高電壓穿越對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響

摘要：我國(guó)目前建成投入使用的超高壓直流輸電線路已經(jīng)有33條，遍布祖國(guó)的大江南北。為確保電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠，在線運(yùn)行的風(fēng)機(jī)必須承受1.30~1.35Pu的高電壓不脫網(wǎng)運(yùn)行500ms并要求風(fēng)機(jī)快速反應(yīng)及時(shí)發(fā)出無功電流幫助電網(wǎng)電壓故障的恢復(fù)。本文分析介紹了高電壓穿越對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響，對(duì)降低風(fēng)機(jī)故障；提高風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)適應(yīng)性有益。關(guān)鍵詞：電網(wǎng)適應(yīng)性高電壓穿越

1.1從2010年開始，我國(guó)建成了多條特高壓直流輸電線路，主要是從東北、西北、云貴川等風(fēng)資源豐富的地區(qū)向用電負(fù)荷相對(duì)集中負(fù)載重的中、東部地區(qū)輸送電力，有效緩解東北、西北、云貴川等風(fēng)資源豐富地區(qū)的風(fēng)電消納問題。截止到2021年底，我國(guó)共有33條特高壓線路投入使用。例如：1）2010年6月，云南—廣東±800千伏特高壓直流輸電工程投入使用2）2010年7月，復(fù)奉直流：向家壩（四川、云南交界）—上海±800千伏特高壓直流輸電示范工程投入使用。3）2012年12月，錦蘇直流：錦屏（貴州）—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程投入使用。4）2014年1月，天中直流：哈密南—鄭州±800千伏特高壓直流輸電工程投入使用。5）2014年7月，賓金直流：溪洛渡左岸（四川、云南交界）—浙江金華±800千伏特高壓直流輸電工程投入使用。6）2010年6月，糯扎渡直流工程：糯扎渡-廣東±800千伏直流輸電工程投入使用。7）2016年9月，靈紹直流：寧夏靈武市~浙江紹興±800千伏特高壓直流輸電工程投入使用。8）2017年6月，祁韶直流：±800千伏祁韶(甘肅酒泉—湖南湘潭)特高壓直流輸電工程投入使用。9）2017年6月，雁淮直流：±800千伏山西晉北送電江蘇南京特高壓直流輸電工程投入使用。10）2017年10月，錫泰直流：錫盟—江蘇泰州±800千伏特高壓直流輸電工程投入使用。......等等。1.2如圖所示：一般情況下，風(fēng)電機(jī)組的電壓耐受范圍是1.0~1.1倍額定電壓；火力發(fā)電機(jī)的電壓耐受范圍是1.0~1.3倍額定電壓；風(fēng)電機(jī)組的過流耐受范圍是1.0~1.5倍額定電流；火電機(jī)組的過流耐受范圍是1.0~7.0倍額定電流?；痣姷倪^載能力是風(fēng)電的4.6倍以上。風(fēng)電機(jī)組的抗擾動(dòng)能力明顯不足，因此、在缺乏配套常規(guī)火電機(jī)組電源支撐的情況下，特高壓直流線路輸送抗擾動(dòng)能力低、不能主動(dòng)支撐電網(wǎng)的風(fēng)電，會(huì)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)制約降低特高壓線路的輸送能力。直流輸電線路中，受電端負(fù)載突然短路或突然甩負(fù)荷會(huì)造成逆變站連續(xù)的換相失敗，有可能導(dǎo)致送端系統(tǒng)現(xiàn)象最復(fù)雜的故障，依次出現(xiàn)低電壓—高電壓的階段性變化。因此對(duì)風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)適應(yīng)性提出低電壓穿越和高電壓穿越的要求。1.3風(fēng)電機(jī)組故障電壓穿越的具體技術(shù)要求l2015年，在國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度中心的組織下，通過現(xiàn)狀調(diào)研和技術(shù)論證，確定了我國(guó)故障電壓穿越的技術(shù)要求，高電壓幅值為130%Un，持續(xù)時(shí)間500ms。2018年，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電壓穿越能力測(cè)試規(guī)程》規(guī)范了風(fēng)電機(jī)組故障電壓穿越的具體技術(shù)要求。如圖所示：圖1-4

