CN112886641B - 一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法，通过交联聚乙烯(XLPE)海底电缆、海上升压站，以及无功补偿设备3部分组成典型高压交流(HVAC)输电系统；根据海上风电输电系统特点，提出该系统的电压等级、回路数选择策略，并搭建经济性分析模型；结合海上风电场实际接入情况和电网公司相关技术管理要求，提出海上风电输电系统的配置无功补偿容量方法。本发明提出的海上风电输电系统对目前海上风电建设具有借鉴意义，同时提出的无功控制方法能够让该系统更为有效、合理地开展无功补偿工作，提高了工作效率。

Description

一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法
技术领域
本发明涉及基于海上风电的海底电缆输电领域，尤其涉及一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法。
背景技术
近年来，随着风电场规模的迅速扩大，大规模风电并网给系统带来的影响日益凸显，这直接关系到电网能否安全、稳定的运行。由于风力资源集中的地区往往距离主系统和负荷中心较远，区域的网架结构较为薄弱，加之风电的有功出力具有随风波动的特点，因此风电外送通道上的潮流变化频繁，这对当地电网的电压水平、线路传输功率、短路电流水平和暂态稳定性等多方面造成影响，并且风电渗透比例的增大会使其影响程度进一步增加。因此，为确保电力系统安全、稳定运行，深入研究风电接入带来的影响十分必要。
与此同时海上风电的海底电缆输电是近年来迅速发展起来的输电技术，根据其运行工作特点在交流输电系统中会产生很大的电容电流，从而明显降低电缆输送有功功率的能力，因此适用于交流系统小容量、短距离的电力传输。在目前电网建设与发展中，海底电缆输电系统研究得到了国内外专家学者广泛关注。
海上风电的海底电缆输电技术一般应用于小容量、短距离的电能传输。海底电缆输电工程的建设受地域建设条件、海洋工程条件和施工设备等多种条件限制。该工程建设涉及技术领域广泛，投资规模较大，施工技术复杂。在海底电缆输电系统模型搭建、整个海上风电的海底电缆输电系统投资经济分析模型搭建、电缆输电系统电压等级与回路数的选择策略、海上风电场并网时对电网电能质量的影响、电缆输电系统的无功配置方法等方面存在着许多需要解决的实际问题。其中，海上风电场并网运行的电能质量问题可以不同程度地通过风电场无功功率补偿加以解决。目前，针对海上风电运行特点来开展海底电缆输电系统搭建时，勘测设计行业暂无专门针对海上风电场无功补偿容量的标准或规范，因此对海上风电的海底电缆输电系统及无功配置方法应进行专门研究。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法，通过交联聚乙烯(XLPE)海底电缆、海上升压站以及无功补偿设备组成典型高压交流输电系统，根据海上风电输电系统特点提出该系统的电压等级与回路数选择策略，结合海上风电场实际接入情况和电网公司相关技术管理要求，提出海上风电输电系统的配置无功补偿容量方法，解决交流电缆线路中由电容效应引起的无功功率不足的问题。
为实现此目的，本发明所设计的一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法，包括如下步骤：
S1，根据海上风电输电系统对小容量、短距离电能传输的实际需求，搭建海底电缆输电系统基本模型并设计海上风电接入方案；
S2，根据海底电缆和海上风电系统建设现场实际因素，确定海底电缆输电系统电压等级与回路数的选择策略模型；
S3，根据S2中确定的海底电缆输电系统电压等级与回路数选择策略，建立海底电缆输电系统电缆选型和经济性分析模型；
S4，针对S1和S2建立的基于海上风电的海底电缆输电系统进行无功平衡分析，确立适用于该系统的无功配置方法。
本发明的有益效果为本发明提出的海底电缆输电系统对当前海上风电建设具有借鉴意义，同时提出的无功控制方法能够让该系统更为有效、合理地开展无功补偿工作，提高风力发电机组的并网能力，提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明的海底电缆输电系统结构示意图；
图2为海底电缆输电系统电压等级与回路数的选择策略模型图；
图3为不同电压等级下的海底电缆最大传输容量图；
图4为海底电缆输电系统经济性分析模型图；
