《Energies》：Optimal Reactive Power Compensation in Offshore HVAC Transmission: Evaluating Onshore and Subsea Reactor Placement
Frederico Oliveira Passos,
Lúcio José da Motta,
Gabriel Victor dos S. C. Campos,
Lucas Henrique Venancio,
Ivan Paulo de Faria,
José Mauro T. Marinho,
Vinicius Z. Silva,
Carlos A. C. Cavaliere and
Rodrigo de Moraes P. da Rosa
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浮式生产储存卸油装置（FPSO）的电气化已成为一种战略性解决方案，用于满足日益增长的石油增产需求，同时降低船载燃气轮机发电所带来的碳排放。岸电供能（PFS）系统为实现这一目标提供了有前景的路径，其输电技术主要包括高压直流（HVDC）与高压交流（HVAC）方案。
浮式生产储存卸油装置（FPSO）的电气化已成为一种战略性解决方案，用于满足日益增长的石油增产需求，同时降低船载燃气轮机发电所带来的碳排放。岸电供能（PFS）系统为实现这一目标提供了有前景的路径，其输电技术主要包括高压直流（HVDC）与高压交流（HVAC）方案。尽管高压直流（HVDC）更适用于长距离和大功率应用，但高压交流（HVAC）系统在鲁棒性、简洁性及运行成熟度方面具有优势。然而，由海底电缆高电容所引起的无功功率补偿需求，仍然是一个重要的技术挑战。该研究针对3种不同的岸电供能（PFS）系统，研究并比较了若干无功功率补偿拓扑。所提出的方法能够在技术上和工艺上可行的条件下，对陆上与海底电抗器布置策略进行综合评估。结果表明，250 km距离上传输75 MW仅能通过海底补偿构型实现，且该类构型能够将效率维持在90%以上，同时使电压与电流分布保持在运行限值内。相反，仅采用陆上补偿对于较短输电距离则被证明是效率最高的解决方案。结果还表明，FPSO的完全电气化在技术上是可行的，其电压与电流分布保持在可接受的运行范围内。研究结果还指出，电缆中点（50%）设置电抗器并非最有效构型，而在电缆长度20–80%和40–70%位置布置时可观察到更优结果。总体而言，结果证实海底电抗器布置能够在更长距离上实现更高功率传输，显著拓展传统上区分高压直流（HVDC）与高压交流（HVAC）方案的技术边界。这些结果强调，有必要持续推进技术发展，以使海底并联电抗器安装成为未来FPSO电气化项目中一种可行且可靠的选择。
该文发表于《Energies》，围绕海上浮式生产储存卸油装置（FPSO）的岸电供能（PFS）展开，重点讨论高压交流（HVAC）海底输电系统中的无功功率补偿优化问题。研究背景在于，全球碳减排目标持续强化，而海上油气平台生产过程中大量依赖燃气轮机发电，导致温室气体排放显著。FPSO电气化通过陆地电网向平台供电，可减少平台端燃气轮机使用，提高能效与运行稳定性，并降低维护停机频率，因此成为油气行业低碳转型的重要技术路径。现阶段，FPSO岸电输送主要可采用高压直流（HVDC）与高压交流（HVAC）两类技术。HVDC在远距离、大容量输电方面通常更具优势，但HVAC系统由于构成简单、设备成熟、鲁棒性较好，在部分场景中仍具有较强应用吸引力。问题在于，海底交流电缆具有较高分布电容，会产生大量充电无功功率，从而引起电压抬升、电流增大、损耗增加与输电距离受限等问题，使HVAC方案在远海FPSO供电中的可行性受到挑战。
在此背景下，研究人员开展该研究的核心目的，是系统比较不同固定式并联电抗器补偿拓扑在典型FPSO岸电场景中的适用性，特别是评估“仅陆上补偿”与“海底分布式补偿”两大策略在技术可行性、输电效率、电压电流约束满足性方面的差异。论文指出，现有研究多将电抗器位置限制在线路两端或中点，而该研究将海底电抗器布置位置扩展为沿电缆连续可选的空间变量，并结合不同补偿容量、不同反应器数量进行大规模参数扫描，从而更全面地识别传统经验设定之外的优选方案。这一研究对于推动HVAC岸电系统技术边界外扩具有明确工程意义，尤其对巴西深水、超深水油气开发背景下的FPSO电气化具有现实价值。