我國(guó)風(fēng)電機(jī)組故障電壓穿越曲線有功要求：有功功率輸出：沒有脫網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組，在電壓升高時(shí)刻及電壓恢復(fù)正常時(shí)刻，有功功率波動(dòng)幅值應(yīng)在±50%Pn范圍內(nèi)，波動(dòng)時(shí)間不大于80ms；在電壓升高期間，輸出有功功率波動(dòng)幅值應(yīng)在±5%Pn范圍內(nèi)；電壓恢復(fù)正常后，輸出功率應(yīng)為實(shí)際風(fēng)況對(duì)應(yīng)的輸出功率。無功要求：如圖所示：為風(fēng)機(jī)并網(wǎng)示意圖，35KV系統(tǒng)通過箱變降壓為690v與風(fēng)機(jī)連接。箱變相當(dāng)于一個(gè)電抗，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)出口電壓（35kv）發(fā)生電壓擾動(dòng)時(shí)，例如電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)盡量發(fā)出無功電流，可以幫助提高風(fēng)機(jī)出口側(cè)的電壓；電網(wǎng)電壓（35KV側(cè)）升高時(shí)，風(fēng)機(jī)吸收無功電流，通過箱變電抗器的作用，可以降低風(fēng)機(jī)出口側(cè)的電壓。動(dòng)態(tài)無功支撐能力：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相對(duì)稱電壓升高時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)自電壓升高出現(xiàn)的時(shí)刻起快速響應(yīng)，通過注入感性無功電流支撐電壓恢復(fù)。具體要求如下：自并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高出現(xiàn)的時(shí)刻起，動(dòng)態(tài)感性無功電流控制的響應(yīng)時(shí)間不大于40ms，且在電壓故障期間持續(xù)注入感性無功電流；風(fēng)電機(jī)組提供的動(dòng)態(tài)感性無功電流應(yīng)滿足下式的要求：ITL≥1.5×（UT-1.1）In，

（1.1≤UT≤1.3）其中Ut電網(wǎng)電壓升高幅度；In風(fēng)機(jī)出口額定電流例如：電壓升高到1.3Un

ITL≥1.5*（1.3-1.1）*In=0.3In

2.0MW風(fēng)機(jī)的額定電流1673A；高穿期間需要提供502A以上的無功電流，或者是600kw以上的無功功率。如圖所示為雙饋風(fēng)機(jī)實(shí)際的高穿測(cè)試波形電網(wǎng)電壓升高1.30倍額定電壓時(shí)，風(fēng)機(jī)盡量吸收無功電流，如圖紅色曲線是高穿期間風(fēng)機(jī)發(fā)出的無功功率，由于箱變電抗器的作用，可以抑制風(fēng)機(jī)出口側(cè)的電壓升高。風(fēng)機(jī)箱變電壓高壓側(cè)電壓升高到1.30倍額定電壓時(shí)，電壓峰峰值為1.3*690*1.4142=1269v風(fēng)機(jī)發(fā)出無功功率后，風(fēng)機(jī)出口側(cè)線電壓實(shí)際升高1150v，為風(fēng)機(jī)額定電壓的1.18倍。①電網(wǎng)電壓升高1.30Pu時(shí)；風(fēng)機(jī)高穿激活，風(fēng)機(jī)在高穿期間輸出無功電流幫助降低電壓到1150/1.4142=813V，相當(dāng)于把風(fēng)機(jī)出口側(cè)電壓降低了84v以上。②高穿期間風(fēng)機(jī)實(shí)際發(fā)出的無功功率為1150kw③高穿期間風(fēng)機(jī)發(fā)無功電流，對(duì)抑制風(fēng)機(jī)出口側(cè)電壓升高非常有利。1.3Un降低到了1.18Un。