其中，1-交联聚乙烯海底电缆、2-海上升压站、3-无功补偿设备、4-海上集电系统。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法，它包括如下步骤：
S1，根据海上风电输电系统对小容量、短距离电能传输的实际需求，搭建海底电缆输电系统基本模型并设计海上风电接入方案；
S2，根据海底电缆和海上风电系统建设现场实际因素，确定海底电缆输电系统电压等级与回路数的选择策略模型；
S3，根据S2中确定的海底电缆输电系统电压等级与回路数选择策略，建立海底电缆输电系统电缆选型和经济性分析模型；
S4，针对S1和S2建立的基于海上风电的海底电缆输电系统进行无功平衡分析，确立适用于该系统的无功配置方法。如图1所示，为基于高压交流输电系统原理的海底电缆输电系统基本结构图。
上述技术方案中，所述海底电缆输电系统结合了高压交流(HighVoltageAlternating Current,HVAC)输电系统可靠性高、连接简单、技术成熟的特点，主要包括交联聚乙烯(XLPE)海底电缆1、海上升压站2，以及无功补偿设备3。
上述技术方案中，所述海底电缆输电系统载流能力与承受短路电流能力较强，同时具备维护简单优点。并考虑到海底电缆输电系统中电缆线路的分布电容要远大于架空线路的运行特性。在交流输电系统中会产生很大的电容电流，从而明显降低电缆输送有功功率的能力，因此该交流系统适合小容量、短距离的电力传输。因此，所述海上风电接入方案为由海上集电系统4到海上升压站2的接入方式。
上述技术方案中，在海上风电的海底电缆输电系统建设需要结合该海上风电设施所在地区的海上风力资源分布情况、海上风电场建场情况及该地区电网特点等因素进行考虑。
上述技术方案中，所述步骤S2中在进行电压等级及回路数的选择时，本发明将具体根据风电场的规模、容量、地理位置、周边地区电网的现状、发展规划等因素综合考虑。
上述技术方案中，如图2所示，所述步骤S2最终形成了考虑多种因素影响的选择策略模型，所述多种因素包括接入电网对风电出力的承受能力、海上风电出力的随机性、海上风电出力的波动性和高压交流输电系统的损耗与传输距离。
上述技术方案中，所述步骤S2中针对高压交流输电系统的损耗与传输距离进行分析。图3为不同电压等级下的海底电缆最大传输容量图，可知，110kV：Lmax＝377km，220kV：Lmax＝281km，500kV：Lmax＝201km。通过Matlab建立模型进行仿真计算在不同电压等级下(110kV、220kV、500kV)装机容量为500MW和1000MW的风电场在不同距离上的系统损耗L％。计算式如下：
Figure BDA0002972191510000041
式中：Pli为传输系统在风速i时的有功损耗；Pgi为机组在风速i时所发出的有功功率；n为风速的等级划分。
110kV输电线路的损耗组成如表1所示。
表1 距岸100km的500MW的风电场传输系统损耗分布
Figure BDA0002972191510000042
由计算结果可以看出风电场传输系统的损耗主要集中在输电电缆部分。
对于装机容量为500MW风电场，500MW风电场高压交流输电系统损耗计算结果如表2所示。
表2 500MW风电场高压交流输电系统损耗计算结果
Figure BDA0002972191510000051
对于装机容量为1000MW风电场，1000MW风电场高压交流输电系统损耗计算结果如表3所示。
表3 1000MW风电场高压交流输电系统损耗计算结果
Figure BDA0002972191510000052
从上述结果可知，在150km以内，采用较高的电压等级(220kV、500kV)可减少传输系统损耗。
上述技术方案中，所述步骤S3的具体实现方式为：所述海底电缆输电系统投资费用包括海底电缆成本、海上升压站价格、无功补偿设备价格，具体计算模型如下：
CAC＝CCAB+CSUB+CCOM (2)
式中：CAC为海底电缆输电系统投资费用，CCAB为海底电缆成本，CSUB为海上升压站价格，CCOM为无功补偿设备价格，其中，海底电缆成本具体计算方法为：
CCAB＝Cmat+Cins (3)
式中：Cmat为海底电缆购买费用，Cins为海底电缆安装费用，
所述海底电缆购买费用由海底电缆的型号决定，电缆的单位安装费用为275M€/km。在海上升压站价格的计算中，由于海上风电场风速变化的波动性，风电场在实际出力中为40％左右，其输出功率达不到100％，故变电站容量是按风电场的全部装机容量来考虑的，单位价格为130k€/MW，所述海上升压站价格包括了变电站安装、设计和土建费用；输电系统中电缆的型号将根据交流输电系统海上变电站容量所需并结合海底电缆投资成本公式计算结果进行选择。下面给出算例：