研究人员共分析了3种HVAC岸电供能系统。系统1为138 kV、250 km、最大向FPSO输送75 MW的长距离场景，平台总负荷100 MW且带有本地发电；系统2为115 kV、120 km、最大输送75 MW的中等距离场景，同样存在本地发电；系统3与系统2具有相同电压等级和距离，但平台负荷提高至190 MW，且不设置本地发电，代表全电气化FPSO概念。研究设计了4类补偿拓扑：拓扑1为仅陆上1台并联电抗器；拓扑2为陆上1台加平台1台；拓扑3为陆上1台、海底1台、平台1台；拓扑4为陆上1台、海底2台。研究允许海底电抗器沿电缆按5%间隔布置，并将无功容量离散为20 Mvar步长，以形成大规模候选方案集合。
主要技术方法可概括如下：研究人员基于实时数字仿真器（RTDS）的RSCAD FX 2.4建立3类PFS系统模型，海底电缆按20段建模并采用Bergeron模型表征；通过Runtime Script执行多拓扑、多容量、多位置与多工况的自动化参数扫描，工况包括空载、情景A与情景B；随后在MATLAB online（R2025b）中对数据进行后处理，依据电缆沿线电压、电流、端口电压及并网点功率因数（PCC）等约束筛除不可行方案，并按效率与功率因数进行排序。样本来源并非生物或临床队列，而是研究人员构建的3类典型工程系统参数场景。
以下结合论文主体结果进行解读。
4.1. Results and Analysis for PFS System 1
系统1是全文中最具挑战性的长距离HVAC岸电场景。由于250 km海底电缆的电容效应极强，拓扑1与拓扑2均未找到满足约束条件的可行解。这说明当输电距离达到250 km、传输功率达到75 MW时，仅依赖陆上补偿或陆上加平台端补偿，已无法同时保证沿线电压、电流与并网运行要求。研究人员通过对空载及额定工况下的大量仿真发现，拓扑1和2在多种组合中均出现明显越限，其中电压超限主要集中在靠近FPSO端的电缆区段，电流超限则更多出现在靠近陆侧的区段。
相比之下，包含海底补偿的拓扑3与拓扑4出现了可行解。拓扑3获得43个满足技术标准的方案，效率范围为89.6%–91.7%；拓扑4获得201个可行方案，效率范围为90.1%–92.2%，表现更优且可行解空间更丰富。结果表明，在极限传输距离条件下，海底并联电抗器的引入不是可选优化，而是实现系统可行运行的必要条件。论文进一步指出，拓扑3和拓扑4中均观察到效率与功率因数之间的对抗关系：较强补偿虽有助于提高并网点功率因数，但可能在电缆部分区段引起更高电流，从而增加电阻损耗，导致效率并不一定最高。因此，最佳方案不应只以效率单目标衡量，而应同时满足功率因数下限要求。
对于拓扑3，较优方案通常包含平台端60 Mvar电抗器、海底100 Mvar电抗器，以及60–100 Mvar的陆上电抗器，海底位置多位于电缆长度60%或70%处。对于拓扑4，最优方案集中于两个100 Mvar海底电抗器分别布置在40%和70%位置，陆上再配20–60 Mvar电抗器。研究特别指出，传统常见的50%中点补偿并非最佳选择，而40–70%这类非对称双点布置效果更佳。电压、电流剖面分析显示，优选方案可使沿线电压分布相对均匀，电流在电抗器接入点发生阶跃变化，且整体保持在设计限值以内，说明海底补偿对于均衡介质电应力与热负荷分布具有积极作用。
4.2. Results and Analysis for PFS System 2
系统2的输电距离缩短为120 km，研究人员预期其可行性将明显提升，结果证实了这一判断。该系统在4类拓扑下均获得了数量较多的可行方案，且各类方案效率普遍较高。与系统1不同，系统2中不再明显存在效率与功率因数的强对抗关系。按功率因数不低于0.95进行进一步筛选后，拓扑1和拓扑2均保留了较优解。其中，拓扑1仅需陆上40 Mvar或60 Mvar电抗器，即可实现94.1%的效率和0.99的功率因数；拓扑2在平台侧加入20 Mvar电抗器后，也得到与拓扑1近似的性能。
更重要的是，包含海底电抗器的拓扑3和拓扑4虽然同样可行，且电气性能良好，但相对于不含海底设备的拓扑1和2，并未体现显著的效率优势。研究人员据此指出，对于120 km这一量级的典型FPSO岸电距离，陆上补偿即可满足技术要求，海底补偿带来的收益不足以支撑其更高的复杂性和潜在工程成本。论文列出的较优拓扑3与拓扑4方案中，电抗器容量通常均较小，多为20 Mvar，且无论海底装设在20%–80%单点位置，还是采用20–80%、35–75%、40–70%、40–80%等双点组合，效率差别都很有限。这一结果从反面说明，在中等距离场景中，系统性能主要受总补偿量而非海底精细化空间分配支配。电压电流剖面进一步显示，所有最佳方案下沿线电压较均匀，轻载时电缆高电容效应导致电流剖面波动更明显，这与海底交流电缆轻载充电电流问题的经典规律一致。
