电网电压跌落对海上风电系统无功补偿的影响分析

陈 澜，杨 苹，周少雄，王 灿，尹 旭

（1.中国能源建设集团 广东省电力设计研究院，广州 510663；2.华南理工大学 广东省绿色能源技术重点实验室，广州 510640；3.华南理工大学 风电控制与并网技术国家地方联合工程实验室，广州 510641）

0 引言

随着我国风电并网容量的不断增大，大型风电场接入电网时会对电力系统造成很大的冲击，影响电力系统的安全稳定运行。因此，我国对风电场接入电力系统的安全导则提出新的规范，对风电机组也提出更加严格的运行要求［1-3］。2012年6月实施的新国标GB／T19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》对风电场的动态无功支撑能力提出明确要求：当风电场并网点电压处于标称电压的20%～90%时，风电场应能够通过注入无功电流支撑电压恢复；自并网点电压跌落出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，持续时间应不少于550ms。风电场注入电力系统的动态无功电流IT≥1.5×（0.9-UT）IN，0.2≤UT≤0.9（UT为风电场并网点电压标幺值；IN为风电场额定电流）。

根据新的国家标准，在并网点电压跌落时要求风电系统有快速的动态响应，为此需要配备能够快速响应的无功补偿装置——静止无功发生器（SVG）。SVG的容量需要根据电网电压跌落的幅值和风电场的运行工况来确定。海上风力场的无功补偿方案一旦确定，往往因为其特殊的海上应用环境而难以扩展，如果留有太多的余量则投资太大。因此，在设计其无功补偿方案时需要全面考虑影响补偿效果和补偿容量的相关因素，选择性价比最高的方案。

在电网电压跌落情况下，为保证海上风电系统能够快速提供动态无功支撑，应先分析电网电压跌落对风电系统无功分布的影响。近几年来，国内外相关学者对这一问题进行了积极的探讨和研究，文献［4］在考虑风速和负荷变化情况的前提下改变电网电压值，应用遗传算法确定了并网点无功补偿容量的大小；文献［5］分别分析了异步、双馈和永磁三种类型风力发电机所组成的风电场的实际并网电压和无功补偿容量的关系，通过仿真发现，从外部吸收的无功功率的大小随着并网点电压的升高而逐渐减小；文献［6］提出在电网电压发生跌落时，以跌落前的稳态电压为控制目标，动态调节风电场输出的无功功率，改善了接入地区的电压稳定性。不过，以上论文都是针对陆上风电场展开的。

本文将基于海上风电系统的典型拓扑，建立适用于无功补偿的海上风电系统模型，据此分析在电网电压跌落时，风电场有功功率、无功功率以及电网电压跌落幅值对海上风电系统无功补偿的影响，为海上风电系统的无功补偿方案设计提供参考依据，为海上风电系统的动态过程控制提供指导。

1 海上风电系统的功率传输模型

海上风电系统的无功功率变化主要有两大因素：风电机组输出的无功功率发生变化和海底电缆的无功功率分布发生变化。一般电网电压是稳定的，随着风速或调度指令的改变，海上风电机组输出的有功功率和无功功率随之发生变化，从而影响整个风电场的无功功率分布。另一方面，海底电缆在海上风电系统空载运行和额定功率运行时的无功功率分布会也发生很大变化。由此可见：在进行海上风电场无功补偿方案设计时，需要建立海上风电系统的有功功率和无功功率传输模型。

海上风电系统主要包括海上风电机组、海上升压站以及海底电缆3个模块，海上风电系统的功率传输模型就由是这3个模块的功率传输模型组成。

1.1 海上风电机组的功率传输模型

由于海上风电机组的并网电压由电网决定，当电网电压稳定时，随着风速或调度指令的改变，海上风电机组输出的有功功率和无功功率随之发生变化，海上风电机组的输出电流也跟随功率的变化而改变。因此，可以将海上风电机组等效为一个电流可控的恒压功率源［4］。

考虑到每台海上风电机组连接到集电系统的线路损耗很低，因此，等值风电机组的容量等于每台风力发电机的容量之和［7-8］。在进行动态仿真的过程中，把每台等值风电机组作为PQ节点，则等值风电机组的容量S为：

式中：i，j表示风电机组在风电场内的位置，其中i为海上风电场单链支路编号，j为所在单链支路风电机组编号；M 为所在链路风电机组数；N 为单链支路数；P′i，j、Q′i，j表示经过箱式变压器损耗后的有功功率和无功功率。

1.2 海上升压站功率传输模型

海上升压站的模型为变压器模型，其模型的计算公式为：

式中：Pi，j、Qi，j分别表示编号为i，j等值风电机组的有功和无功功率；Ri、Xi分别表示编号为i变压器的电阻和电抗；Uit为第i台变压器的额定电压。

1.3 海底电缆功率传输模型

由于海上风电场逐渐由近海区域往深海区域发展，考虑到深海区域风电场需要的海底电缆较长，因此长距离均匀传输线的模型可用于海底电缆的功率传输模型具体如下。

针对长距离海底输电电缆，由于其电缆分布参数中的有功损耗相对电容值较小，即g0=0和r0=0。因此，长距离的海底输电电缆可以近似等效为无损耗线。

对 于 无 损 耗 输 电 线˙A=˙D=cosαl，˙B=jZcsinαl，线路两端的功率表达式为：

当两端电压给定时，圆心的坐标和半径的长度都只是线路长度的函数。两圆的半径相等，圆心落在虚轴上。其传输特性如图1所示。不同长度线路的功率圆图各有其特点。

图1 无线损的功率圆图

2 电网电压跌落时海上风电系统的动态分析

2.1 海上风电场动态分析

目前，在电网电压跌落时，海上风电场的控制或保护装置会保证系统工作在安全工作状态。由于海上风电机组不同的变流器厂家所采用的低电压穿越方案不一样，因此，目前针对电网电压跌落时海上风电场的输出功率无具体标准要求。

