全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅速發(fā)展，能源需求日趨增長(zhǎng)，而煤炭、石油等傳統(tǒng)能源日趨枯竭，伴隨傳統(tǒng)能源廣泛使用所滋生的環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。2013年，由國(guó)務(wù)院印發(fā)的關(guān)于大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知中明確提出要加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源供應(yīng)，開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能等新能源。我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，且主要分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)、又缺乏常規(guī)能源的沿海地區(qū)。海上風(fēng)電相比陸上風(fēng)電具有高風(fēng)速、高產(chǎn)出、年利用小時(shí)數(shù)更高等顯著優(yōu)點(diǎn)，加之其不占用土地資源和對(duì)環(huán)境影響較小，海上風(fēng)電逐漸成為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。隨著海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)不斷突破、建設(shè)成本進(jìn)一步降低，以及國(guó)家相關(guān)政策大力推動(dòng)和引導(dǎo)，未來(lái)幾年，海上風(fēng)電有望迎來(lái)迅速發(fā)展的黃金時(shí)期。海上風(fēng)電場(chǎng)在電力輸送過(guò)程中需采用海底電纜，由于交流電纜具有較大充電功率，特別是高電壓、大截面、長(zhǎng)距離海纜在過(guò)電壓保護(hù)方面與常規(guī)架空線(xiàn)路有很大不同。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)５纂娎|的過(guò)電壓研究相對(duì)較少，而針對(duì)海纜+架空混合線(xiàn)路的過(guò)電壓研究分析尤其缺乏。從電磁場(chǎng)角度建立海纜的計(jì)算模型，針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)送出混合線(xiàn)路進(jìn)行工頻過(guò)電壓研究對(duì)保證其安全可靠運(yùn)行十分重要。海上風(fēng)電場(chǎng)感性無(wú)功補(bǔ)償一般可采用高壓并聯(lián)電抗器(簡(jiǎn)稱(chēng)高抗)、低壓感性補(bǔ)償、高抗+低壓感性補(bǔ)償三種配置方案；容性無(wú)功補(bǔ)償原則采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。高壓并聯(lián)電抗器是限制工頻過(guò)電壓的主要措施，同時(shí)又具備無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩１疚幕诤Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)送出混合線(xiàn)路過(guò)電壓計(jì)算分析結(jié)果，綜合研究海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量，確立無(wú)功補(bǔ)償配置方案，并應(yīng)用于工程實(shí)際，為海上風(fēng)電場(chǎng)安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供設(shè)計(jì)參考。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)

海上風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)主要有交流輸電和直流輸電兩種基本方式，其中直流輸送方式又分為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳統(tǒng)的基于晶閘管換流器(PCC)的直流輸電技術(shù)；另一類(lèi)是近些年發(fā)展起來(lái)的基于電壓源變頻器(VSC)的輕型直流輸電技術(shù)。交流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，應(yīng)用較早，技術(shù)比較成熟，可靠性較高，是現(xiàn)階段海上風(fēng)電場(chǎng)主要采用的輸電方式。

本文所研究的海上風(fēng)電場(chǎng)采用交流輸電方式接入電網(wǎng)，主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(含機(jī)端變壓器)、站內(nèi)匯集線(xiàn)路、海上升壓站、送出海纜和架空混合線(xiàn)路，其中站內(nèi)匯集線(xiàn)路一般采用35 k V電壓等級(jí)，海上升壓站包括升壓主變壓器和無(wú)功補(bǔ)償裝置等設(shè)備。圖1為采用交流并網(wǎng)方式的典型海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)示意圖。

2 海纜模型及電氣參數(shù)

本文的主要研究對(duì)象為海上風(fēng)電場(chǎng)送出海纜及架空混合線(xiàn)路，因此，從電磁場(chǎng)角度建立海纜的準(zhǔn)確模型是進(jìn)行仿真分析的必要前提。

海底電纜的電氣參數(shù)取決于海纜所用的材料和幾何尺寸，所以可據(jù)此計(jì)算得到海纜電氣參數(shù)。海纜的電氣參數(shù)主要有導(dǎo)電線(xiàn)芯電阻、絕緣電阻、電感和電容，以及正序阻抗和零序阻抗等，海纜的等效電路如圖2所示。其中，R0為單位長(zhǎng)度的等效電阻，單位為Ω/km，X0為單位長(zhǎng)度的等效電感，單位為m H/km；G0為單位長(zhǎng)度漏電導(dǎo)，單位為S/km；C0為單位長(zhǎng)度的電容，單位為μF/km。在本文的研究中，考慮到海纜的漏電導(dǎo)很小，不考慮海纜的漏電導(dǎo)。