假设风电场与岸上的距离为20km，分析了交流输电系统采用不同输电电压(150kV和220kV)对成本的影响。当风电场与岸上距离为20km时，150kV交流输电系统海上变电站容量为200MW，无功补偿容量为20MW，选用3芯截面为800mm2的电缆，电缆载流量为916A，单位价格0.582M€/km；220kV交流输电系统变电站容量为200MW，无功补偿容量为70MW，选用3芯截面为400mm2的电缆，电缆载流量为675A，单位价格0.569M€/km，其投资成本如表4所示。
表4 200MW风电场不同电压交流输电成本比较
Figure BDA0002972191510000061
由此可见，选用电压等级为220kV的输电线路成本与150kV的输电线路总成本基本相同，但随着输电距离的增加，采用高一等级电压的电缆可以输送更多容量的电流，其单位输电成本也会相对降低。
上述技术方案中，所述步骤S4中无功平衡分析时考虑到的风电场无功损耗包括风电场风力发电机升压变压器消耗的无功功率、风电场升压站主变压器消耗的无功功率、风电场集电线路消耗的无功功率和高压并网线路50％的无功损耗，其计算方法如下：
1)所述风电场风力发电机升压变压器消耗的无功功率计算公式为：
Figure BDA0002972191510000071
式中，Qb为风电场风力发电机升压变压器消耗的无功功率，Ud为风电场风力发电机升压变压器的阻抗电压百分值；Im为风电场风力发电机升压变压器需要补偿一侧的工作电流值；Ie为风电场风力发电机升压变压器需要补偿一侧的额定电流值；I0为风电场风力发电机升压变压器空载电流百分比；Se为风电场风力发电机升压变压器的额定容量；
2)所述风电场升压站主变压器消耗的无功功率计算公式为：
Figure BDA0002972191510000072
式中，QB为风电场升压站主变压器消耗的无功功率，Ud1为风电场升压站主变压器的阻抗电压百分值；Im1为风电场升压站主变压器需要补偿一侧的工作电流值；Ie1为风电场升压站主变压器需要补偿一侧的额定电流值；I01为风电场升压站主变压器空载电流百分比；Se1为风电场升压站主变压器的额定容量；
3)所述风电场集电线路消耗的无功功率包括风电场集电线路消耗的容性无功功率和风电场集电线路消耗的感性无功功率，所述风电场集电线路消耗的容性无功功率计算公式为：
QC＝U2ωCl (6)
所述风电场集电线路消耗的感性无功功率计算公式为：
QL＝3I2ωLl (7)
式中，QC为容性无功功率，QL为感性无功功率，var；U为计算线路的额定电压，kV；I为线路流过的工作电流，A；l为风电场架空集电线路的长度，m；ω为电网频率，rad/s；C为架空电力线路的单位电容；L为架空电力线路的单位电感；
4)如果并网线路较长，还应考虑高压并网线路50％的无功损耗，所述高压并网线路50％的无功损耗包括高压并网线路50％的容性无功功率和高压并网线路50％的感性无功功率，所述高压并网线路50％的容性无功功率计算公式为：
QC＝U2ωCl/2 (8)
所述高压并网线路50％的感性无功功率计算公式为：
QL＝3I2ωLl/2 (9)
式中：QC为容性无功功率，QL为感性无功功率，var；U为计算线路的额定电压，kV；I为线路流过的工作电流，A；l为风电场架空集电线路的长度，m；ω为电网频率，rad/s；C为架空电力线路的单位电容；L为架空电力线路的单位电感。
上述技术方案中，所述海底电缆输电系统无功平衡措施从风电场内部35kV层无功平衡措施及送出输电系统220kV层无功平衡措施2个层面开展；
所述35kV层无功平衡措施包括35kV海底电缆、风电机组无功调节容量、海上升压站中的升压变压器三部分；计及每台风电机组机端升压设备的感性无功损耗，当风电场内部35kV层的无功功率为风电场额定出力的50％～60％时，35kV海底电缆容性充电无功可以在35kV层消纳平衡；当风电场出力小于额定出力的50％时，35kV海底电缆容性充电功率大于感性无功功率损耗，风电场需通过调节风电机组无功调节容量以及在升压站35kV母线侧集中加装适当容量的动态无功补偿装置来调节控制35kV(电压)层的电压；
