一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种海底电缆输电系统分析模型与无功配置方法
本专利技术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。
技术介绍
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
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的有益效果为本专利技术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为本专利技术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专利技术作进一步的详细说明：本专利技术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(HighVoltageAlternatingCurrent,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，本专利技术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：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2500MW风电场高压交流输电系统损耗计算结果对于装机容量为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31000MW风电场高压交流输电系统损耗计算结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nS1，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；/nS2，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；/nS3，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；/nS4，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。/n

【技术特征摘要】
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。


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。


4.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。


5.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，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：



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＝3I2ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤亮亮，邓鹤鸣，张广洲，刘飞，蔡炜，朱弘钊，任华，王力农，宋斌，李小春，陈辉荣，谢迎谱，
申请(专利权)人：国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42