2016年以前并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)，不具備高電壓穿越能力，需要進(jìn)行高穿功能改造，以滿足風(fēng)機(jī)高電壓穿越的電網(wǎng)適應(yīng)性要求：高穿期間不脫網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行500ms以上；高穿期間風(fēng)機(jī)需要發(fā)出無功電流；高穿激活瞬間有功功率超調(diào)要控制在50%額定功率以內(nèi)；高穿期間有功變化不能超過5%額定功率。2.1高穿對(duì)風(fēng)機(jī)的影響國(guó)家電網(wǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)高穿的要求一般要求風(fēng)機(jī)能承受130%Un的高電壓，持續(xù)時(shí)間500ms。個(gè)別地區(qū)，例如西北電網(wǎng)要求風(fēng)機(jī)承受135%Un的高電壓。因此需要對(duì)風(fēng)機(jī)過電壓耐受能力低的器件進(jìn)行考核驗(yàn)證。分風(fēng)機(jī)機(jī)艙主控系統(tǒng)；變槳系統(tǒng)；變頻器系統(tǒng)三部分來考核。主控系統(tǒng)主控系統(tǒng)控制電源由ups供電，電網(wǎng)電壓升高對(duì)主控柜器件沒有影響。過電壓保護(hù)由UPS電源承擔(dān)。電網(wǎng)電壓超過1.2Un時(shí)，UPS自動(dòng)切換為電池供電。主控柜的電量檢測(cè)模塊直接檢測(cè)電網(wǎng)電壓，需要承受1.2倍以上的高電壓，需要對(duì)其高壓耐受能力進(jìn)行校核。如果不足，則直接更換電量檢測(cè)模塊，要求承受1.5倍高壓。變槳系統(tǒng)變槳充電器；驅(qū)動(dòng)器；400v交流電壓檢測(cè)模塊等耐壓能力不足。解決方案：在機(jī)艙給變槳系統(tǒng)400V供電處加裝一個(gè)配電接觸器和控制繼電器，當(dāng)電網(wǎng)電壓超過設(shè)定值并在運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)時(shí)，主控PLC通過DO點(diǎn)切斷400V配電接觸器，此時(shí)變槳系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備主要靠后備電源維持。如圖所示：在變槳系統(tǒng)原400v交流供電線路中，串接加裝一個(gè)接觸器(紅圈所示），接觸器合上時(shí)交流400v給變槳系統(tǒng)供電，高穿期間主控電量模塊檢測(cè)到1.1倍以上的高電壓時(shí)，通過主控PLC輸出一個(gè)DO信號(hào)通過中間繼電器斷開接觸器，切斷變槳400v供電，變槳系統(tǒng)由后背電源供電維持運(yùn)行。由于變頻器的電壓檢測(cè)速度要比主控電壓檢測(cè)快得多，所以變槳系統(tǒng)高穿控制策略是:變頻器檢測(cè)到高電壓時(shí)高穿信號(hào)傳遞給主控，由主控?cái)嚅_變槳系統(tǒng)400v供電或者主控檢測(cè)到高電壓時(shí)斷開變槳系統(tǒng)400v供電。變頻器系統(tǒng)變頻器控制電源由UPS供電，避免了高電壓沖擊。變頻器的電壓檢測(cè)器件及控制板需要更換。2.2高穿改造方案l為提高風(fēng)機(jī)的高穿響應(yīng)速度，變頻器；變槳；主控系統(tǒng)需要增加CAN通訊功能。主控系統(tǒng)更換cpu板卡，增加CAN通訊功能，提高運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)處理能力，接收并顯示變頻器上傳的變頻器故障信號(hào)，添加高穿控制策略并升級(jí)主控程序。主控系統(tǒng)高電壓穿越控制策略：①控制有功正常輸出，讓出無功控制權(quán)給變流器，②抑制電壓升高造成的有功波動(dòng)③變流器控制無功輸出支持電網(wǎng)恢復(fù)。主控系統(tǒng)增加繼電器和接觸器，增加主控對(duì)變槳系統(tǒng)400v供電的控制。變頻器系統(tǒng)更換耐壓等級(jí)不夠的原交流電壓檢測(cè)板；配合主控完成CAN通訊改造，上傳變頻器故障信號(hào)；添加高穿控制策略，升級(jí)軟件代碼。2.3高穿測(cè)試風(fēng)機(jī)進(jìn)行高穿改造后，風(fēng)機(jī)是否具備高電壓穿越能力？