高電壓穿越對風電機組的影響

摘要：我國目前建成投入使用的超高壓直流輸電線路已經(jīng)有33條，遍布祖國的大江南北。為確保電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠，在線運行的風機必須承受1.30~1.35Pu的高電壓不脫網(wǎng)運行500ms并要求風機快速反應(yīng)及時發(fā)出無功電流幫助電網(wǎng)電壓故障的恢復。本文分析介紹了高電壓穿越對風電機組的影響，對降低風機故障；提高風機的電網(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、云貴川等風資源豐富的地區(qū)向用電負荷相對集中負載重的中、東部地區(qū)輸送電力，有效緩解東北、西北、云貴川等風資源豐富地區(qū)的風電消納問題。截止到2021年底，我國共有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，復奉直流：向家壩（四川、云南交界）—上?！?00千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，風電機組的電壓耐受范圍是1.0~1.1倍額定電壓；火力發(fā)電機的電壓耐受范圍是1.0~1.3倍額定電壓；風電機組的過流耐受范圍是1.0~1.5倍額定電流；火電機組的過流耐受范圍是1.0~7.0倍額定電流?；痣姷倪^載能力是風電的4.6倍以上。風電機組的抗擾動能力明顯不足，因此、在缺乏配套常規(guī)火電機組電源支撐的情況下，特高壓直流線路輸送抗擾動能力低、不能主動支撐電網(wǎng)的風電，會給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)，同時制約降低特高壓線路的輸送能力。直流輸電線路中，受電端負載突然短路或突然甩負荷會造成逆變站連續(xù)的換相失敗，有可能導致送端系統(tǒng)現(xiàn)象最復雜的故障，依次出現(xiàn)低電壓—高電壓的階段性變化。因此對風機的電網(wǎng)適應(yīng)性提出低電壓穿越和高電壓穿越的要求。1.3風電機組故障電壓穿越的具體技術(shù)要求l2015年，在國家電網(wǎng)調(diào)度中心的組織下，通過現(xiàn)狀調(diào)研和技術(shù)論證，確定了我國故障電壓穿越的技術(shù)要求，高電壓幅值為130%Un，持續(xù)時間500ms。2018年，我國國家標準《風力發(fā)電機組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》規(guī)范了風電機組故障電壓穿越的具體技術(shù)要求。如圖所示：圖1-4

我國風電機組故障電壓穿越曲線有功要求：有功功率輸出：沒有脫網(wǎng)的風電機組，在電壓升高時刻及電壓恢復正常時刻，有功功率波動幅值應(yīng)在±50%Pn范圍內(nèi)，波動時間不大于80ms；在電壓升高期間，輸出有功功率波動幅值應(yīng)在±5%Pn范圍內(nèi)；電壓恢復正常后，輸出功率應(yīng)為實際風況對應(yīng)的輸出功率。無功要求：如圖所示：為風機并網(wǎng)示意圖，35KV系統(tǒng)通過箱變降壓為690v與風機連接。箱變相當于一個電抗，當風場出口電壓（35kv）發(fā)生電壓擾動時，例如電網(wǎng)電壓跌落時，風機盡量發(fā)出無功電流，可以幫助提高風機出口側(cè)的電壓；電網(wǎng)電壓（35KV側(cè)）升高時，風機吸收無功電流，通過箱變電抗器的作用，可以降低風機出口側(cè)的電壓。動態(tài)無功支撐能力：當風電機組并網(wǎng)點發(fā)生三相對稱電壓升高時，風電機組應(yīng)自電壓升高出現(xiàn)的時刻起快速響應(yīng)，通過注入感性無功電流支撐電壓恢復。具體要求如下：自并網(wǎng)點電壓升高出現(xiàn)的時刻起，動態(tài)感性無功電流控制的響應(yīng)時間不大于40ms，且在電壓故障期間持續(xù)注入感性無功電流；風電機組提供的動態(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風機出口額定電流例如：電壓升高到1.3Un

ITL≥1.5*（1.3-1.1）*In=0.3In

