一定容量的无功出力，起到对电网电压调节的作用。本发明包括以下步骤：A充分发挥风电场风电机组的无功出力，平衡风电场升压站主变、内部集电线路及机端升压变的无功损耗，运动电力运算软件，可得出风机合适的功率因数设定值；B根据220kV送出线路的长度及截面，计算出送出线路的充电功率，并计算得出各种补偿度下所需的高压并联电抗器补偿容量；C根据步骤A确定的风机功率因数及步骤B确定的高压并联电抗器容量后，为满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求，计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量。

Description

海上风电场长距离220kV海缆送出无功补偿分析方法

技术领域

本发明涉及一种海上风电场长距离220kV海缆送出无功补偿分析方法，尤其是一种适用于大型海上风电场220kV且海缆长度超过20km的，并对此进行高压并联电抗器、场内动态无功补偿装置容量的计算，为一种无功补偿容量的计算方法。

背景技术

随着沿海省份的陆地资源日益紧张，建设大规模海上风电场成为未来风电发展的方向。海上风电有以下特点：

(1)风电场规划面积大，35kV集电海缆长度长。

(2)采用海上升压站+陆上集控中心的方式，主变压器、35kV配电装置、高压配电装置及动态无功补偿装置等布置在海上升压站主平台上；中控室、集控二次屏柜及集控室等布置在陆上集控中心。

(3)海上风电场风电机组通过机端升压变以“一机一变”单元接线方式升压至35kV，组成35kV联络单元接至风电场海上升压站35kV母线，再通过升压站主变压器升压220kV后通过长距离海缆接入系统。

大型海上风电场在国内属于新事物，目前暂无相关的标准及统一的计算方法来计算长距离海缆的无功补偿。海上风电投运后，其长距离海缆的充电功率及风机出力的随机性，均会对电网的电压产生较大影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：风电场风机出力的随机性及220kV长距离海缆会对电网的电压产生较大影响，通过采用合理的计算方法，使得风电场对电网电压的影响控制在合理范围内；可解决风电场出力的随机性在PCC点引起的电压波动，并在电网高峰、低谷负荷时段，可按电网需要送出或吸收一定容量的无功出力，起到对电网电压调节的作用。

本发明提供一种海上风电场长距离220kV海缆送出无功补偿分析方法。

本发明的技术方案是一种海上风电场长距离220kV海缆送出无功补偿分析方法，充分利用海上风电场风电机组无功调节能力的基础上，分别计算220kV高压并联电抗器容量和场内动态无功补偿容量；其中，所述风电机组自身不具备功率因数动态调节能力时，具体计算方法包括以下步骤：

A、为充分发挥风电场风电机组的无功出力，平衡风电场升压站主变、内部集电线路及机端升压变的无功损耗，运动电力运算软件，可得出风机合适的功率因数设定值；

1.1具体计算中，风电机组出力可按正常运行时出现概率较高的最大出力情况作为计算条件；

1.2依据使风电机组无功出力、内部集电线路的充电功率与风电场升压站主变、内部集电线路、机端升压变的无功损耗基本平衡的计算条件，调节风电机组的功率因数，选择出合适的风电机组合适的风机功率因数；

B、根据220kV送出线路的长度及截面，计算出送出线路的充电功率，并计算得出各种补偿度下所需的高压并联电抗器补偿容量；

1.1具体计算中，风电机组功率因数可按风机电势最高的选择、即功率因数取最低值，该情况下工频电压、工频过电压值最大；

1.2计算系统正常运行方式时风电场公共连接点、并网点工频电压和风电场送出线路故障方式下工频过电压；

1.3依据前述步骤B中的1.2条款计算出的工频电压、工频过电压均与国家标准有关限值要求比较，当超过国家标准的要求时，通过计算装设的高压并联电抗器容量，使工频电压、工频过电压满足国家标准要求；此步骤计算出高压并联电抗器的容量；

C、根据步骤A确定的风机功率因数及步骤B确定的高压并联电抗器容量后，为满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求，计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量；

1.1具体计算中，按照风电场送出线路电网侧功率因数高峰+0.98~+0.99，低谷-0.98~-0.99来计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量，满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求。

一种海上风电场长距离220kV海缆送出无功补偿分析方法，充分利用海上风电场风电机组无功调节能力的基础上，分别计算220kV高压并联电抗器容量和场内动态无功补偿容量；其中，所述风电机组自身具备功率因数动态调节能力时，具体计算方法包括以下步骤：

