海上風(fēng)電工程受電啟動帶負(fù)荷試驗新方法的研究與應(yīng)用

梁海東，汪冬輝，王達(dá)峰，陳志力，張俊臣，賀 軍

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國電電力浙江舟山海上風(fēng)電開發(fā)有限公司，浙江 寧波 316000）

0 引言

海上風(fēng)電代表著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的前沿和制高點，是風(fēng)電市場重點關(guān)注的發(fā)展方向，也是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[1-5]。我國可供開發(fā)的海上風(fēng)能豐富，且場址多靠近負(fù)荷中心，海上風(fēng)電的開發(fā)利用不僅是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)向縱深發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，也是帶動我國相關(guān)海洋產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑，具有重要的戰(zhàn)略意義?！笆濉币?guī)劃提出：到2020年，海上風(fēng)電總裝機容量將達(dá)到 3 000萬 kW[6-11]。

海上風(fēng)電工程陸上計量站及海上升壓站受電啟動標(biāo)志著分步試運工作的開始，能否早日受電將直接影響后續(xù)調(diào)試工作的進(jìn)度和質(zhì)量。因此根據(jù)現(xiàn)場具體情況和調(diào)試任務(wù)的要求，應(yīng)盡可能利用現(xiàn)場已具備受電能力的設(shè)備完成試驗，為試運工作奠定基礎(chǔ)，為縮短試運工期創(chuàng)造條件[12]。在受電啟動階段，參考相關(guān)設(shè)備規(guī)程要求[13]，陸上計量站及海上升壓站設(shè)備均需要做帶負(fù)荷試驗。電力系統(tǒng)通常采用站用電、電動機、無功補償設(shè)備等作為帶負(fù)荷試驗的臨時負(fù)荷[14]。由于海上風(fēng)電工程在環(huán)境及主接線等方面的特殊性[15-17]，無法使用上述設(shè)備開展帶負(fù)荷試驗。因此，受電啟動期間如何在海上升壓站開展帶負(fù)荷試驗是亟需解決的技術(shù)問題。

1 海上風(fēng)電工程帶負(fù)荷試驗現(xiàn)狀分析

1.1 帶負(fù)荷試驗簡介

在陸上計量站及海上升壓站受電啟動階段，根據(jù)電力工程啟動試驗規(guī)程要求，需要通過帶負(fù)荷試驗對一次設(shè)備、二次回路、計量儀表、繼電保護(hù)及自動化裝置進(jìn)行整套校驗[18-21]。試驗可以在安全的條件下，既完成一次設(shè)備的基本性能檢驗，也完成全站二次回路的完整性校驗，檢查PT（電壓互感器）、CT（電流互感器）極性的正確性，確保后期其他試驗過程中儀表讀數(shù)正確、保護(hù)功能可靠。試驗對負(fù)荷電流的幅值有一定的要求，電流過小時計算相位會產(chǎn)生較大誤差，無法滿足試驗要求。

1.2 現(xiàn)狀分析

目前海上風(fēng)電場通常在多機并網(wǎng)后，滿足試驗要求時開展海上升壓站的帶負(fù)荷校驗。但是由于無法在風(fēng)力發(fā)電機組（以下簡稱“風(fēng)機”）并網(wǎng)前開展帶負(fù)荷試驗，將產(chǎn)生如下不利影響：

（1）海上風(fēng)電工程的施工進(jìn)度受海況、天氣等諸多因素影響。如果風(fēng)機安裝臺數(shù)及海纜施工情況不具備帶負(fù)荷試驗條件，或當(dāng)前風(fēng)力無法滿足帶負(fù)荷試驗所需的最低功率要求，必須推遲海上升壓站帶負(fù)荷試驗時間，從而影響站用電的可靠運行。同時需要長期投入柴油發(fā)電機作為施工電源，增加了成本。