與常規(guī)電纜相比，海纜不僅要求具備防水、耐腐蝕、抗機(jī)械牽拉及外力碰撞等特殊性能，還要求較高的電氣絕緣性能和很高的安全可靠性。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同海纜可分為三芯和單芯電纜，目前電纜廠(chǎng)家提供的典型海纜結(jié)構(gòu)如圖3所示。

以單芯海纜為例，可簡(jiǎn)化為圖4所示的海纜參數(shù)模擬原理圖。單芯電纜的電氣參數(shù)是按同軸回路方程的形式推導(dǎo)而得，其中回路1由芯導(dǎo)線(xiàn)C與返回電路金屬外皮S構(gòu)成，回路2由金屬外皮S與返回電路金屬鎧裝A構(gòu)成，回路3由金屬鎧裝A和海水SE構(gòu)成。上述三個(gè)回路的串聯(lián)阻抗可用式(1)三個(gè)耦合方程來(lái)描述，其中V和I為相應(yīng)回路電壓、電流。

式(2)和(3)以芯線(xiàn)、外皮和鎧裝電壓電流作為端部條件，其中，Vcore、Vsheath、Vcrmour分別為芯線(xiàn)、外皮和鎧裝的對(duì)地電壓。將式(2)、式(3)應(yīng)用到式(1)，則可得到：

對(duì)圖4中電流沿海纜的變化而言，各回路方程彼此是無(wú)關(guān)的，如公式（5）所示。根據(jù)式（1）~公式（5）即可計(jì)算得到海纜的電氣參數(shù)。EMTP/EMTPE軟件為用戶(hù)提供了電纜支撐程序，通過(guò)特殊申請(qǐng)字“CABLE CONSTANTS”，便可以計(jì)算不同結(jié)構(gòu)電纜的電阻、電感和電容矩陣。

3 工頻過(guò)電壓和無(wú)功補(bǔ)償研究

3.1 工頻過(guò)電壓

工頻過(guò)電壓在確定系統(tǒng)絕緣水平時(shí)起著重要的作用，產(chǎn)生工頻過(guò)電壓的主要原因是空載線(xiàn)路的電容效應(yīng)、不對(duì)稱(chēng)接地故障、發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷等。由于海纜的與架空線(xiàn)路電氣參數(shù)上的差異(如海纜線(xiàn)路的電容較大等)，海上風(fēng)電場(chǎng)采用高壓海纜和架空混合線(xiàn)路的送出電力時(shí)工頻過(guò)電壓情況較純電纜和純架空線(xiàn)路更為復(fù)雜。

高壓并聯(lián)電抗器是限制工頻過(guò)電壓的主要有效措施，以帶有高抗的空載線(xiàn)路電容效應(yīng)引起的工頻過(guò)電壓為例，海上風(fēng)電場(chǎng)輸電系統(tǒng)接線(xiàn)示意圖如圖5所示，可得：

其中，E為系統(tǒng)等效電源，XS為系統(tǒng)電源等值阻抗，XL為并聯(lián)電抗器，ZC為輸電線(xiàn)路特征阻抗， 為輸電線(xiàn)路的相位系數(shù)，l為輸電線(xiàn)路長(zhǎng)度。由式(6)可以看出，合理選擇高壓并聯(lián)電抗器容量可有效降低輸電系統(tǒng)末端電壓U2，從而限制工頻過(guò)電壓數(shù)值；若不裝設(shè)并聯(lián)電抗器，則并聯(lián)電抗器抗值XL=0。高壓并聯(lián)電抗器的選擇以線(xiàn)路補(bǔ)償度為依據(jù)，一般情況下，并聯(lián)電抗器容量應(yīng)為輸電線(xiàn)路充電功率的60%～70%左右。

實(shí)際運(yùn)行中，不對(duì)稱(chēng)短路是輸電線(xiàn)路中最常見(jiàn)的故障型式，其中以單相接地故障所占比例最大，因此本文主要針對(duì)單相接地、三相斷開(kāi)的故障型式引起的工頻過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償綜合研究

