全球經(jīng)濟(jì)社會迅速發(fā)展，能源需求日趨增長，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)破壞等問題愈發(fā)嚴(yán)重。2013年，由國務(wù)院印發(fā)的關(guān)于大氣污染防治行動計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)，開發(fā)利用風(fēng)能等新能源。我國海上風(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、年利用小時數(shù)更高等顯著優(yōu)點，加之其不占用土地資源和對環(huán)境影響較小，海上風(fēng)電逐漸成為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢。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，以及國家相關(guān)政策大力推動和引導(dǎo)，未來幾年，海上風(fēng)電有望迎來迅速發(fā)展的黃金時期。海上風(fēng)電場在電力輸送過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、長距離海纜在過電壓保護(hù)方面與常規(guī)架空線路有很大不同。當(dāng)前，國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)５纂娎|的過電壓研究相對較少，而針對海纜+架空混合線路的過電壓研究分析尤其缺乏。從電磁場角度建立海纜的計算模型，針對海上風(fēng)電場送出混合線路進(jìn)行工頻過電壓研究對保證其安全可靠運行十分重要。海上風(fēng)電場感性無功補(bǔ)償一般可采用高壓并聯(lián)電抗器(簡稱高抗)、低壓感性補(bǔ)償、高抗+低壓感性補(bǔ)償三種配置方案；容性無功補(bǔ)償原則采用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。高壓并聯(lián)電抗器是限制工頻過電壓的主要措施，同時又具備無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩１疚幕诤Ｉ巷L(fēng)電場送出混合線路過電壓計算分析結(jié)果，綜合研究海上風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量，確立無功補(bǔ)償配置方案，并應(yīng)用于工程實際，為海上風(fēng)電場安全可靠經(jīng)濟(jì)運行提供設(shè)計參考。

1 海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)

海上風(fēng)電場接入電力系統(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：一類是傳統(tǒng)的基于晶閘管換流器(PCC)的直流輸電技術(shù)；另一類是近些年發(fā)展起來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)相對簡單，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)電場主要采用的輸電方式。

本文所研究的海上風(fēng)電場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)匯集線路、海上升壓站、送出海纜和架空混合線路，其中站內(nèi)匯集線路一般采用35 k V電壓等級，海上升壓站包括升壓主變壓器和無功補(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)

本文的主要研究對象為海上風(fēng)電場送出海纜及架空混合線路，因此，從電磁場角度建立海纜的準(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為單位長度的等效電阻，單位為Ω/km，X0為單位長度的等效電感，單位為m H/km；G0為單位長度漏電導(dǎo)，單位為S/km；C0為單位長度的電容，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。上述三個回路的串聯(lián)阻抗可用式(1)三個耦合方程來描述，其中V和I為相應(yīng)回路電壓、電流。

式(2)和(3)以芯線、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、外皮和鎧裝的對地電壓。將式(2)、式(3)應(yīng)用到式(1)，則可得到：

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

3 工頻過電壓和無功補(bǔ)償研究

3.1 工頻過電壓

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

高壓并聯(lián)電抗器是限制工頻過電壓的主要有效措施，以帶有高抗的空載線路電容效應(yīng)引起的工頻過電壓為例，海上風(fēng)電場輸電系統(tǒng)接線示意圖如圖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為輸電線路特征阻抗， 為輸電線路的相位系數(shù)，l為輸電線路長度。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)為輸電線路充電功率的60%～70%左右。

實際運行中，不對稱短路是輸電線路中最常見的故障型式，其中以單相接地故障所占比例最大，因此本文主要針對單相接地、三相斷開的故障型式引起的工頻過電壓進(jìn)行計算分析。

3.2 無功補(bǔ)償綜合研究

目前，勘測設(shè)計行業(yè)暫無專門針對海上風(fēng)電場無功補(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)電場的無功補(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，并滿足檢修備用要求；對于直接接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場，其配置的容性無功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場滿發(fā)時場內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功及風(fēng)電場送出線路的一半感性無功之和，其配置的感性無功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場自身的容性充電無功功率及風(fēng)電場送出線路的一半充電無功功率。結(jié)合海上風(fēng)電場實際接入情況和電網(wǎng)公司技術(shù)管理要求，海上風(fēng)電場配置無功補(bǔ)償容量需考慮全部補(bǔ)償其送出混合線路中海纜部分的容性及感性無功功率。根據(jù)上述原則，由海上風(fēng)電場送出混合線路、升壓主變、集電線路和機(jī)端升壓變等設(shè)備電氣參數(shù)即可計算得到所需補(bǔ)償感性和容性無功補(bǔ)償容量。本文已對海上風(fēng)電場的無功補(bǔ)償三種配置方式作了簡要介紹，由于高壓并聯(lián)電抗器費用昂貴，且運行時必須一直接在線路上，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)電場進(jìn)行感性無功補(bǔ)償?shù)氖滓x擇。但若通過輸電系統(tǒng)過電壓保護(hù)計算分析，要求加裝高壓電抗器以限制工頻過電壓，則必須基于過電壓計算結(jié)果中高壓并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償度對前述計算所得無功補(bǔ)償容量進(jìn)行修正，得到所需低壓無功補(bǔ)償容量，并最終確立海上風(fēng)電場無功補(bǔ)償配置方案。按上述過程確定的海上風(fēng)電場送出海纜+架空混合線路工頻過電壓和無功補(bǔ)償綜合計算研究流程如圖6所示。

4 案例分析

4.1 計算條件

以江蘇某近海風(fēng)電場為例，風(fēng)電場采用一機(jī)一變方式安裝18臺單機(jī)容量3 MW風(fēng)電機(jī)組和37臺單機(jī)容量4 MW風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)規(guī)模202 MW，在海上平臺建設(shè)220 k V升壓站，通過一回220 k V海底電纜和架空混合線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；架空線型號為LGJ-2×630，長度約8 km。圖7為工程輸電系統(tǒng)示意圖。

4.2 計算分析過程

首先，根據(jù)表1中三芯海纜的幾何尺寸，利用EMTP/EMTPE電纜支持程序計算海纜的電阻、電感和電容矩陣，得到海纜的計算模型。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220 k V升壓站等值電源，ZS1和ZS2分別是對應(yīng)的等值電源阻抗，輸電線路由海底電纜和架空混合線路組成。

考慮風(fēng)電場三種典型出力方式(100%、60%和10%最大出力)，針對送出混合線路一側(cè)單相接地、三相斷開的故障型式進(jìn)行工頻過電壓計算，計算結(jié)果如表1所示。

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