2.0MW風機的額定電流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。如圖所示為雙饋風機實際的高穿測試波形電網(wǎng)電壓升高1.30倍額定電壓時，風機盡量吸收無功電流，如圖紅色曲線是高穿期間風機發(fā)出的無功功率，由于箱變電抗器的作用，可以抑制風機出口側(cè)的電壓升高。風機箱變電壓高壓側(cè)電壓升高到1.30倍額定電壓時，電壓峰峰值為1.3*690*1.4142=1269v風機發(fā)出無功功率后，風機出口側(cè)線電壓實際升高1150v，為風機額定電壓的1.18倍。①電網(wǎng)電壓升高1.30Pu時；風機高穿激活，風機在高穿期間輸出無功電流幫助降低電壓到1150/1.4142=813V，相當于把風機出口側(cè)電壓降低了84v以上。②高穿期間風機實際發(fā)出的無功功率為1150kw③高穿期間風機發(fā)無功電流，對抑制風機出口側(cè)電壓升高非常有利。1.3Un降低到了1.18Un。2016年以前并網(wǎng)運行的風機，不具備高電壓穿越能力，需要進行高穿功能改造，以滿足風機高電壓穿越的電網(wǎng)適應(yīng)性要求：高穿期間不脫網(wǎng)持續(xù)運行500ms以上；高穿期間風機需要發(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高穿對風機的影響國家電網(wǎng)對風機高穿的要求一般要求風機能承受130%Un的高電壓，持續(xù)時間500ms。個別地區(qū)，例如西北電網(wǎng)要求風機承受135%Un的高電壓。因此需要對風機過電壓耐受能力低的器件進行考核驗證。分風機機艙主控系統(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)電壓升高對主控柜器件沒有影響。過電壓保護由UPS電源承擔。電網(wǎng)電壓超過1.2Un時，UPS自動切換為電池供電。主控柜的電量檢測模塊直接檢測電網(wǎng)電壓，需要承受1.2倍以上的高電壓，需要對其高壓耐受能力進行校核。如果不足，則直接更換電量檢測模塊，要求承受1.5倍高壓。變槳系統(tǒng)變槳充電器；驅(qū)動器；400v交流電壓檢測模塊等耐壓能力不足。解決方案：在機艙給變槳系統(tǒng)400V供電處加裝一個配電接觸器和控制繼電器，當電網(wǎng)電壓超過設(shè)定值并在運行時間范圍內(nèi)時，主控PLC通過DO點切斷400V配電接觸器，此時變槳系統(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，串接加裝一個接觸器(紅圈所示），接觸器合上時交流400v給變槳系統(tǒng)供電，高穿期間主控電量模塊檢測到1.1倍以上的高電壓時，通過主控PLC輸出一個DO信號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行。由于變頻器的電壓檢測速度要比主控電壓檢測快得多，所以變槳系統(tǒng)高穿控制策略是:變頻器檢測到高電壓時高穿信號傳遞給主控，由主控斷開變槳系統(tǒng)400v供電或者主控檢測到高電壓時斷開變槳系統(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。變頻器的電壓檢測器件及控制板需要更換。2.2高穿改造方案l為提高風機的高穿響應(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，添加高穿控制策略并升級主控程序。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③變流器控制無功輸出支持電網(wǎng)恢復。主控系統(tǒng)增加繼電器和接觸器，增加主控對變槳系統(tǒng)400v供電的控制。變頻器系統(tǒng)更換耐壓等級不夠的原交流電壓檢測板；配合主控完成CAN通訊改造，上傳變頻器故障信號；添加高穿控制策略，升級軟件代碼。2.3高穿測試風機進行高穿改造后，風機是否具備高電壓穿越能力？需要進行高穿能力驗證測試，一般由風機并網(wǎng)點所在電網(wǎng)公司組織，各地電力科學院來執(zhí)行測試并出測試報告2.3.1測試條件測試設(shè)備連接示意圖如圖所示；為測試設(shè)備高壓接線示意圖，高壓發(fā)生器串接在風機箱變的高壓側(cè)35KV系統(tǒng)，測試點的短路容量至少應(yīng)為風電機組額定容量的3倍；風電機組高電壓穿越能力測試的測試點為風電機組并網(wǎng)點；電壓升高造成的風電場中壓電網(wǎng)母線電壓偏差應(yīng)在當?shù)仉娋W(wǎng)允許的電壓偏差范圍內(nèi)。2.3.2測試內(nèi)容分以下幾種工況，小功率輸出（0.1Pn≤P≤0.3Pn）；例如1.5MW風機在小風狀態(tài)，風機發(fā)電功率在150kw~450kw范圍內(nèi)時進行三相電壓同時升高故障_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測試。同理：大風狀態(tài)下，發(fā)電機功率大功率輸出（P>0.9Pn）；風機發(fā)電功率大于1350kw時進行三相電壓升高故障_3ph；兩相電壓升高故障_2ph等測試。