（2）并網(wǎng)前未做帶負(fù)荷試驗將導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線線路保護(hù)、海上升壓站母線、主變壓器（以下簡稱“主變”）和電抗器的主保護(hù)退出運行，臨時保護(hù)長期單套運行，一次設(shè)備的保護(hù)配置不全，存在嚴(yán)重安全隱患。

（3）無法保證CT二次回路的完整性和正確性。

（4）風(fēng)機的監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)和調(diào)試工作是在風(fēng)機并網(wǎng)后進(jìn)行的，在風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)信息不全的情況下對風(fēng)機進(jìn)行并網(wǎng)，若風(fēng)機與海上升壓站同時出現(xiàn)異常情況，將加大故障排除范圍，延長故障清除時間。

1.3 現(xiàn)有帶負(fù)荷試驗方法分析

目前帶負(fù)荷試驗在火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、變電站啟動等常規(guī)啟動項目中廣泛開展，已形成一整套成熟的技術(shù)體系。帶負(fù)荷試驗常用的負(fù)荷有：廠/站用電、電容/電抗器、電動機等。但受限于海上風(fēng)電工程的特性，上述負(fù)荷均無法直接采用。

海上風(fēng)電場面臨的情況是：站用電負(fù)荷最大的情況下，可用功率仍無法滿足海上升壓站的受電啟動帶負(fù)荷試驗要求，例如，國電舟山普陀6號海上風(fēng)電場2區(qū)工程，風(fēng)電場擬安裝63臺單機容量為4.0 MW的風(fēng)機，總裝機容量約252 MW。海上升壓站配置2臺額定容量均為140 MVA的220 kV主變，額定電壓為230/35 kV，主變低壓側(cè)單母單分段接線，35 kV兩段母線上各配置1臺35 kV電抗器（容量1.3 Mvar）、1臺接地兼站用變壓器（容量800 kVA）、1臺柴油發(fā)電機組（容量1 600 kVA），站用電負(fù)載主要為除濕機、空調(diào)、照明等。海上升壓站220 kV聯(lián)絡(luò)線保護(hù)、220 kV母差保護(hù)、220 kV主變保護(hù)高壓側(cè)配置的CT變比均為1 000/1。為保證測量儀器、保護(hù)及自動化裝置、電能表以及AGC/AVC（自動發(fā)電控制/自動電壓控制）等設(shè)備具有足夠的校驗精度，要求帶負(fù)荷試驗的二次電流不小于20 mA，折算至220 kV側(cè)的一次電流約20 A，折算至35 kV側(cè)的一次電流約130 A。因此帶負(fù)荷試驗所需功率必須大于8 MW，而正常運行期間實測站用電負(fù)荷約為0.3 MW，35 kV電抗器、柴油發(fā)電機及站用電負(fù)載均無法滿足試驗要求。

對于風(fēng)機改電動機運行方式，在大風(fēng)情況下，由于槳葉調(diào)整角度不可控，容易造成風(fēng)機超速甚至飛車，導(dǎo)致機組嚴(yán)重?fù)p害，因此不具備可行性。

安裝電容器作為負(fù)荷的方案也面臨兩個方面的問題。第一是受海上的運輸時間、運輸船條件、海上平臺的吊裝條件、海上升壓站的安裝空間、臨時電纜布置及海上平臺安裝處的載荷量等因素的影響。第二是受電氣容量、臨時電容器接入電壓等級及接入間隔等因素影響，通常無法直接使用通用型號的電容器。因此該方法也不具備可行性。

通過以上分析可知，受限于海上風(fēng)電工程的特殊性，傳統(tǒng)帶負(fù)荷試驗方法均不可行。因此本文提出了一種具有實際應(yīng)用價值的新型海上風(fēng)電工程帶負(fù)荷試驗方法。

2 海上風(fēng)電工程受電啟動帶負(fù)荷試驗新方法

為解決上述問題，本文提出了一種換流器無功補償運行方式的海上風(fēng)電工程受電啟動帶負(fù)荷試驗方法。該方法具有操作簡單、安全性高、無需額外增加試驗設(shè)備等優(yōu)點。

