第23卷，总第88期
Vol.23 Sum No.88珠海职业教育
Vocational Education in Zhuhai2017年6月
张子仪
(四川大学，四川成都610000 )
[}商要]随着海上风电场和海岛微电网的快速发展，两者互联的电力系统将有越来越大的应 用空间。以海上风电场和海岛微电网互联的珠海海上综合电力系统为实例，运用风电并网标准和海岛微 电网运行条件，分别对综合电力系统中海上风电场的运行稳定性，海岛微电网正常和故障情况下的稳定 性进行研究。结果显示，通过综合电力系统内部的能量、功率交换，两者的有功功率、无功功率、频率、电压稳定性得到提升，海岛微电网故障运行能力得到增强。 [中图分类号]T M614 [文献标识码]A
海上风电在中国将迎来建设黄金期，根据规 划，到2020年，我国海上风电建成总量将达到 5G W，建设总量将达到10GW A同时，由于拥有 丰富的海洋海岛经济资源，十三五阶段，我国将 大力发展海洋可再生能源，建设基于清洁分布式 能源技术的海岛微电网，并依托海岛微电网进行 综合开发[2]。近海风电与海岛微电网都将迎来前 所未有的发展机遇。
海上风电场运行受自然条件影响，电能输出 存在间歇性、不稳定性，并网后对电力系统的电 能质量、电压稳定性都会产生影响[3]。为了构建 稳定的大量风电接入的电力系统，以下方面得到 了广泛的研宄：储能、无功补偿和风电场并网方 式。在[4]中，飞轮储能、蓄电池储能、压缩空 气储能等储能方式在风电上的应用得到了详细的 比较和分析。在[5] [6]中，海上风电场交流输电无功补偿；功率交换
[文章编号]1000-8004 (2017 ) 02 - 0094 - 06
电缆、大规模海上风电接入的电力系统的无功补 偿问题得到了研宄。同样，随着海岛微电网的发展, 不少研宄成果被发表出来，在[7] [8]中，海岛微 电网运行特性、内部分布式电源和储能设备对系 统的影响以及海岛微电网与外电网连接等方面得 到了研宄。
虽然海上风电和海岛微电网的研宄成果丰富，但是对海上风电与海岛微电网互联的电力系 统还没有进行深入的研究。珠海正在建设世界上 第一个海上风电与海岛微电网互联的海上综合电 力项目，具有
突破性的意义。本文结合珠海海上 综合电力项目实例，参考海上风电和海岛微电网 的现有研宄成果，对两者互联的海上综合电力系 统进行研宄。本文第一部分将分别研宄海上风电 场和海岛微电网的运行条件，第二部分将对海上 综合电力系统的运行进行分析，第三部分将依照
收稿日期：2017-05-04
作者简介：张子仪，男，江西婺源人，四川大学电气工程及其自动化专业本科生。研宄方向：电力系统及其自动化。-94-
张子仪：珠海海上风电场与海岛微电网互联电力系统初探
部分一的运行条件以及部分二的分析对部分综合 电力系统运行方案进行设计，第四部分将总结得 出结论。
西部假期南湖国旅旅行社
一、海上风电场与海岛微电网的运行条件
(一）海上风电场运行条件
海上风电受自然因素影响，在电压、频率 控制，功率输送上可能无法达到要求。为了保护 电力系统，许多国家都制定了风电并网标准，对 风电并网系统的故障穿越能力、扰动下的有功功 率及无功
功率波动范围、正常情况下的有功功率 控制及频率调节能力、无功功率控制及电压调节 能力等方面提出了要求〜11]。
本文主要探讨的海上风电场运行条件是有功 功率-频率稳定性和无功功率-公共接入点电压稳定性。正常运行时，风电场需要能够控制有功 功率和频率的波动速度和幅度，丹麦、德国的标 准更高，要求在一定范围内，有功功率和频率能 够保持不变。在保持稳定的同时，风电场还需要 根据系统频率的偏移调整有功输出，参与频率调 节。
风电场的无功功率和公共接入点电压也受到 严格的限制，欧洲国家要求功率因数保持在超前 0.95-滞后0.95/0. 925的范围内，而电压波动和 电压暂降的范围也受到严格的控制，对风电场无 功容量提出了很高的要求，需要达到满发出力 33%-41%[10]。
(二）海岛微电网运行条件
海岛微电网系统一般由分布式电源、传统柴 油发电、储能设备以及相应的用电负荷构成，微 电网运行需要考虑经济性和稳定性。
