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青岛菲特电器科技有限公司
长岛海缆和风电场对末端电压的影响与解决方案
摘要：
　　 风电场实际发电量受来风的影响从零至最大发电量之间变化，使风电场与主网连接点的电压变动率很大。长岛风电场通过110kV海缆与大陆主电网连接，由于电缆的电容电感分布参数加剧了电压的变化。当主网往风电场送电并且输送的无功较小时需要补偿感性无功以补充电缆的充电电容，而风电场往主网送电时在风电场处需补偿容性无功。
1. 前言
　　长岛现有风电总装机容量为59.15MW，其中鲁能装机19.95 MW，华能装机27.2 MW，中能为12MW。长岛电网通过110kV海底电缆与蓬莱侧的大陆主电网相连，110kV长山变电站的主变容量为31.5 MW。海底电缆投运后，长山变110kV侧的电压波动很大，最高时达到120kV，超过国标+7%的要求。
由于风力发电受风力资源的影响非常大，风电场的实际发电量受来风的影响从零到总装机容量之间变化。当无风时风力发电不发电，岛上的电力负荷全部通过海缆由大陆主电网供电，当风力发电量正好等于岛上用电量时海缆不流过负荷电流，而当风力发电量大于岛上用电量时则风电场通过海缆往大陆主电网输送电能。同时由于电缆与架空线相比有很大的对地电容，而且沿电缆长度方向还存在分布电感，加上负荷潮流的急剧变化，从而造成了电网电压的急剧波动，因此研究风电场这种特殊供电方式下电压波动与功率潮流的关系，从而提出经济合理的解决方案具有十分现实的意义。
2. 电缆输电的计算模型
　　电缆输电电路属于具有电感、电容分布参数的均匀传输线电路[1]，其计算原理可按图1的均匀传输线模型进行。

图1均匀传输线电路模型




3. 长岛输电网络的实际计算模型
　　 从蓬莱市到长岛县的110kV输电线路由三段构成，第一段为220kV汤丘站到海缆房的3.37km的陆上110kV电缆，电缆型号为YJLM-64/110-1×300，其单位电容为0.14μF/km，电感值为1.6mH/km；第二段为9.5km的海底电缆，电缆型号为CYGQ241-1×300，其单位电容为0.35μF/km，电感值为4.16mH/km；第三段为5.67km的架空线，在计算中可以忽略不计。由于蓬莱市一侧大陆的电网容量比长岛的风力发电装机容量大得多，因此可以把大陆侧的电网看成为刚性电网，那么引起110kV电缆及岛上电网电压变化的因素主要为电缆输电的功率潮流、电缆的电容电感分布参数以及220kV汤丘站主变的短路电抗。据此长岛110kV输电网络忽略损耗后的计算可以按图2所示电路进行分析。




4. 计算结果及分析
　　 利用计算机按上述的计算方法对不同传输功率下的电压变化进行分析计算，表1列出了海缆往岛上输送电能时不同传输功率下的电压变动率的计算结果，表2为反过来海缆往大陆送电时的计算结果。





　　 从表中看出，有功功率的变化对电压的变动基本没有影响，而无功的变化引起电压的波动很大。从表1看，当海缆往岛上送电时，随着输送无功的增加电缆末端电压在下降，输送无功为零时电压上升2.76%，输送无功在11Mvar时电压变化为零。当输送无功从0增加到23Mvar时，电压总下降为5.74 %。从表2看，当海缆往大陆送电时，随着输送无功的增加电缆末端电压在升高，当输送的无功达到23Mvar时电压上升达到8.47%。
事实上，海缆和陆缆的总电容达3.797μF，其发出的容性无功为14.43Mvar，由于海缆的相间敷设距离达200m，回路电感较大，容性分布电流引起电压上升，所以在输送感性无功为11Mvar时电压基本不变。
5. 解决方案
　　 从计算结果看，在±23 Mvar的无功输送功率下，电缆末端的电压变化达2×5.74%=11.18%，要解决电压波动的问题，理想的方案是实现无功自动补偿，表3是依据表1、表2得出的不同运行工况下所需补偿的无功量，在此补偿量下，控制电压变化率不大于±1%。



　　 从表3看出，只有在大陆往岛上输送的无功≥16 Mvar时才需要补偿容性无功，其余工况都需要补偿感性无功。同时当岛上往大陆送电时，所需输送的无功应该在大陆一侧补电容解决，否则由电缆输送的话会引起岛侧电压升高。鉴于目前岛上用电量<16Mvar，第一步可以考虑只上补偿电抗器。从经济角度考虑，电抗器可以装于长岛长山变的35kV侧。电抗器方案有两种可以选择，一种是空心并联电抗器分3+6 Mvar两组，人工选择进行投切；另一种是新型正交磁控铁心电抗器，可以实现智能自动补偿。前一种方案比较经济，但需人工跟踪且投切过程还会有短时段过电压；后一种较贵但补偿效果好，无需值班监视。
参考文献:
[1]邱关源，《电路》，P426~433，高等教育出版社