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)測試點電壓的升高幅度。2.3.3測試步驟（1）空載測試（風機處于脫網(wǎng)狀態(tài)）按照以下步驟進行空載測試：斷開風機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，在測試點產(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)電壓恢復正常。（2）負載測試（風機處于并網(wǎng)狀態(tài)）按照以下步驟進行負載測試：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，在測試點產(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)電壓恢復正常。2.3.4測試數(shù)據(jù)（1）在電壓升高發(fā)生前10s至電網(wǎng)電壓恢復正常后至少15s的時間范圍內(nèi)，分別在測試點及風機出口端采集。（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測試數(shù)據(jù)的記錄、計算及保存。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每個通道采樣率最小為5kHz，分辨率至少為12bit。測試設(shè)備精度2.3.5測試曲線風電機組高電壓穿越空載測試應(yīng)給出測試點電壓值曲線，負載測試應(yīng)給出以下曲線：測試點線電壓有效值曲線；測試點和風電機組輸出端無功電流曲線；測試點和風電機組輸出端有功功率和無功功率曲線。高穿測試經(jīng)驗總結(jié)3.1東北某風場高穿測試失?。簻y試期間風機報“變頻器故障”停機脫網(wǎng)。原因：①UPS電源備用電池能量不足，測試期間UPS掉電，造成系統(tǒng)控制電源失電。②主要原因是高穿測試設(shè)備接入箱變高壓側(cè)時，需要斷開高壓輸電線路。沒有按要求預先斷開風機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，需要在室溫下預先給UPS充電24小時以上3.2西北某風場高穿測試失敗：測試期間風機報“變槳充電器故障”停機脫網(wǎng)。失敗原因是變槳超級電容充電器因承受過電壓燒壞。2012年并網(wǎng)的風機充電器高壓耐受能力只有115%Pn解決辦法：對充電器進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到高電壓時，斷開變槳系統(tǒng)400v供電。從檢測到過電壓到400v實際斷開，存在一定的延時！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)測電網(wǎng)電壓是通過機艙上主控柜的電量檢測模塊采樣進行的，電量檢測模塊檢測到電壓高低至少需要1個完整的周波，就是20毫秒延時；A/D轉(zhuǎn)換10毫秒的延時。然后轉(zhuǎn)換完成以后，電壓檢測模塊與主控是RS485通訊，主控每隔100ms去讀一次，那加起來就130毫秒，就是當你已經(jīng)檢測到高電壓來臨，主控出判斷，通過I/O口輸出，還有20毫秒，那就相當于150毫秒延時，主控I/O口輸出帶了繼電器和接觸器。那么每個算25ms延時。那加起來有50毫秒動作延時。那就是：相當于從電網(wǎng)電壓上升到1.18倍額定電壓一直到400v接觸器實際動作斷開至少是有200毫秒的延時，造成變槳系統(tǒng)400v交流供電電壓會大于128%Pn電壓以上。因為早期充電器耐壓能力只有115%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，不可能長期支撐。④變頻器檢測過電壓的延時例如：KFD變頻器過電壓檢測只需要0.76ms；禾望變頻器過電壓檢測只需要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級繼電器的延時50ms，也就是說主控關(guān)聯(lián)變頻器電壓檢測的優(yōu)勢后，從檢測到電壓上升到門限值到400v接觸器實際動作延時可以縮短到80ms以下。充電器至少會承受1.35倍高電壓80ms的沖擊?、葜骺毓裨黾?00v交流電壓檢測模塊，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供電。這個方案可以最大程度減小高電壓對變槳系統(tǒng)的沖擊。缺點是需要增加硬件檢測模塊，費用需要增加2000元/