A、根据220kV送出线路的长度及截面，计算出送出线路的充电功率，并计算得出各种补偿度下所需的高压并联电抗器补偿容量；

1.1计算中，风电机组功率因数可按风机电势最高的选择、即功率因数取最低值，该情况下工频电压、工频过电压值最大；

1.2计算系统正常运行方式时风电场公共连接点、并网点工频电压和风电场送出线路故障方式下工频过电压；

1.3依据前述1.2条款计算出的工频电压、工频过电压均与国家标准有关限值要求比较，当超过国家标准的要求时，通过计算装设的高压并联电抗器容量，使工频电压、工频过电压满足国家标准要求；此步骤计算出高压并联电抗器的容量；

B、根据步骤A确定的高压并联电抗器容量后，为满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求，计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量；

1.1具体计算中，按照风电场送出线路电网侧功率因数高峰+0.98~+0.99，低谷-0.98~-0.99来计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量，满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明所述的计算方法，通过充分利用风电机组自身的无功调节能力，在解决海缆工频过电压及容性充电功率对电网影响的同时，还可让风电场具备对电网的无功调节能力，使得风电场对电网的影响程度减少到最小，保证了电网安全稳定运行和高质量的电能品质。

附图说明

图1是本发明实施例的电网示意框图。

具体实施方式

结合附图1对本发明进一步说明：

下面以具体的实例来说明本发明：

某海上风电场装设100台单机容量3.0MW的风电机组，通过回220kV线路接入电网公共连接点，其中架空线导线型号选用LGJ-2×630、长度为56.5km，陆缆截面选用1000mm²、长度为6.5km，海缆截面选用800mm²、长度为32km，相关参数见表1：

表1

根据表1的参数，在计算软件中建立计算模型，如图1(注：本示例采用PSASP《电力系统综合分析软件》7.0版计算软件)。

实施例1：

风电机组自身不具备功率因数动态调节能力

A、风机出口功率因数的设定

根据35kV集电海缆截面及长度，可计算出35kV海缆的容性充电功率为8.29Mvar。若风机功率因数设定为0.98，则在100%出力情况下风电场内部感性无功损耗为24.92Mvar，60%出力情况下损耗为9.241Mvar，50%出力情况下损耗为6.507Mvar。

因此，风电场正常运行方式下功率因数可设定为0.98，当风电场60%出力情况下，风电场内部无功损耗与容性充电功率基本平衡。

B、220kV高压并联电抗器的容量

根据220kV海缆、陆缆及架空线的截面及长度，可计算出全额补偿所需的无功补偿容量为100Mvar，70%无功补偿所需的容量为70Mvar，60%无功补偿所需的容量为60Mvar，40%无功补偿所需的容量为40Mvar。

计算风电场100%出力、60%出力、30%出力情况下，在不同无功补偿度下并网点的工频电压，结果可见表2。

表2系统正常运行时风电场并网点工频电压单位：kV

注：表中标有“*”表示电压超过242kV；

由表2可知，若风电场220kV送出线路未进行感性无功补偿或感性无功补偿较少，正常运行方式下风电场并网点的工频电压可能会超过国家标准限值242kV。

工频过电压估算

计算方式取电网受端(PCC点)并网线路单相接地、三相断开和无故障三相断开两种故障方式，计算加高抗与不加高抗的工频过电压，由于风电场有2台主变，计算方式需计及1台主变退出运行。

不加高抗的情况下计算结果见表3和表4。

表3PCC侧(①点)发生单相接地、三相断开后非故障相电压

注：1、表中电压为相电压最大值的标幺值，基准值取252kV；

2、表中计算结果未考虑装设高压电抗器；

表4PCC侧(①点)发生无故障三相断开后相电压

注：1、表中电压为相电压最大值的标幺值，基准值取252kV；

2、表中计算结果未考虑装设高压电抗器；

由表3、表4可知，单相接地、三相断开是工频过电压的主要矛盾，需通过加装高压并联电抗器限制。

在风电场升压站220kV母线装设高抗后，相应的计算结果见表5。

表5在加装高压电抗器后PCC侧(①点)发生单相接地、三相断开后非故障相电压

由表5可知，在装设70Mvar高压电抗器后，工频过电压可限制在DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》第3条的规定：“工频过电压一般不超过1.3p.u”。

另外，经计算，风机功率因数设定为0.98、风电场全部满发情况下，若装设70Mvar高压并联电抗器，风电场送出线路PCC侧功率因数等于1。

因此，风电场需装设的220kV高压并联电抗器容量可选择70Mvar。

C、35kV动态无功无功补偿容量计算

在安装70Mvar的高压电抗器后，根据已确定的风电机组功率因数0.98，可计算出动态无功补偿容量。计算结果见表6。

表6动态无功补偿容量估算单位：Mvar

注：表中补偿容量，“-”表容性，“+”表感性(下同)。

由表6可知，在风机功率因数设定为0.98，若要满足风电场送出线路PCC点端功率因数在+0.98~-0.98连续可调，风电场需要动态无功补偿装置调节容量为-42.6~77.7Mvar；若要满足风电场送出线路PCC点端功率因数在+0.99~-0.99连续可调，需要动态无功补偿装置调节容量为-27~71.3Mvar。