所述220kV层无功平衡措施针对海上升压站的升压主变压器和220kV高压交流海缆；离岸距离超过20km的海上风电场220kV层应在并网海缆线路侧配置足够容量的感性无功补偿装置，以满足220kV层无功平衡的需要；通过较长距离高压交流海缆线路并网的海上风电场，220kV层无功补偿采用220kV高压并联电抗器；为了避开输电线非全相运行谐振区，高抗补偿容量不宜大于80％补偿度，综合平衡输电系统的无功损耗、风电机组无功调节能力以及35kV母线需加装动态无功补偿容量，通常在220kV海缆侧加装60％～70％补偿度的高抗容量，以满足220kV电压层无功平衡需求。
上述技术方案中，所述无功配置方法是提出解决风电场接入电网后引起电压波动并在电网高峰低谷时段，按电网需要送出或吸收一定容量无功，起到对电网电压调节作用的无功补偿容量的计算原则及方法。
上述技术方案中，所述计算原则为：
原则一，按照无功容量分(电压)层、分(供电)区基本平衡的原则，海上风电场配置的无功补偿装置包括220kV海缆线路侧需装设的高抗容量以及海上升压站35kV汇流母线侧动态无功补偿容量；
原则二，考虑电网规划年度负荷水平、网络结构的不确定性，为使风电场具备一定的无功电压调节能力，在确定需装设的动态无功容量时，宜以其并网输电线注入电网公共连接点潮流的功率因数在±0.98范围调节能力为标准进行估算；
原则三，配置的动态无功补偿装置容量应能满足海上风电场各种随机运行方式的电网调控要求，在容量估算时可选用海上风电场额定发电出力的100％、50％和10％三种典型运行方式；
原则四，针对风电机组不同的无功调节能力，在配置动态无功补偿容量估算时，可按以下2种方式设置：风电场的无功功率出力根据运行初始条件设定风电机组运行的功率因数；风电机组运行的功率因数可在一定范围内连续可调。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法，其特征在于，它包括如下步骤：
S1，根据海上风电输电系统对电能传输的实际需求，搭建海底电缆输电系统基本模型并设计海上风电接入方案；
S2，根据海底电缆和海上风电系统建设现场实际因素，确定海底电缆输电系统电压等级与回路数的选择策略模型；
S3，根据S2中确定的海底电缆输电系统电压等级与回路数选择策略，建立海底电缆输电系统电缆选型和经济性分析模型；
S4，针对S1和S2建立的基于海上风电的海底电缆输电系统进行无功平衡分析，确立适用于该系统的无功配置方法；
所述步骤S4中无功平衡分析时考虑到的风电场无功损耗包括风电场风力发电机升压变压器消耗的无功功率、风电场升压站主变压器消耗的无功功率、风电场集电线路消耗的无功功率和高压并网线路50％的无功损耗，其计算方法如下：
所述风电场风力发电机升压变压器消耗的无功功率计算公式为：
Figure FDA0003833897460000011
式中，Qb为风电场风力发电机升压变压器消耗的无功功率，Ud为风电场风力发电机升压变压器的阻抗电压百分值；Im为风电场风力发电机升压变压器需要补偿一侧的工作电流值；Ie为风电场风力发电机升压变压器需要补偿一侧的额定电流值；I0为风电场风力发电机升压变压器空载电流百分比；Se为风电场风力发电机升压变压器的额定容量；
所述风电场升压站主变压器消耗的无功功率计算公式为：
Figure FDA0003833897460000012
式中，QB为风电场升压站主变压器消耗的无功功率，Ud1为风电场升压站主变压器的阻抗电压百分值；Im1为风电场升压站主变压器需要补偿一侧的工作电流值；Ie1为风电场升压站主变压器需要补偿一侧的额定电流值；I01为风电场升压站主变压器空载电流百分比；Se1为风电场升压站主变压器的额定容量；
所述风电场集电线路消耗的无功功率包括风电场集电线路消耗的容性无功功率和风电场集电线路消耗的感性无功功率，所述风电场集电线路消耗的容性无功功率计算公式为：
QC＝U2ωCl
所述风电场集电线路消耗的感性无功功率计算公式为：
QL＝3I2ωLl
式中，QC为容性无功功率，QL为感性无功功率；U为计算线路的额定电压；I为线路流过的工作电流；l为风电场架空集电线路的长度；ω为电网频率；C为架空电力线路的单位电容；L为架空电力线路的单位电感；
所述高压并网线路50％的无功损耗包括高压并网线路50％的容性无功功率和高压并网线路50％的感性无功功率，所述高压并网线路50％的容性无功功率计算公式为：
QC＝U2ωCl/2
所述高压并网线路50％的感性无功功率计算公式为：
QL＝3I2ωLl/2
