海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)重燃過(guò)電壓影響

程 彧，周歧斌，邊曉燕

（1.上海電力學(xué)院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615）

海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)重燃過(guò)電壓影響

程 彧1，周歧斌2，邊曉燕1

（1.上海電力學(xué)院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615）

海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部真空斷路器開(kāi)斷時(shí)易發(fā)生重燃，產(chǎn)生重燃過(guò)電壓危害其安全運(yùn)行。海上風(fēng)電場(chǎng)集電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)影響斷路器重燃過(guò)電壓。比較幾種常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn),分析斷路器重燃機(jī)理，利用ATP-EMTP搭建海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)模型，討論拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)重燃過(guò)電壓的影響。結(jié)果表明斷路器發(fā)生重燃的線路末端產(chǎn)生過(guò)電壓最大；對(duì)于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的過(guò)電壓更小。研究結(jié)果可從過(guò)電壓防護(hù)角度為海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

海上風(fēng)電場(chǎng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；真空斷路器；重燃過(guò)電壓；ATP-EMTP

0 引言

隨著清潔能源需求不斷增加，風(fēng)能日益受到重視。相比于陸上風(fēng)電場(chǎng)，海上風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)容量大，風(fēng)速高且穩(wěn)定，不占用土地資源，對(duì)環(huán)境影響較小[1-3]。與此同時(shí)，海上風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行也不容忽視。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部真空斷路器分閘后易發(fā)生重燃，產(chǎn)生重燃過(guò)電壓，會(huì)危害風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電氣設(shè)備的安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓?jiǎn)栴}已展開(kāi)相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4-5]通過(guò)仿真詳細(xì)分析在不同運(yùn)行條件下，斷路器合閘過(guò)電壓對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[6-7]計(jì)算了風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)不同運(yùn)行條件下操作過(guò)電壓大小。文獻(xiàn)[8-10]表明斷路器重燃產(chǎn)生的過(guò)電壓是風(fēng)電場(chǎng)操作過(guò)電壓的主要來(lái)源。海上風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部電壓等級(jí)比普通電廠高，斷路器重燃使風(fēng)電場(chǎng)遭受到的過(guò)電壓比普通電廠嚴(yán)重，內(nèi)部電氣設(shè)備面臨更大的過(guò)電壓危害[11-12]。風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)會(huì)影響重燃過(guò)電壓大小[13-14]。然而針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與斷路器重燃過(guò)電壓關(guān)系的研究還比較少。

筆者從幅值與陡度兩方面分析斷路器重燃產(chǎn)生的過(guò)電壓。通過(guò)搭建海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)模型，對(duì)比不同情況下重燃過(guò)電壓大小，分析風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)重燃過(guò)電壓的影響。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)與升壓變相連，通過(guò)集電系統(tǒng)將電能匯聚至海上換流站，經(jīng)海底電纜送至岸上換流站。因此海上風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)包含集電系統(tǒng)、海上換流站、輸電線路及岸上換流站四部分[15-17]。筆者將重點(diǎn)研究集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)操作過(guò)電壓的影響。

海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模、離岸距離等因素會(huì)引起集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。常見(jiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：鏈型、單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形、復(fù)合環(huán)形及星形[18-20]。

1.1 鏈型結(jié)構(gòu)

鏈型結(jié)構(gòu)首先將一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)串接在一條電纜上，再將這些串有風(fēng)機(jī)的電纜并聯(lián)接至匯流母線，如圖1所示。由于該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，目前大多數(shù)在建或正在運(yùn)行的海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)均采用這種接線。但如果某一條電纜線路發(fā)生故障，整條電纜線路上的風(fēng)機(jī)都將被切除，因此該接線方式可靠性不高。

圖1 集電線路鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The radial topology of the collection network

1.2 環(huán)形結(jié)構(gòu)

環(huán)形結(jié)構(gòu)在鏈型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將兩條電纜尾部相連，與匯流母線共同構(gòu)成環(huán)形回路。兩條電纜互為冗余，提高供電的可靠性，減小電纜故障時(shí)風(fēng)機(jī)出力損失。主要有單邊環(huán)形，雙邊環(huán)形兩種接線方式。本文以雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行仿真，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。此接線方式較鏈型結(jié)構(gòu)使用的電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，電器元件較多，成本也相對(duì)較高。

1.3 星形結(jié)構(gòu)