目前，勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)暫無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。參照GB/T 19963-2011相關(guān)規(guī)定，風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償容量應(yīng)按照分(電壓)層分(電)區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行配置，并滿(mǎn)足檢修備用要求；對(duì)于直接接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，其配置的容性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā)時(shí)場(chǎng)內(nèi)匯集線(xiàn)路、主變壓器的感性無(wú)功及風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的一半感性無(wú)功之和，其配置的感性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)自身的容性充電無(wú)功功率及風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的一半充電無(wú)功功率。結(jié)合海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際接入情況和電網(wǎng)公司技術(shù)管理要求，海上風(fēng)電場(chǎng)配置無(wú)功補(bǔ)償容量需考慮全部補(bǔ)償其送出混合線(xiàn)路中海纜部分的容性及感性無(wú)功功率。根據(jù)上述原則，由海上風(fēng)電場(chǎng)送出混合線(xiàn)路、升壓主變、集電線(xiàn)路和機(jī)端升壓變等設(shè)備電氣參數(shù)即可計(jì)算得到所需補(bǔ)償感性和容性無(wú)功補(bǔ)償容量。本文已對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償三種配置方式作了簡(jiǎn)要介紹，由于高壓并聯(lián)電抗器費(fèi)用昂貴，且運(yùn)行時(shí)必須一直接在線(xiàn)路上，不允許退出。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和靈活性，高壓并聯(lián)電抗器往往不是海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行感性無(wú)功補(bǔ)償?shù)氖滓x擇。但若通過(guò)輸電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)計(jì)算分析，要求加裝高壓電抗器以限制工頻過(guò)電壓，則必須基于過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果中高壓并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償度對(duì)前述計(jì)算所得無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行修正，得到所需低壓無(wú)功補(bǔ)償容量，并最終確立海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置方案。按上述過(guò)程確定的海上風(fēng)電場(chǎng)送出海纜+架空混合線(xiàn)路工頻過(guò)電壓和無(wú)功補(bǔ)償綜合計(jì)算研究流程如圖6所示。

4 案例分析

4.1 計(jì)算條件

以江蘇某近海風(fēng)電場(chǎng)為例，風(fēng)電場(chǎng)采用一機(jī)一變方式安裝18臺(tái)單機(jī)容量3 MW風(fēng)電機(jī)組和37臺(tái)單機(jī)容量4 MW風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)規(guī)模202 MW，在海上平臺(tái)建設(shè)220 k V升壓站，通過(guò)一回220 k V海底電纜和架空混合線(xiàn)路送出電力至陸上某220 k V系統(tǒng)變電站，其中海纜截面為3×500 mm2，長(zhǎng)度約12.9 km，海纜結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：導(dǎo)體直徑26.6 mm、導(dǎo)體屏蔽層1.7 mm、絕緣層27 mm、絕緣屏蔽1.2 mm、縱向阻水層1 mm、金屬套3 mm、半導(dǎo)電護(hù)套3 mm、內(nèi)襯層3.1 mm、鎧裝層8 mm、外被層5 mm、總外徑251 mm；架空線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)GJ-2×630，長(zhǎng)度約8 km。圖7為工程輸電系統(tǒng)示意圖。

4.2 計(jì)算分析過(guò)程

首先，根據(jù)表1中三芯海纜的幾何尺寸，利用EMTP/EMTPE電纜支持程序計(jì)算海纜的電阻、電感和電容矩陣，得到海纜的計(jì)算模型。建立輸電系統(tǒng)等值電路示意圖，如圖8所示，其中S1、S2分別為系統(tǒng)220 k V變電站和海上風(fēng)電場(chǎng)220 k V升壓站等值電源，ZS1和ZS2分別是對(duì)應(yīng)的等值電源阻抗，輸電線(xiàn)路由海底電纜和架空混合線(xiàn)路組成。

考慮風(fēng)電場(chǎng)三種典型出力方式(100%、60%和10%最大出力)，針對(duì)送出混合線(xiàn)路一側(cè)單相接地、三相斷開(kāi)的故障型式進(jìn)行工頻過(guò)電壓計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)于220 k V系統(tǒng)工頻過(guò)電壓一般按線(xiàn)路斷路器的變電站母線(xiàn)側(cè)不超過(guò)1.3 p.u.及線(xiàn)路斷路器的線(xiàn)路側(cè)不超過(guò)1.4 p.u.考慮。由表2可見(jiàn)，本工程輸電系統(tǒng)工頻過(guò)電壓