海上风电场经交流海缆并网的电磁暂态建模与无功优化研究

作     者：叶昊亮 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐政

授予年度：2022年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：海上风电送出系统 交流海缆 高抗补偿 无功配置 PSCAD/EMTDC 

摘      要：海上风电具有能资源稳定、机组运行稳定、能量产出大、年利用小时数高、不占用陆上土地资源、环境负面影响小、适宜大规模开发等优点,近年来成为各国风电发展的重要战略方向。随着海洋资源的开发,全球风电逐渐呈现规模化、集群化及远海化的趋势。随着离岸距离的不断增加,高电压、大截面、长距离的交流海缆导致的内部过电压和无功电压问题将更加突出。因此亟需研究适用于海上风电经长距离交流海缆送出系统过电压分析的电磁暂态模型,以及适用于工程实际的海上风电送出系统无功配置设计方案。本文主要围绕海上风电经交流海缆送出系统的数学模型建立与稳态分析、电磁暂态模型建立与暂态过电压分析以及适用于工程实际的无功补偿方案的优化配置展开了研究。主要内容如下:（1）研究海底交流电缆的单位长度参数计算、稳态数学模型与分析方法。首先对典型的海缆单长参数进行了理论计算,包括电缆的全维串联阻抗矩阵以及并联导纳矩阵的详细计算。接着对考虑高抗补偿的电缆线路稳态模型进行研究,给出了对海缆端口以及沿线任意点电压电流量的具体计算方法,对不同工况下的多场景海缆无功补偿与输送能力进行了定量分析。建立了海上风电场经高压交流海缆送出系统的数学模型与稳态计算方法。（2）研究中远海风电场经高压交流海缆送出系统的电磁暂态模型与暂态过电压特性。首先,在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中建立了海上风电场、高压交流海缆、陆缆线路以及受端电网的电磁暂态仿真模型,对系统中避雷器、断路器以及故障模块等进行相应设置。其次,考虑风场不同有功出力、不同受端系统短路电流水平下的典型海缆沿线电压电流水平,对加装不同容量高抗补偿的多种工况,研究在不同故障类型、不同故障地点下的送出系统中过电压情况。建立了海上风电场经高压交流海缆送出系统的电磁暂态模型与暂态计算方法。（3）研究中远海风电场经高压交流海缆送出系统的无功配置优化方案。基于现有无功补偿配置原则,在前述建立的海上风电交流送出系统模型特性分析的基础上,得到多种可选无功补偿方案。结合系统所需无功补偿容量、过电压、海缆沿线电流分析,对备选方案进行经济性与并网点电网偏差比较,得出适用于工程实际的中远海风电场经交流海缆送出系统的无功配置优化设计流程。