星形結(jié)構(gòu)將幾臺(tái)風(fēng)機(jī)集中接于電纜末端，如圖3所示。由于每臺(tái)風(fēng)機(jī)只與電纜末端一點(diǎn)連接，因此該結(jié)構(gòu)可靠性高于鏈型結(jié)構(gòu)，但低于環(huán)形結(jié)構(gòu)。

圖2 雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)Fig.2 The double ring topology

圖3 星形結(jié)構(gòu)Fig.3 The star topology

2 真空斷路器重燃機(jī)理及對(duì)過(guò)電壓的影響

2.1 真空斷路器重燃機(jī)理

真空斷路器分閘時(shí)，觸頭間可能會(huì)發(fā)生電弧重燃，機(jī)理如圖4所示。當(dāng)加在斷路器兩端的電壓u超過(guò)斷路器兩端能承受的電壓uz（t）時(shí)，斷路器氣隙會(huì)被擊穿，發(fā)生重燃。

圖4 斷路器開(kāi)斷重燃原理圖Fig.4 The principle diagram of the circuit breaker tripping reignition

設(shè)斷路器在A點(diǎn)斷開(kāi)，系統(tǒng)發(fā)生RLC振蕩，斷路器兩端的電壓差不斷升高。在B點(diǎn)，斷路器兩端電壓超過(guò)其所能承受的電壓，斷路器發(fā)生重燃。隨著電弧燃燒釋放能量，斷路器中流過(guò)的電流慢慢減小，當(dāng)流過(guò)斷路器電流i幅值過(guò)零且電流陡度小于閾值時(shí)，斷路器再次開(kāi)斷，電弧熄滅。如圖4中C點(diǎn)。D點(diǎn)時(shí)，斷路器兩端電壓再次達(dá)到重燃條件，則斷路器再次被擊穿，發(fā)生重燃[21]。

2.2 真空斷路器重燃對(duì)過(guò)電壓的影響

斷路器開(kāi)斷后，系統(tǒng)發(fā)生RLC振蕩是產(chǎn)生過(guò)電壓的主要原因。過(guò)電壓的幅值為兩部分之和，一是斷路器開(kāi)斷時(shí)刻的系統(tǒng)電壓，二是振蕩電路產(chǎn)生的過(guò)電壓。開(kāi)斷時(shí)刻的系統(tǒng)電壓取決于開(kāi)斷時(shí)刻的電源角度，當(dāng)電源角度為90°時(shí)，開(kāi)斷時(shí)系統(tǒng)電壓最大。振蕩電路產(chǎn)生的過(guò)電壓不僅與系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)，還與斷路器的截流值有關(guān)。斷路器開(kāi)斷時(shí)，電弧電流在自然過(guò)零前將會(huì)突然截?cái)嘟抵亮?，截?cái)鄷r(shí)刻的電流稱為截流。截流值越大，則說(shuō)明系統(tǒng)中的感性元件儲(chǔ)存的能量越大，產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值也越大。斷路器截流值的大小與真空斷路器觸頭材料及整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。

斷路器發(fā)生重燃時(shí)，其兩端的電壓差瞬間降至0，將在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的電壓陡度，這對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中電氣設(shè)備的安全性和可靠性是一個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)。由于斷路器兩端可承受的電壓uz（t）隨著時(shí)間的變化不斷升高，因此發(fā)生重燃的次數(shù)越多，重燃時(shí)產(chǎn)生的電壓陡度越大。

3 海上風(fēng)電場(chǎng)重燃過(guò)電壓仿真分析

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)海上風(fēng)電場(chǎng)模型如圖1至圖3所示，風(fēng)機(jī)微觀選址已確定，該系統(tǒng)包含24臺(tái)風(fēng)機(jī)、升壓變壓器、海底電纜、真空斷路器、35 kV母線等。由于海底電纜的容性效應(yīng)，在海底電纜末端會(huì)有一定電壓抬升，因此可能出現(xiàn)較大過(guò)電壓。斷路器發(fā)生重燃的線路稱為重燃線路，計(jì)算重燃線路L1末端（A點(diǎn)）與非重燃線路末端（B點(diǎn)）電壓幅值與陡度大小。由于環(huán)形結(jié)構(gòu)兩條相鄰電纜構(gòu)成回路，需要考慮整個(gè)回路遭受過(guò)電壓情況，增選圖2中C點(diǎn)作為電壓測(cè)量點(diǎn)。