本文主要探讨的微电网运行条件是微电网在 不同状态下的运行能力，即切换能力。由于分布 式发电的不稳定性以及储能技术的限制，孤立微 电网系统在电压和频率稳定性上比较脆弱[12]。将大电网与
海岛微电网互联，通过大电网与微电网 之间的电能、功率交换，能够提升微电网稳定性。为了避免其中任意一方的故障对系统造成的影响，海上风电场需要能够在互联运行、孤网运行和检 修运行三种状态间有效切换$
二、海上综合电力系统运行分析
(一）珠海海上综合电力系统基本情况
珠海海上综合电力系统包含海上风电场和海 岛微电网，其中，海上风电场5处，长期规划装 机总量达到约1.5G W。海岛微电网3处，分别位 于东澳岛、桂山岛、大万山岛，每处微电网都包 括风力、光伏、柴油发电和储能系统。海上风 电场规划情况见表1，海岛微电网规划情况见表 2[13][14]。
表1珠海海上风电场规划情况
Tab.1The Planning of Zhuhai Offshore Wind Farms
六盘水市人民政府
海上风电场名称装机容量离岸距离
桂山海上风电场198M W21K M
万山海上风电场150M W22K M
佳蓬海上风电场400M W40K M
担杆海上风电场150M W45K M
金湾海上风电场600M W12K M
表2珠海海岛微电网情况
T a b.2 Zhuhai Island M i c r o-g r i d s
海岛微电网名称微电网构成供需情况
东澳岛微电网
桂山岛微电网
大万山岛微电网
风光柴储
风光柴储
风光柴储、波
浪能发电
供电不足
供电不足
供电富余截至目前，连接东澳、桂山、万山微电网和 桂山风电场之间的35KV交流电缆以及连接桂山风 电场和陆上电网的110KV高压交流电缆已经建成, 并且在桂山风电场附近建设了升压站，海上风电 场和海岛微电网分布连接情况见图1。
_95_
珠海职业教育2017年第2期
图1珠海海上综合电力系统
Fig. 1Zhuhai Offshore Integrated Power System
(二）有功功率-频率稳定性
风电场受到自然条件影响，无法像传统发电 那样有效调控，通过储能技术，结合微电网，可 以让电力系统达到有功功率-频率稳定。
采用充放电速度快，能量密度大的储能技术 如电容、蓄电池储能和超导储能可以实现与风电 场的快速功率交换。公式（1)表示仅有风电场时 的情况（不计损耗),A代表风电场输出有功功率, /»2代表风电场承担的大电网负荷。只有系统发出 有功和消耗有功相同时，频率才能稳定，即只有 在风电场输出有功完全等于所承担的大电网负荷 才能保持频率稳定，因为风电场承担的大电网负 荷难以改变，所以对于受自然条件影响的风电而 言，维持频率是很困难的。公式（2)表示综合电 力系统的情况，/»3代表储能系统释放的功率，P4代表分布式发电输出功率，代表储能系统吸收 功率，P6代表微电网的负荷。
Pi + 尸3 _ & = & + &+ 卩6 (2)
(三）海上风电场无功功率-公共接入点电压稳定性
风电场运行的无功补偿容量要求很高，海上 风电场采用海缆输电，相比于架空线路，海缆的 充电电容要大一个数量级，容易导致无功功率反 向输送和末端电压升高的问题，因此单独末端补 偿无法满足要求，需要采用中间端补偿。
如图1所示，东澳岛和万山岛微电网处于万 山风电场和佳蓬风电场向大电网输电的中间节点 位置，桂山微电网处于担杆风电场输电中间节点 位置。如图2所示，如果在微电网处布置无功补 偿装置，能够在线路的中间处多次进行补偿，有 效地避免充电功率的危害。
充电功率M v a r充电功率/Mvar 徽电网朴偿
⑷汉来端朴偿（b)末端牟[^和微电网中间字階
图2两种补偿方式
Fig. 2 Two Kinds of Compensation Method
微电网补偿可以同时作为前一段的末端节点 和后一段的起始节点，参考在电缆首末端无功补 偿的不同效果[5]，可以对前一段（如佳蓬风电- 万山微网）电缆进行功率因数的调节，对后一段 电缆（如东澳微网-桂山风电）进行电压调节。可见，综合电力系统的无功功率和电压平衡能力 更强。
(四）海岛微电网互联运行