4.3. Results and Analysis for PFS System 3
系统3保留了120 km、115 kV的基本输电尺度，但平台负荷提高到190 MW，且取消了船载发电机组，是全文用于验证“完全电气化FPSO”可行性的关键案例。该系统采用两回并行三芯海底电缆以承担更高功率传输。研究结果表明，在所有拓扑中均可找到满足电压、电流及功率因数要求的方案，且效率普遍高于90%。由于电缆截面增大、单位长度电阻减小，系统3的效率总体略高于系统2；同时，由于平台端不再有本地发电，功率因数变化区间较系统2有所收窄。
在功率因数不低于0.95的筛选条件下，拓扑1和拓扑2的最佳方案与系统2相近，说明即便平台实现全电气化，在120 km距离上，单纯陆上补偿仍是技术上最合适的方案之一。拓扑3仅有少数海底补偿方案入选，海底电抗器位置集中在20%和30%附近；拓扑4则在此基础上出现了50%和80%等组合。尽管这些方案可行，但相对于拓扑1并无显著优势。论文据此强调，对于双回路并联电缆的高功率中距离供电系统，若陆上具备足够补偿安装条件，则优先选择仅陆上补偿更符合工程实践。电压电流剖面分析还表明，即使平台无本地发电，系统仍能保持可接受的沿线电压分布，验证了全电气化FPSO由陆地交流系统供能的技术可行性。空载时平台端仍有少量电流，是由于平台侧变压器空载无功需求所致。
4.4. Overall Analysis of the Results
综合三个系统的结果，研究人员得出了若干具有普遍性的规律。第一，所有成功方案在额定工况下均可实现90%以上的效率，并维持接近单位值的并网点功率因数，说明固定并联电抗器补偿在适当配置下能够有效支撑FPSO岸电HVAC输电。第二，长距离高功率场景中，海底补偿是突破传统HVAC适用边界的关键技术；若不引入海底电抗器，则250 km、75 MW级别的传输不可行。第三，中短距离场景中，海底补偿并未表现出足够明显的效率优势，因此在工程决策中，不应仅基于技术可行性选择海底方案，而应综合设备安装、海底运维、可靠性与全生命周期成本。第四，单一中点（50%）布置电抗器并非最优，20–80%和40–70%等分布方式更可能形成优选解，这一发现拓展了既有文献对于海缆补偿位置的认识。第五，通过双回海底电缆和对应补偿配置，系统可有效扩大传输容量，从而支持高负荷、全电气化平台。
讨论部分的核心在于技术权衡。研究强调，海底并联电抗器虽然在长距离场景中显著扩展了HVAC的适用范围，但其海床安装、耐压、绝缘、防腐、检修与回收等工程难题依旧突出，因此不能脱离技术成熟度和经济性单独评价。对于120 km级典型工程，陆上补偿之所以更优，并非因为海底补偿无效，而是因为其边际性能提升有限，不足以抵偿新增复杂性。研究还指出，该文采用的主网等值、集中负荷、理想电抗器等建模假设，有利于开展广泛参数筛查，但所得电压剖面与效率数值更适宜理解为技术趋势而非精确运行值。未来仍需结合更精细的网络模型、动态补偿装置及经济分析，进一步验证结论的工程适用性。
研究结论部分可译述如下：
在预期石油增产与降低碳排放双重需求驱动下，FPSO电气化已成为重要战略方向。当前FPSO电气化主要依赖HVDC与HVAC两类输电技术，其中HVAC凭借鲁棒、简洁与成熟等特点具有实际吸引力，但海底电缆高电容导致的无功补偿需求限制了其远距离应用。该研究围绕固定并联电抗器补偿，系统评估了不同PFS系统中的陆上与海底布置方案。通过RTDS平台的大规模实时仿真，研究人员证明：对于250 km、75 MW的长距离输电，仅有海底补偿方案能够满足全部技术约束，且效率超过90%；对于较短距离的典型FPSO电气化场景，仅陆上补偿是更合适的方案，因为海底电抗器带来的性能增益不足以抵偿其复杂性与附加投入。研究同时证明，全电气化FPSO在技术上是可行的，复制海底输电通道可有效提升传输能力。电缆中点安装海底电抗器并非最优方案，更优结果出现在20–80%或40–70%等位置组合。总体上，海底电抗器补偿能够在不增加FPSO重量与体积负担的前提下，提高HVAC系统在长距离、大功率条件下的输电能力，从而显著拓展HVDC与HVAC之间传统技术分界线。这一结论进一步凸显了持续推进海底并联电抗器相关研究与技术开发的重要性。