2.1 風(fēng)機無功輸出能力分析

目前海上風(fēng)電工程為了增大容量和提高效率，普遍采用以下3種風(fēng)機[22-26]：

（1）雙饋風(fēng)機：有齒輪箱，發(fā)電機采用繞線式異步電機，在轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間接入部分功率交-直-交換流器。

（2）直驅(qū)風(fēng)機：無齒輪箱，發(fā)電機采用同步電機，在定子和電網(wǎng)之間接入全功率交-直-交換流器。

（3）異步風(fēng)機：有齒輪箱，發(fā)電機采用鼠籠式異步電機，在定子和電網(wǎng)之間接入全功率交-直-交換流器。

典型風(fēng)機換流器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，Lf為電感元件，if為交流電流，U0為交流電壓，Cf為電容元件，iinv為網(wǎng)側(cè)換流器交流電流。

換流器控制策略如圖1（b）所示，Udc為直流電壓；igd為電流直軸分量；igq為電流交軸分量；Us為電網(wǎng)電壓；ugcd為調(diào)制電壓直軸分量；ugcq為調(diào)制電壓交軸分量；θg為交流電壓相角；ua，ub，uc為交流三相電壓；ω為電角速度，Lg為等效電感；上述符號中右上角帶“*”表示該電氣量的參考值。

上述3種風(fēng)機使用發(fā)電機側(cè)換流器實現(xiàn)發(fā)電機本體的控制，使用電網(wǎng)側(cè)換流器實現(xiàn)恒頻輸出。其中網(wǎng)側(cè)換流器采用有功、無功解耦控制策略，設(shè)置功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制。通常為了簡化控制邏輯，有功功率采用定直流側(cè)電壓方式，無功功率采用定無功電流或定無功功率方式，有功、無功獨立可控。因此理論上電網(wǎng)側(cè)換流器可以單獨運行，通過修改無功電流或無功功率的給定值，進(jìn)入無功補償運行方式，實現(xiàn)無功的輸入或輸出。

圖1 典型風(fēng)機換流器結(jié)構(gòu)及控制策略

2.2 帶負(fù)荷試驗技術(shù)分析

根據(jù)網(wǎng)側(cè)換流器的特性，研究了一種新的帶負(fù)荷試驗方法。利用海上風(fēng)電場內(nèi)已經(jīng)安裝的風(fēng)機換流器，獲得海上升壓站和陸上計量站受電啟動帶負(fù)荷試驗所需的負(fù)荷電流。

風(fēng)機正常運行時，發(fā)電機側(cè)換流器和電網(wǎng)側(cè)換流器均處于解鎖狀態(tài)，異步和直驅(qū)風(fēng)機的有功功率從發(fā)電機側(cè)經(jīng)過換流器流向電網(wǎng)，換流器不與電網(wǎng)交換無功功率；雙饋風(fēng)機的有功功率從發(fā)電機定子側(cè)直接流向電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過換流器與電網(wǎng)交換一部分有功功率，發(fā)出或吸收取決于雙饋風(fēng)機的工作狀態(tài)，換流器不與電網(wǎng)交換無功功率。

3種典型的風(fēng)機正常運行狀態(tài)如圖2（a）所示。風(fēng)機處于帶負(fù)荷試驗狀態(tài)時，發(fā)電機本體停運，發(fā)電機側(cè)換流器閉鎖，電網(wǎng)側(cè)換流器解鎖，對于雙饋風(fēng)機須將發(fā)電機定子與電網(wǎng)隔離。通過修改電網(wǎng)側(cè)換流器的控制參數(shù)，使其工作在無功補償運行方式下。通過修改無功電流或無功功率給定值，控制每臺換流器吸收或發(fā)出的無功功率。