需要進(jìn)行高穿能力驗(yàn)證測(cè)試，一般由風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)所在電網(wǎng)公司組織，各地電力科學(xué)院來執(zhí)行測(cè)試并出測(cè)試報(bào)告2.3.1測(cè)試條件測(cè)試設(shè)備連接示意圖如圖所示；為測(cè)試設(shè)備高壓接線示意圖，高壓發(fā)生器串接在風(fēng)機(jī)箱變的高壓側(cè)35KV系統(tǒng)，測(cè)試點(diǎn)的短路容量至少應(yīng)為風(fēng)電機(jī)組額定容量的3倍；風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力測(cè)試的測(cè)試點(diǎn)為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)；電壓升高造成的風(fēng)電場(chǎng)中壓電網(wǎng)母線電壓偏差應(yīng)在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)允許的電壓偏差范圍內(nèi)。2.3.2測(cè)試內(nèi)容分以下幾種工況，小功率輸出（0.1Pn≤P≤0.3Pn）；例如1.5MW風(fēng)機(jī)在小風(fēng)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)發(fā)電功率在150kw~450kw范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行三相電壓同時(shí)升高故障_3ph；及兩相電壓升高；一相電壓維持不變的電網(wǎng)電壓故障_2ph測(cè)試。同理：大風(fēng)狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)功率大功率輸出（P>0.9Pn）；風(fēng)機(jī)發(fā)電功率大于1350kw時(shí)進(jìn)行三相電壓升高故障_3ph；兩相電壓升高故障_2ph等測(cè)試。如圖所示為高壓發(fā)生器原理圖，調(diào)節(jié)升壓電容器的投入比例，可以調(diào)節(jié)測(cè)試點(diǎn)電壓的升高幅度。2.3.3測(cè)試步驟（1）空載測(cè)試（風(fēng)機(jī)處于脫網(wǎng)狀態(tài)）按照以下步驟進(jìn)行空載測(cè)試：斷開風(fēng)機(jī)變壓器與電壓升高發(fā)生裝置的連接開關(guān)；斷開旁路開關(guān)，投入限流阻抗；閉合升壓開關(guān)，投入升壓阻抗，在測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生電壓升高；斷開升壓開關(guān)，退出升壓阻抗；閉合旁路開關(guān)，退出限流阻抗，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。（2）負(fù)載測(cè)試（風(fēng)機(jī)處于并網(wǎng)狀態(tài)）按照以下步驟進(jìn)行負(fù)載測(cè)試：斷開旁路開關(guān)，投入限流阻抗；閉合升壓開關(guān)，投入升壓阻抗，在測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生電壓升高；斷開升壓開關(guān)，退出升壓阻抗；閉合旁路開關(guān)，退出限流阻抗，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。2.3.4測(cè)試數(shù)據(jù)（1）在電壓升高發(fā)生前10s至電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后至少15s的時(shí)間范圍內(nèi)，分別在測(cè)試點(diǎn)及風(fēng)機(jī)出口端采集。（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄、計(jì)算及保存。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每個(gè)通道采樣率最小為5kHz，分辨率至少為12bit。測(cè)試設(shè)備精度2.3.5測(cè)試曲線風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越空載測(cè)試應(yīng)給出測(cè)試點(diǎn)電壓值曲線，負(fù)載測(cè)試應(yīng)給出以下曲線：測(cè)試點(diǎn)線電壓有效值曲線；測(cè)試點(diǎn)和風(fēng)電機(jī)組輸出端無功電流曲線；測(cè)試點(diǎn)和風(fēng)電機(jī)組輸出端有功功率和無功功率曲線。