3.1 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下重燃過(guò)電壓分析

斷路器重燃時(shí)，過(guò)電壓波形如圖5所示，由于系統(tǒng)發(fā)生LC震蕩，過(guò)電壓幅值與陡度均較正常情況明顯增大。

圖5 斷路器重燃時(shí)過(guò)電壓情況Fig.5 The restrike overvoltage of circuit breaker

集電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，所用海底電纜長(zhǎng)度不一。設(shè)其他條件相同，當(dāng)線路L1發(fā)生重燃時(shí)，過(guò)電壓的最大幅值與陡度在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下對(duì)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的影響如下表所示。

表1 過(guò)電壓幅值與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系Table 1 The relationship between the amplitude of overvoltage and the topology

表2 過(guò)電壓陡度與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系Table 2 The relationship between the steepness of overvoltage and the topology

由以上兩表可知，當(dāng)斷路器重燃時(shí)，對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)而言，無(wú)論是重燃線路還是非重燃線路，星形結(jié)構(gòu)的過(guò)電壓幅值與陡度都較其他兩種結(jié)構(gòu)偏低。雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)將兩條電纜接成回路，因此當(dāng)一條電纜線路上的斷路器發(fā)生重燃時(shí)，另一條線路也會(huì)明顯受到過(guò)電壓影響。

集電系統(tǒng)采用相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，A點(diǎn)過(guò)電壓幅值與陡度均最大，對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)而言，重燃線路末端受過(guò)電壓影響最嚴(yán)重。因此，下文討論重燃過(guò)電壓影響因素時(shí)，選取A點(diǎn)作為電壓測(cè)量點(diǎn)。

3.2 電源角度與重燃過(guò)電壓幅值的關(guān)系

斷路器重燃在系統(tǒng)中產(chǎn)生過(guò)電壓的大小與電源初始角度有關(guān)。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，A點(diǎn)過(guò)電壓幅值與電源初始角度的關(guān)系如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下過(guò)電壓幅值與電源角度均近似呈正弦關(guān)系，其中，鏈型結(jié)構(gòu)與星形結(jié)構(gòu)在電源角度為90°時(shí)過(guò)電壓達(dá)到最大值。雙邊環(huán)形在電源角度為120°時(shí)過(guò)電壓有最大值。星形結(jié)構(gòu)的最大過(guò)電壓幅值為48.28 kV，較其他兩種稍小。

圖6 電源角度與過(guò)電壓幅值的關(guān)系Fig.6 The relationship between the power angle and the amplitude of overvoltage

此外，鏈型結(jié)構(gòu)在不同的電源角度下，過(guò)電壓最小值為50.00 kV，最大值為63.43 kV，最大過(guò)電壓與最小過(guò)電壓之比為1.27，其他兩種結(jié)構(gòu)這個(gè)值與鏈型結(jié)構(gòu)近似相等，這表明集電線路結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)電源角度引起的過(guò)電壓波動(dòng)產(chǎn)生影響。

3.3 海底電纜對(duì)重燃過(guò)電壓的影響

海底電纜容抗大于感抗，表現(xiàn)出容性特征，因此過(guò)電壓幅值經(jīng)過(guò)電纜后會(huì)有抬升，與電纜長(zhǎng)度成正比，升壓變高壓側(cè)遭受過(guò)電壓較大。經(jīng)過(guò)微觀選址的海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)電纜長(zhǎng)度基本確定。然而不同型號(hào)的海底電纜單位長(zhǎng)度的電阻R與電容C不盡相同，過(guò)電壓經(jīng)過(guò)電阻R有一定下降，而經(jīng)過(guò)電容C會(huì)有一定抬升。為了研究電纜的單位長(zhǎng)度參數(shù)對(duì)過(guò)電壓的影響，選取單位長(zhǎng)度海底電纜電阻與電容之比R/C作為衡量參數(shù)。選取某一型號(hào)海底電纜R/C=0.42 Ω/μF作為基準(zhǔn)值，不同型號(hào)電纜產(chǎn)生的過(guò)電壓情況如表3所示。

表3 海底電纜單位長(zhǎng)度電阻電容之比與過(guò)電壓幅值關(guān)系Table 3 The relationship between the amplitude of overvoltage and the ratio of resistance and capacitance per length of the submarine cable