综合上述分析，为充分发挥风电机功率因数调节能力，建议风机功率因数可设定为0.98，此时需装设的动态无功补偿装置调节容量为-45(容性)~80(感性)Mvar(注：取整数)。

实施例2：

风电机组具备功率因数动态调节能力，额定功率因数可在+0.95~-0.95动态调节

工频电压、工频过电压计算同实施例1中的计算方法，其计算的结果为：需装设70Mavr的高压并联电抗器。

当：风机额定功率因数为0.98、在风电场全部满发的情况下，经计算，风电场装设70Mvar高压并联电抗器后，风电场送出线路电网侧功率因数为1。

因此，风电场装设的高压并联电抗器容量可确定为70Mvar。

风电机组功率因数具备+0.95~-0.95动态调节时，其动态无功补偿容量计算见表7。

表7动态无功补偿容量计算

由表7可知，若风机具备功率因数+0.95~-0.95动态连续调节的能力，在安装70Mvar的高压电抗器后，为满足风电场送出线PCC侧功率因数±0.98~±0.99的要求，风电场仍需装设一定容量的动态无功补偿装置，容量分别为-7~41.8Mvar和0~40Mvar。

综合上述分析，若风电机组具备功率因数+0.95~-0.95动态调节能力，此时需装设的动态无功补偿装置调节容量为-10(容性)~45(感性)Mvar(注：取整数)。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种海上风电场长距离220kV海缆送出无功补偿分析方法，其特征在于：充分利用海上风电场风电机组无功调节能力的基础上，分别计算220kV高压并联电抗器容量和场内动态无功补偿容量；其中，所述风电机组自身不具备功率因数动态调节能力时，具体计算方法包括以下步骤：

A、为充分发挥风电场风电机组的无功出力，平衡风电场升压站主变、内部集电线路及机端升压变的无功损耗，运动电力运算软件，可得出风机合适的功率因数设定值；

1.1具体计算中，风电机组出力可按正常运行时出现概率较高的最大出力情况作为计算条件；

1.2依据使风电机组无功出力、内部集电线路的充电功率与风电场升压站主变、内部集电线路、机端升压变的无功损耗基本平衡的计算条件，调节风电机组的功率因数，选择出合适的风电机组合适的风机功率因数；

B、根据220kV送出线路的长度及截面，计算出送出线路的充电功率，并计算得出各种补偿度下所需的高压并联电抗器补偿容量；

1.1具体计算中，风电机组功率因数可按风机电势最高的选择、即功率因数取最低值，该情况下工频电压、工频过电压值最大；

1.2计算系统正常运行方式时风电场公共连接点、并网点工频电压和风电场送出线路故障方式下工频过电压；

1.3依据前述步骤B中的1.2条款计算出的工频电压、工频过电压均与国家标准有关限值要求比较，当超过国家标准的要求时，通过计算装设的高压并联电抗器容量，使工频电压、工频过电压满足国家标准要求；此步骤计算出高压并联电抗器的容量；

C、根据步骤A确定的风机功率因数及步骤B确定的高压并联电抗器容量后，为满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求，计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量；

1.1具体计算中，按照风电场送出线路电网侧功率因数高峰+0.98~+0.99，低谷-0.98~-0.99来计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量，满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求。

2.一种海上风电场长距离220kV海缆送出无功补偿分析方法，其特征在于：充分利用海上风电场风电机组无功调节能力的基础上，分别计算220kV高压并联电抗器容量和场内动态无功补偿容量；其中，所述风电机组自身具备功率因数动态调节能力时，具体计算方法包括以下步骤：

A、根据220kV送出线路的长度及截面，计算出送出线路的充电功率，并计算得出各种补偿度下所需的高压并联电抗器补偿容量；

1.1计算中，风电机组功率因数可按风机电势最高的选择、即功率因数取最低值，该情况下工频电压、工频过电压值最大；

1.2计算系统正常运行方式时风电场公共连接点、并网点工频电压和风电场送出线路故障方式下工频过电压；

1.3依据前述1.2条款计算出的工频电压、工频过电压均与国家标准有关限值要求比较，当超过国家标准的要求时，通过计算装设的高压并联电抗器容量，使工频电压、工频过电压满足国家标准要求；此步骤计算出高压并联电抗器的容量；

B、根据步骤A确定的高压并联电抗器容量后，为满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求，计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量；

1.1具体计算中，按照风电场送出线路电网侧功率因数高峰+0.98~+0.99，低谷-0.98~-0.99来计算出需装设的场内动态无功补偿装置容量，满足国家标准中关于风电场应具备电压控制及无功调节能力的要求。

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