高穿測(cè)試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)3.1東北某風(fēng)場(chǎng)高穿測(cè)試失?。簻y(cè)試期間風(fēng)機(jī)報(bào)“變頻器故障”停機(jī)脫網(wǎng)。原因：①UPS電源備用電池能量不足，測(cè)試期間UPS掉電，造成系統(tǒng)控制電源失電。②主要原因是高穿測(cè)試設(shè)備接入箱變高壓側(cè)時(shí)，需要斷開高壓輸電線路。沒有按要求預(yù)先斷開風(fēng)機(jī)UPS電源的輸入/輸出開關(guān)，造成UPS過度放電虧空。③環(huán)境溫度零下15度以下，UPS沒有安裝加熱板，備用電池內(nèi)阻增大，放電容量不足。解決辦法：更換新的ups電源，需要在室溫下預(yù)先給UPS充電24小時(shí)以上3.2西北某風(fēng)場(chǎng)高穿測(cè)試失敗：測(cè)試期間風(fēng)機(jī)報(bào)“變槳充電器故障”停機(jī)脫網(wǎng)。失敗原因是變槳超級(jí)電容充電器因承受過電壓燒壞。2012年并網(wǎng)的風(fēng)機(jī)充電器高壓耐受能力只有115%Pn解決辦法：對(duì)充電器進(jìn)行改造或更換充電器，提高充電器濾波電容的耐用值，提高充電器的過壓能力。3.3.關(guān)于充電器高壓耐受能力的討論①400v全波整流輸出直流峰峰值為：400*1.4142=566v早期的充電器濾波電容耐壓是800v用2個(gè)400v耐壓的電容器串聯(lián)而成，考慮10%的耐壓裕量，安全耐壓取710v充電器安全過壓能力是：710/566=1.25；即充電器最大耐壓是額定電壓的1.25倍。②主控-變槳高穿控制策略主控或變頻器檢測(cè)到高電壓時(shí)，斷開變槳系統(tǒng)400v供電。從檢測(cè)到過電壓到400v實(shí)際斷開，存在一定的延時(shí)！造成變槳系統(tǒng)充電器等器件需要承受過電壓沖擊。③主控監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓是通過機(jī)艙上主控柜的電量檢測(cè)模塊采樣進(jìn)行的，電量檢測(cè)模塊檢測(cè)到電壓高低至少需要1個(gè)完整的周波，就是20毫秒延時(shí)；A/D轉(zhuǎn)換10毫秒的延時(shí)。然后轉(zhuǎn)換完成以后，電壓檢測(cè)模塊與主控是RS485通訊，主控每隔100ms去讀一次，那加起來就130毫秒，就是當(dāng)你已經(jīng)檢測(cè)到高電壓來臨，主控出判斷，通過I/O口輸出，還有20毫秒，那就相當(dāng)于150毫秒延時(shí)，主控I/O口輸出帶了繼電器和接觸器。那么每個(gè)算25ms延時(shí)。那加起來有50毫秒動(dòng)作延時(shí)。那就是：相當(dāng)于從電網(wǎng)電壓上升到1.18倍額定電壓一直到400v接觸器實(shí)際動(dòng)作斷開至少是有200毫秒的延時(shí)，造成變槳系統(tǒng)400v交流供電電壓會(huì)大于128%Pn電壓以上。因?yàn)樵缙诔潆娖髂蛪耗芰χ挥?15%Pn（460v），造成充電器燒毀是必然的，可能由于器件的差異有可能偶爾能耐受到120%Pn以上，不可能長(zhǎng)期支撐。④變頻器檢測(cè)過電壓的延時(shí)例如：KFD變頻器過電壓檢測(cè)只需要0.76ms；禾望變頻器過電壓檢測(cè)只需要0.33ms；主控與變頻器CAN通訊，讀取CAN通訊的掃描周期是20ms，主控I/O板輸出在加上2級(jí)繼電器的延時(shí)50ms，也就是說主控關(guān)聯(lián)變頻器電壓檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)后，從檢測(cè)到電壓上升到門限值到400v接觸器實(shí)際動(dòng)作延時(shí)可以縮短到80ms以下。充電器至少會(huì)承受1.35倍高電壓80ms的沖擊?、葜骺毓裨黾?00v交流電壓檢測(cè)模塊，電網(wǎng)電壓超過1.2倍額定電壓只需要30ms就可以斷開400v輪轂供電，小于1.15倍額定電壓立即恢復(fù)供電。這個(gè)方案可以最大程度減小高電壓對(duì)變槳系統(tǒng)的沖擊。缺點(diǎn)是需要增加硬件檢測(cè)模塊，費(fèi)用需要增加2000元/