鏈型結(jié)構(gòu)中，過(guò)電壓幅值與R/C呈正相關(guān)，過(guò)電壓幅值隨R/C增大而增大。環(huán)形結(jié)構(gòu)過(guò)電壓較鏈型結(jié)構(gòu)相比會(huì)有一定波動(dòng)，但總體呈正相關(guān)趨勢(shì)。星形結(jié)構(gòu)下，R/C不同所引起的過(guò)電壓幅值變化不大。過(guò)電壓幅值方面，星形結(jié)構(gòu)的過(guò)電壓幅值仍然較其他兩種結(jié)構(gòu)明顯偏小。同種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，R/C值較小，過(guò)電壓也較小。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)在滿足容量需求情況下，可選取R/C較小的電纜。

4 結(jié)論

真空斷路器重燃是海上風(fēng)電場(chǎng)主要的操作過(guò)電壓來(lái)源。斷路器發(fā)生重燃時(shí)，集電線路采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓的幅值與陡度產(chǎn)生影響。筆者對(duì)比了幾種常見(jiàn)的海上風(fēng)電場(chǎng)集電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了真空斷路器重燃機(jī)理，在此基礎(chǔ)上搭建包含多臺(tái)風(fēng)機(jī)的海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)，分析不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，斷路器重燃過(guò)電壓對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響。得出如下結(jié)論：

1）斷路器發(fā)生重燃時(shí)，在重燃線路上會(huì)出現(xiàn)較大的過(guò)電壓，且在海底電纜末端會(huì)有電壓抬升，海底電纜末端最嚴(yán)重；斷路器重燃對(duì)非重燃線路影響較小。上述結(jié)論對(duì)鏈型，雙邊環(huán)形，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均成立。

2）鏈型結(jié)構(gòu)遭受的重燃過(guò)電壓最嚴(yán)重，雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)較鏈型結(jié)構(gòu)稍小，星形結(jié)構(gòu)遭受的過(guò)電壓明顯小于其他兩種結(jié)構(gòu)。鏈型結(jié)構(gòu)與星形結(jié)構(gòu)沒(méi)有提供冗余，因此斷路器發(fā)生重燃時(shí)遭受影響的風(fēng)機(jī)數(shù)量較少。雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)將兩條電纜接成回路，重燃過(guò)電壓會(huì)影響到與重燃線路相連的電纜線路。

3）電源初始角度會(huì)影響重燃過(guò)電壓的大小。兩者近似呈正弦關(guān)系。電源角度約為90°時(shí)，鏈型結(jié)構(gòu)與星形結(jié)構(gòu)過(guò)電壓幅值最大，電源角度約為120°時(shí)，雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)過(guò)電壓幅值最大。

4）不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，海底電纜參數(shù)變化對(duì)重燃過(guò)電壓的影響不一。鏈型結(jié)構(gòu)和雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)下，過(guò)電壓幅值與海底電纜單位長(zhǎng)度電阻與電容之比R/C總體呈正相關(guān)，星形結(jié)構(gòu)下，R/C變化對(duì)過(guò)電壓幅值不敏感。同種結(jié)構(gòu)R/C較小產(chǎn)生的過(guò)電壓也較小。

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Relationship between Topology of Collection Network and Restrike Overvoltage in Offshore Wind Farms

CHENG Yu1，ZHOU Qibin2，BIAN Xiaoyan1
（1.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China；2.Shanghai Lightning Protection Center,Shanghai 201615,China）

In the offshore wind farm,the safe operation will be seriously impacted by the restrike overvoltage from multiple re-ignition of vacuum circuit breakers.The topology of collection network in the offshore wind farm will influence the restrike overvoltage.To investigate this problem,some typical to?pology structures were compared and the reignition mechanism of the vacuum circuit breaker was ana?lyzed,and the system model of offshore wind farm was established by using ATP-EMTP to discuss the ef?fect of topology on re-ignition overvoltage.The result shows that the maximum overvoltage appears at the end of the cable when reignition happened.Moreover,among different topology’s parameters the star to?pology has the minimum overvoltage.The result can provide some references for the design of the collec?tion network of offshore wind farms from the angle of overvoltage protection.

offshorewindfarm；topology；vacuumcircuitbreakers；restrikeovervoltage；ATP-EMTP

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.001

2016-05-20

程彧（1992—），男，碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓分析與防護(hù)。

上海市氣象局面上課題（編號(hào)：MS201602）。