在海上综合电力系统中，海岛微电网和海上 风电场、大电网互联运行是最普遍的工作方式。
综合电力系统中，通过调节储能系统、调度 微电网中的分布式发电和负荷能够控制有功平衡，维持频率稳定。珠海的5处海上风电场如果与3 处海岛微电网连接，利用微电网的储能和分布式 发电设备，可以更加有效地维持有功功率-频率 稳定。互联方式下，微电网的电压支撑和频率控制都由 风电场和大电网提供，微电网内部的发电设备仅 需控制恒定功率输出即可[7]，即微电网处于一个 静态的稳定运行状态。稳定性方面，外电网保证 了其电压、频率的稳定，经济性方面，微电网可 以寻到一个各类发电的经济比例，并保持稳定
-96
-
张子仪：珠海海上风电场与海岛微电网互联电力系统初探
运行，保证经济性。
桂山岛、东澳岛微电网电能供应不足，系统 中的风电场向其输送功率，满足微电网电能需求,
并维持电压、频率稳定，这两处微电网能够以最 经济的方式调度内部电源，实现最优。万山微电 网电力充足，正常情况下通过调节外输功率，实 现稳定和最优，故障情况下，由外网保障运行。
(五）海岛微电网孤网运行
海上风电场出现故障时，为了避免故障影响，珠海海上综合电力系统中三个海岛微电网会切断 与外网
连接，形成微电网，进入孤网运行状态。相比于单个微电网的孤网运行，微电网的运行 能力更强。
东澳岛和桂山岛微电网自身内部难以达到能 量平衡，而大万山岛耗电量小、发电量大，能够 向另外两岛提供电能。大万山岛土地资源丰富,
适宜建设储能容量大的压缩空气储能（CA ES)，实 现大规模的电能储存，在孤网运行状态下能够较长
时间填补电力缺口。同时采取减少微电网内部负荷，增加储备电源处理（如柴油机)，可以进一步缓解 困难。微电网增大了发电、储能容量，能够维持 较长时间稳定运行，直至风电场故障排除。
三、海上综合电力系统运行方案设计
结合上一部分对海上综合电力系统运行的分 析，对以大万山岛微电网为中心节点的部分综合 电力系统运行方案进行设计，如图3。
〇海上风O海岛智 -------35KV11010
电场 能电网 电缆 电缆
图3珠海海上综合电力系统并网设计Fig. 3 Integration des ign of Zhuhai O f f s h o r e Integrated Power Syst e m
(一）满足有功平衡条件
有功平衡包括电能平衡和有功功率-频率稳 定两个方面，分别涉及能量交换和功率交换。
大万山岛与佳蓬、万山风电场相连，且大万 山微电网自身电能富佘，应当作为电能供应节点，同时建设大规模储能装置，如CAES。正常运行时, 万山微电网承担向东澳微电网提供电能，填补电 能缺口的责任。在风能充足的情况下，通过储能 设备存储电能，节约风能；在风能不足的情况下，释放储能，维持稳定。出现故障时，进入孤网运 行或与剩余节点一同运行，输出自身的储能容量 以维持电能平衡。
大万山微电网与两个风电场直接相连，需要 承担两个微电网的有功功率-频率稳定的责任。因此，在大万山微电网布置较多的快速充放储能 设备，在出现波动或故障时，通过调度，输出功 率来提升频率或吸收功率来降低频率，为风电场 提供有效的有功功率交换，维持有功功率-频率稳定。
(二）满足无功平衡条件
玉屏风散适合阳虚还是阴虚满足无功平衡条件就是提供无功功率-公共 接入点电压稳定性。大万山岛是万山风电和佳蓬 风电向岸
上大电网输电的第一个中间节点，由二、(三）节所述，应当配备无功补偿装置，主要对充 电功率进行补偿，可由公式（3)确定，忍为海缆 对地电纳，％为额定电压，为充电电容。
Q c 二诉x B(3)系统运行状态发生改变，如电压发生波动甚 至暂降、暂升时，对微网的无功补偿设备进行调整，维持无功功率-公共接入点电压稳定性。
四、结论
本文对由海上风电场和海岛微电网组成的海 上综合电力系统的运行进行了分析，得出以下结 论：
-97
-
珠海职业教育2017年第2期
1.海上风电场与海岛微电网互联后，依靠海 岛微电网的储能设备和分布式电源与海岛微电网
进行有功功率交换，能够维持海上风电场的有功
功率及频率稳定。
2.海上风电场依靠海岛微电网的无功补偿设 备能够增强无功补偿能力，有利于维持无功功率、