但从整体来说，目前一般的做法是：风电场在电网电压跌落后，控制系统启动Crowbar保护电路，保证变流器系统的电流不超过额定值，以避免损坏风电系统。此时海上风电机组有功功率输出量决定于变流器的功能；最后风电机组通过收桨以限制功率输出。在保证海上风电系统安全工作的前提下，极端工况是风电场的风速超过额定风速时发生电网电压跌落，此时海上风电系统按照额定电流继续输出有功功率，而不输出任何无功电流。

根据《风电场接入电力系统技术规定》对电网电压跌落后，由风电场注入电力系统的动态无功电流的计算公式可以得到。此时注入系统的无功功率要求为：

对式（4）右边求最大值可知：当系统在UT=0.45时，系统所需的无功功率最大为：ST≥0.303 75SN。

因此，当电网电压跌落到额定值的0.45时，风电场以0.45倍的额定视在功率大小的有功功率输出，在并网点需要无功补偿装置的容量最大。这种情况对于海上风电系统来说是最为严峻的。

2.2 升压站动态分析

当电网电压跌落时，风电场的动态控制保证了系统稳定且安全输出功率，而海上升压站在设计时考虑了系统以额定功率输出时的容量，而且系统的安全功率小于系统的额定功率。基于以上的考虑，变压器的功率传输特性还可以按照式（2）进行。

2.3 海底电缆动态功率传输特性分析

目前，海上风电场的海上传输线一般都在40km以内，因此线路较短，式（3）中的分母可以化为：

上式即为线路的总电抗。

根据公式（3）可得，当电网电压降低时，U1、U2的值都降低，因此传输的有功功率、无功功率的能力也随之降低。根据图1可知，此时功率圆的半径缩小。

3 仿真分析

采用PSCAD软件为仿真工具，以广东省目前正设计的某海上风电系统为例，来验证本文设计的正确性。该风电场由66台额定功率为3MW，最小功率因数为0.95的双馈风电机组组成。

3.1 电网电压跌落幅值对并网点无功补偿容量的影响

假设海上风电场输入海上风电系统的视在功率不变，即调度给风机的有功功率和无功功率的指令信号为0的前提下，系统的电压标幺值从1，逐渐减少0.1的方式降落。

电网电压跌落不同幅值时，无功补偿前后的系统的波形图如图2所示。从图2可以看出，当不加入无功补偿装置时，

图2 电网电压跌落不同幅值时无功补偿前后波形

系统随着电网电压的降落，其注入电网的无功功率Q92逐渐减少，而系统调度要求的无功功率形状为抛物线。当加入无功补偿装置后，无功补偿的Qrpc2波形走势与调度无功功率Qz基本上一致。

经过无功补偿后，海上风电系统注入系统的无功功率Q92能够完全跟随调度Qz的要求。

3.2 电网电压跌落条件下有功功率对并网点无功补偿容量的影响

设定调度给海上风电场的无功功率为0，电网的电压降为0.45，系统输入的有功功率从0逐渐上升为198MW，则系统在无功补偿前后的波形如图3所示。

图3 电网电压跌落到0.45时有功功率对无功补偿的影响波形图

从图3可以看出，当不加无功补偿装置时，风电场在电网电压跌落时，系统随着注入有功功率的增加，其并网点输出的容性无功功率逐渐减少。当加入无功补偿装置后，系统所需要的容性无功功率Qrcp2逐渐增加，海上风电系统注入系统的无功功率Q92能够完全跟随调度Qz的要求。

3.3 电网电压跌落条件下无功功率对并网点无功补偿容量的影响

设定调度给海上风电场的有功功率为0，电网的电压降为0.45，系统输入的无功功率从0到最大值，即65.08Mvar，则系统在无功补偿前后的波形如图4所示。

图4 电网电压跌落到0.45时无功功率对无功补偿的影响波形图

从图4可以看出，当不加无功补偿装置时，风电场在电网电压跌落时，系统随着注入的无功功率的增加，其并网点输出的容性无功功率也会逐渐增大。当加入无功补偿装置后，系统所需要的容性无功功率Qrcp2将会逐渐减少，海上风电系统注入系统的无功功率Q92能够完全跟随调度Qz的要求。

4 结语

针对电网电压跌落时海上风电系统无功补偿容量的需求分析问题，本文基于海上风电系统的典型拓扑，建立了包含海上风电机组、海上升压站、海底电缆的海上风电系统的功率传输模型。在此基础上，对电网电压跌落时海上风电系统的动态功率传输特性进行详细分析。对某实际海上风电系统的仿真计算结果表明：电网电压跌落的幅值、电网电压跌落时风电场输出的有功功率、无功功率对海上风电系统的无功补偿容量有着重要影响，并因此而影响海上风电系统的动态过程控制。当加入无功补偿装置后，海上风电系统注入系统的无功功率能够完全跟随调度的要求，可以为海上风电系统的无功补偿方案设计提供参考依据，为海上风电系统的动态过程控制提供指导。

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