某300MW海上风电场电气系统仿真计算大纲

某300MW海上风电场电气系统仿真计算大纲清华大学前言：经过近几年的快速发展，我国陆地风电的装机容量已跃居世界第一位，随着陆地风电的不断发展，其各方面的技术研究目前仍在不断的探讨与发展之中。

在今年我国风电的发展已开始向海上发展，并计划2015年建成500万千瓦海上风电的发展目标。

海上风电和陆地风电相比有很多不同的方面，如集电线路一般都采用海底电缆，其电容电流相对陆地风电的架空线路要大很多，此时无功补偿方式与容量等方面应当有所不同；风电场离海岸较远时，为降低造价、减少损耗，一般在风电场附近建设海上升压站，将电压升高后以高压海底电缆送上岸边再换为架空线路送往电力系统，同样由于电缆的电容电流远大于架空线路的特点，其工频过电压、操作过电压与雷电过电压等应当具有与架空线路过电压不同的特点。

等等，包括风电场内部电压与无功分布特点，短路电流水平与设备参数配置等既有与陆地风电场类似的方面，但具体的数值水平仍需要进行研究、分析与判断，以便为海上风电场的设计工作提供可靠的依据，以确保海上风电场的安全可靠运行。

目前某海上风电场目前正在进行可行性研究阶段，如前言所述，海上风电建设工作目前尚处于起步阶段，同时也是从总结陆地风电场的设备、设计及运行等多方面的经验，对海上风电场各方面的问题有待详细深入的研究。

因此拟对海上风电电气系统通过仿真研究计算达到了解落实海上风电电气系统的构成及运行特点、可能存在的问题及处理方式等。

针对某海上风电场设计运行的需要将完成如下研究工作：1、仿真软件的选择针对计算任务书的要求，选择合适的仿真软件，该软件既能对风机进行详细的仿真，又能对风力发电系统进行详细的仿真。

还具有分析工频过电压与电压暂降以及其它电能质量问题的能力。

从现有电网仿真软件PSASP、BPA、PSCAD/EMTDC、ATP中选择合适的仿真软件，目前初步定PSCAD/EMTDC 作为仿真软件。

PSCAD/EMTDC 仿真软件是由加拿大直流输电（HVDC）研究中心首先开发的电力系统电磁暂态仿真软件，可以对直流输电系统进行详细的仿真，研究其控制与保护策略，并对器件工作的电流、电压进行详细仿真。

经完善后，目前该软件可以对电力系统的电磁暂态过程与机电暂态过程进行详细的分析仿真，并具有非常强大的模型库，几乎囊括了目前电力系统中各种元件包括从发电机到电力电子设备的数学模型。

该软件自带风力发电机的电磁暂态数学模型，其中包括各种型式的风力发电机、风机变流器的数学模型。

该软件还可以对各种电力电子装置包括TCR型SVC、MCR型SVC以及SVG（STATCOM）装置进行装置级仿真，目前在电力电子研究领域获得了广泛的应用。

另外，该软件模型库中还有各种布置的架空线路、各种布置电缆的分布参数数学模型，因此对于分析电力系统的电磁暂态过程、暂态过电压等问题功能非常强大。

该软件使用方便，采用图形方式连接各元件即构成系统的模型，界面友好。

2、建立风力发电机数学模型海上风力发电机组，目前主要有双馈机组与直驱机组。

为此将在PSCAD上建立双馈与直驱风力发电机的数学模型，包括风机、发电机、变流器及其控制系统等。

研究各种风速及工况下，发电机的有功出力、无功出力及其过渡过程，通过调节参数与控制策略，使风力发电机组的数学模型与实际风力发电机组外特性一致。

从而验证所建立数学模型的正确性。

风机模型建立部分：目前，已经在PSCAD仿真平台上搭建了双馈风力发电机的仿真模型，包括风机模型、发电机模型、网侧变流器和转子侧变流器及控制部分的模型，该模型可以有效的模拟双馈风机在风速变化时的功率波动、转速变化等特性，为进一步研究风电场特性打下基础。

如果风电场中有直驱风机，我们还可以建立直驱风机的详细模型。

目前，我们还缺少风机的详细参数，如定子漏抗、转子漏抗、变流器容量等参数，不知能否提供风机的生产厂家及详细参数？3、建立某风电场的数学模型根据某风电场实际风机与电网接线情况，建立某风电场详细的数学模型。

包括风力发电机组、线路、整流器、逆变器、升压变压器、架空线路、母线及总变压器等元器件的详细数学模型及风电场内部电网的完整数学模型。

风电场的聚合模型：由于某海上风场有近100台风机，详细刻画每一台风机的动态特性将极大的增加仿真和计算的时间，并且没有实际意义。

考虑到该风场主要包含92台3.0MW风机、2台3.6MW风机和3台5.0MW风机，可以将这些风机按照容量大小分组，3.6MW的风机为一组，5.0MW的风机为一组，3MW 风机数目较多，可以将3MW的风机分成若干组(具体分组可以以后讨论)。

对风机分组将有利于仿真计算，并且便于分析。

4、建立35kV海底电缆及220kV系统的数学模型根据35kV海底电缆的型号与布置情况，建立35kV海底电缆的分布式参数数学模型及其等效的集总参数数学模型。

根据35kV与220kV系统的接线图与等效参数，建立35kV及220kV系统的等效模型。

5、某海上风电场运行工况仿真利用建立的某海上风电场的数学模型，对各种运行工况进行仿真，包括无风、低风速、中风速与高风速等各种工况。

通过仿真，分析风电场内部各节点的电压、线路的潮流及功率因数，根据风电接入电网的要求及运行的需要，列出符合与不符合运行要求的工况与潮流状态。

基本意见：对于风电机组，在额定风速范围内可能不合适的运行工况是否不应该存在问题？（从第6条看，似乎不合适工况可能会由于出现不合适的无功流动引起）不过本条研究可以得出不同风速工况下风电场内的潮流、电压分布，至于功率因数是否有不同，或者是否有必要参与研究，请考虑。

