[发明专利]一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法

权利要求书

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：

式中，Q_b为风电场风力发电机升压变压器消耗的无功功率，U_d为风电场风力发电机升压变压器的阻抗电压百分值；I_m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；I_e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；S_e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：

式中，Q_B为风电场升压站主变压器消耗的无功功率，U_d1为风电场升压站主变压器的阻抗电压百分值；I_m1为风电场升压站主变压器需要补偿一侧的工作电流值；I_e1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；S_e1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：

Q_C＝U²ωCl

所述风电场集电线路消耗的感性无功功率计算公式为：

Q_L＝3I²ωLl

式中，Q_C为容性无功功率，Q_L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：

Q_C＝U²ωCl/2

所述高压并网线路50％的感性无功功率计算公式为：

Q_L＝3I²ωLl/2

式中：Q_C为容性无功功率，Q_L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：

式中：P_li为传输系统在风速i时的有功损耗；P_gi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：

C_AC＝C_CAB+C_SUB+C_COM

式中：C_AC为海底电缆输电系统投资费用，C_CAB为海底电缆成本，C_SUB为海上升压站价格，C_COM为无功补偿设备价格，其中，海底电缆成本具体计算方法为：

C_CAB＝C_mat+C_ins

式中：C_mat为海底电缆购买费用，C_ins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。