功率因数和公共接入点电压的稳定。
3.海岛微电网在与海上风电场互联的条件 下，通过外部输入电力，能够提升供电可靠性,
填补供电缺口，实现系统运行的经济最优化，并
且能够提升故障运行能力。
4.多个海岛微电网连接组成的海岛微电网 能够通过在内部传输发电、储能容量，实现不同
岛屿电网之间的互补，具有较强的孤网运行能力。
海上风电场和海岛微电网的互联有很大的优
势，珠海海上综合电力系统作为第一个两者结合
的电力系统，意义重大。对于海上风电场与海岛
微电网的结合，还需要进一步的实践与理论层面
的定量研宄。
[参考文献]
[1]杜燕飞，王静.可再生能源发展“十三五”
规划[E B/ 0 L] •(2 01 6 - 1 2 - 19 ).
energy,people,com/n l/2016/12
19/c71661-28959415.html.
[2] .陈珊.全国科技兴海规划[EB/O L].
(2016-12-20). w w w.hellosea/k
epu/falv/2016-12-20/35342. html.
[3]叶杭治.风力发电系统的设计、运行与维护
[M].第2版.北京：电子工业出版社，
2014.
[4]Spahic,E,Balzer,G,Hellmich,B.Wind
Energy Storages- P ossibi1i t ies[C].
2007 IEEE Lausanne Power Tech,July 2007, IEEE/IET E lectro n ic L ibrary (IEL)Conference Proceedings,2007: 615-620.
[5]ZHU Guiping,DUI Xiaowei,ZHANG
Chen.Optimisation of reactive power
越南签证中心c o m p en satio n of HVAC c a b le in
off-shore wind power p la n t[J]. IET
Renewable Power G eneration,2015, 9
(7): 857-863.
[6]Zakir Hussain Rather,Zhe Chen,Paul
Th0gersen.Dynamic R eactive Power
Compensation of L arge-S cale Wind
In teg rated Power System[J] .IEEE
Transactions on Power Systems,2015,
30(5): 2516-2526.
[7]胡璨.多能源发电海岛微电网控制研究[D].
华南理工大学电力学院，2〇15.
[8]邱丹骅.可再生能源海岛电网的多能源协调
控制策略研究[D].华中科技大学，2013.
[9]GB/T19963-2011，风电场接入电力系统技术
规定[S].
[10] 戴慧珠，迟永宁.国内外风电并网标准比较
研究[J]•中国电力，2012, 45 (10): 1-6.
[11] Mansour Mohseni,Syed M.Islam.Review
of international grid codes for wind
大连到烟台轮渡
power i n t e g r a t i o n:D iv e r s ity,
technology and a case for global
s t a n d a r d[J] .Re n e wa b l e and
Sustainable Energy Reviews,2012，16
(6): 3876-3890.
[12] Woo-Kyu Chae,Hak-Ju Lee,Sung-Wook
Hwang.Isolated MicroGrid5s Voltage
and Frequency C h a ra c te ristic with
Induction Generator Based Wind Turbine
[J].Renewable and Sustainable Energy
鼓浪屿之波简谱歌谱
-98-