补充：集电线路分别为海缆和架空线方式下对比计算。

回复：第5条主要研究某海上风电场在各种运行工况风电厂内的潮流、电压分布，列出符合运行要求的工况与潮流状态。

功率因数可以放在第6条一并讨论。

6、无功补偿方案设计与仿真分析验证根据某风电场运行工况仿真中得到的不符合运行要求的工况，在220kV或35kV 系统为风电场设计合理的无功补偿容量与配置方案。

针对设计的方案进行仿真，确定无功补偿的范围与容量以及无功补偿的响应速度的要求。

基本意见：本条实际应包含2种无功补偿计算，其一是220kV系统，由于220kV 海缆较长导致容性无功较大，是否需要设置并联电抗器补偿，容量多大，设置在什么位置合理，设备配置与参数等；其二，是风电场内无功补偿计算，容量多大等。

（本项可以与第7项合并进行）回复：会考虑220kV系统的无功补偿方式和风电场内的无功补偿方式。

7、无功补偿装置的设备选型。

根据无功性质、无功补偿容量、响应速度以及自然环境适应性的综合要求，对TCR型SVC、SVG与MCR型SVC三种补偿方案进行比较，确定无功补偿装置的类型。

选定无功补偿方案后，根据所选类型，给出推荐的布置型式与冷却方式。

并利用仿真验证无功补偿方案的有效性。

初步意见：补充无功补偿装置之间的配合协调要求、运行方式及控制要求；响应速度的研究分析。

——一是系统要求，二是设备本身所能具备的能力等。

回复：同意。

需要考虑系统对无功补偿装置容量和响应速度的要求，找出最优的无功补偿方案和设备类型。

8、风电场及输电线路的电磁暂态分析在所建立的风电场及电力系统数学模型的基础上，对长距离电缆线路的工频过电压进行仿真计算并给出相应的过电压保护措施；利用仿真分析，给出风场内各风机箱变处的电压分布曲线，给出电压分布情况。

初步意见：过电压保护计算应包括有无并联电抗器及其不同安装位置的情况。

提出过电压保护设备配置方案与参数要求。

风电场内补充分析计算风电场间歇性单相接地过电压的分布特点，为合理配置机组升压变压器过电压保护装置提供依据。

（集电线路分别为海缆和架空线方式对比计算）9、风电场内部短路电流计算利用所建立的风电场及电力系统数学模型，仿真计算风电场内关键节点发生三相、单相短路后，各关键支路的短路电流，并给出电流波形。

对短路电流越限，则给出限制短路电流的措施，并利用仿真验证给出措施的有效性。

补充：集电线路分别为海缆和架空线方式下对比计算。

10、风电场内部短路后残压分析计算利用所建立的风电场及电力系统数学模型，仿真计算风电场内关键节点及35kV 系统发生单相、两相及三相短路后，风电场内各重要节点的电压分布与电压暂降情况，为低电压穿越分析提供依据。

补充：集电线路分别为海缆和架空线方式下对比计算。

11. 补充投运台数问题：箱变投运时会有励磁涌流，由此会产生一系列的系统影响，如涌流分布、过电压水平，对保护等方面影响等，此时应包括如：每回容量15~25MW，单机容量1.5~2~2.5~3~5MW等情况。

补充：集电线路分别为海缆和架空线方式下对比计算。

回复：同意。

会考虑箱变投运时存在的励磁涌流问题，通过仿真分析找出每组的最大投运容量。

11、风电场运行后电压质量问题初步仿真根据风电场选用风机类型、励磁方式、逆变器变流方式，搭建多种类谐波源，并分析在已建立的风电场及电力系统数学模型多种谐波源对系统电压质量的影响，并仿真分析各关键节点的电压质量，给出电压质量的总体评价。

根据确定的滤波方式，将搭建滤波支路的数学模型加入已建立的风电场及电力系统数学模型中，验证确定滤波方式对电压质量改善的效果及风电场在不同运行方式下的存在谐振几率。

给出针对不同谐波源的滤波器设计计算公式和选型基本原则。

补充：集电线路分别为海缆和架空线方式下对比计算。

项目所提交的成果包括研究报告与所建立的基于PSCAD某风电场仿真模型。

研究报告包括：(1)本课题研究的基本思路、理论与数学模型；(2)所建立的各设备元件的数学模型；(3)无功补偿类仿真计算研究报告；(4)过电压类仿真计算研究报告；(5)短路计算类仿真计算研究报告；(6)电压暂降风险分析研究报告；(7)风电机组投运方式研究报告；(8)电能质量仿真分析报告。

本项目时间安排：1、合同签订后1个月内完成某风电场及电力系统数学模型的建立；2、10日内完成无功补偿类仿真计算研究报告；3、10日内完成过电压类仿真计算研究报告；4、10日内完成短路计算类仿真计算研究报告；5、10日内完成电压暂降风险分析研究报告；6、10日内完成风电机组投运方式研究报告；7、10日内完成电能质量仿真分析报告。

完成整个项目经费40万元。

分三期支付，一期25万元，合同签订后10日内；二期10万元，提供短路电流计算仿真报告后；三期5万元，完成电能质量仿真分析报告后。