式中：QC为容性无功功率，QL为感性无功功率；U为计算线路的额定电压；I为线路流过的工作电流；l为风电场架空集电线路的长度；ω为电网频率；C为架空电力线路的单位电容；L为架空电力线路的单位电感；
所述步骤2中，通过Matlab建立模型进行仿真计算在不同电压等级下不同装机容量的风电场在不同距离上的系统损耗L％，计算式如下：
Figure FDA0003833897460000021
式中：Pli为传输系统在风速i时的有功损耗；Pgi为机组在风速i时所发出的有功功率；n为风速的等级划分；
所述步骤S3的具体实现方式为：
所述海底电缆输电系统投资费用包括海底电缆成本、海上升压站价格、无功补偿设备价格，具体计算模型如下：
CAC＝CCAB+CSUB+CCOM
式中：CAC为海底电缆输电系统投资费用，CCAB为海底电缆成本，CSUB为海上升压站价格，CCOM为无功补偿设备价格，其中，海底电缆成本具体计算方法为：
CCAB＝Cmat+Cins
式中：Cmat为海底电缆购买费用，Cins为海底电缆安装费用，
所述海底电缆购买费用由海底电缆的型号决定；海上升压站价格包括了海上升压站安装、设计和土建费用；输电系统中电缆的型号将根据计算结果进行选择；
所述海底电缆输电系统无功平衡措施从风电场内部35kV层无功平衡措施及送出输电系统220kV层无功平衡措施2个层面开展；
所述35kV层无功平衡措施包括35kV海底电缆、风电机组无功调节容量、海上升压站中的升压变压器三部分；计及每台风电机组机端升压设备的感性无功损耗，当风电场内部35kV层的无功功率为风电场额定出力的50％～60％时，35kV海底电缆容性充电无功可以在35kV层消纳平衡；当风电场出力小于额定出力的50％时，35kV海底电缆容性充电功率大于感性无功功率损耗，风电场需通过调节风电机组无功调节容量以及在升压站35kV母线侧集中加装适当容量的动态无功补偿装置来调节控制35kV电压层的电压；
所述220kV层无功平衡措施针对海上升压站的升压主变压器和220kV高压交流海缆；离岸距离超过20km的海上风电场220kV层应在并网海缆线路侧配置足够容量的感性无功补偿装置，以满足220kV层无功平衡的需要；通过较长距离高压交流海缆线路并网的海上风电场，220kV层无功补偿采用220kV高压并联电抗器；为了避开输电线非全相运行谐振区，高抗补偿容量不宜大于80％补偿度，综合平衡输电系统的无功损耗、风电机组无功调节能力以及35kV母线需加装动态无功补偿容量，通常在220kV海缆侧加装60％～70％补偿度的高抗容量，以满足220kV电压层无功平衡需求；
所述无功配置方法是提出解决风电场接入电网后引起电压波动并在电网高峰低谷时段，按电网需要送出或吸收一定容量无功，起到对电网电压调节作用的无功补偿容量的计算原则及方法；
所述计算原则为：
原则一，按照无功容量分电压层、分供电区基本平衡的原则，海上风电场配置的无功补偿装置包括220kV海缆线路侧需装设的高抗容量以及海上升压站35kV汇流母线侧动态无功补偿容量；
原则二，考虑电网规划年度负荷水平、网络结构的不确定性，为使风电场具备一定的无功电压调节能力，在确定需装设的动态无功容量时，宜以其并网输电线注入电网公共连接点潮流的功率因数在±0.98范围调节能力为标准进行估算；
原则三，配置的动态无功补偿装置容量应能满足海上风电场各种随机运行方式的电网调控要求，在容量估算时可选用海上风电场额定发电出力的100％、50％和10％三种典型运行方式；
原则四，针对风电机组不同的无功调节能力，在配置动态无功补偿容量估算时，可按以下2种方式设置：风电场的无功功率出力根据运行初始条件设定风电机组运行的功率因数；风电机组运行的功率因数可在一定范围内连续可调。
2.根据权利要求1所述的海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法，其特征在于：所述海底电缆输电系统包括交联聚乙烯海底电缆(1)、海上升压站(2)、无功补偿设备(3)；所述海上风电接入方案为由海上集电系统(4)到海上升压站(2)的接入方式。
3.根据权利要求1所述的海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法，其特征在于：
所述S2最终形成了考虑多种因素影响的选择策略模型，所述多种因素包括接入电网对风电出力的承受能力、海上风电出力的随机性、海上风电出力的波动性和高压交流输电系统的损耗与传输距离。
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