3種典型的風(fēng)機帶負(fù)荷試驗狀態(tài)如圖2（b）所示。根據(jù)帶負(fù)荷試驗所需電流大小以及各臺風(fēng)力發(fā)電機組換流器的容量，試驗時可靈活選擇投入換流器的臺數(shù)并控制每臺換流器發(fā)出或吸收的無功功率，從而提供帶負(fù)荷試驗需要的負(fù)荷容量。

3 帶負(fù)荷試驗新方法工程應(yīng)用

3.1 具體實施方式

具體試驗步驟如下：

（1）調(diào)整交流系統(tǒng)運行方式，如果試驗中需要使用雙饋機組，需要將定子和電網(wǎng)隔離。

（2）通過外接電源預(yù)熱換流器。

（3）換流器充電。

（4）集電線及風(fēng)機升壓變充電完成后，檢查換流器控制系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，將其切換為就地控制模式，并在就地激活網(wǎng)側(cè)換流器手動無功給定模式。

（5）強制風(fēng)力發(fā)電機組網(wǎng)側(cè)斷路器儲能，完成后合上該斷路器，此時網(wǎng)側(cè)換流器交流側(cè)有壓。

（6）就地啟動網(wǎng)側(cè)換流器，檢查換流器當(dāng)前實際輸出是否為零。

圖2 3種典型的風(fēng)機換流器不同工作狀態(tài)示意

（7）開放無功電流給定值的限幅，根據(jù)試驗需求在每臺投入試驗的換流器上輸入無功參考值，檢查各臺換流器的給定值與實際輸出的無功功率是否一致。檢查待試設(shè)備上流過的負(fù)荷電流幅值是否與計劃一致。

（8）電流滿足試驗要求后，對一次設(shè)備、二次回路、計量儀表、繼電保護(hù)及自動化裝置進(jìn)行整套校驗。

（9）整套校驗完成后，停運換流器，恢復(fù)換流器參數(shù)，恢復(fù)系統(tǒng)運行方式，帶負(fù)荷試驗完成。

3.2 工程應(yīng)用情況

本方案首次在國電舟山普陀6號海上風(fēng)電場2區(qū)工程得到應(yīng)用，圓滿完成受電啟動帶負(fù)荷試驗，驗證了該方案在海上風(fēng)電工程中的應(yīng)用效果。試驗時2臺4.5 MVA全功率換流器提供8 Mvar無功功率，此時35 kV集電線實測的三相電壓、電流波形如圖3所示。

圖3 帶負(fù)荷試驗時實測的電壓電流波形

由圖 3（a）與圖 3（b）可知， 帶負(fù)荷試驗過程中三相電壓與電流波形均為50 Hz正弦波，波形連續(xù)且對稱。帶負(fù)荷試驗時實測的電壓電流向量如表1所示，三相正序分布，相位順次相差約為120°；三相電壓向量對稱，幅值相同，電壓不平衡度在允許范圍，相電壓有效值約為20.9 kV；三相電流大小相同且相位對稱，有效值約為124 A，波形連續(xù)且平穩(wěn)，波形未發(fā)生過度畸變，僅含有少量高次諧波電流分量。如圖3（c）所示，基波電壓超前電流約90°，呈感性無功，如果待校設(shè)備需要更大負(fù)荷電流，可將無功調(diào)整至容性，與海纜對地電容效應(yīng)相互疊加。電氣量特性滿足帶負(fù)荷試驗的要求。

本方案無需額外設(shè)備，僅利用風(fēng)機本身的換流器實現(xiàn)試驗負(fù)荷的調(diào)節(jié)，可控性強，操作簡單，流程清晰，可靠性高。按照上述的海上風(fēng)電工程實例，對于220 kV海上升壓站的常規(guī)配置，只需投入數(shù)臺換流器即可滿足校驗需求，人員、設(shè)備成本均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他方案。

表1 帶負(fù)荷試驗時電壓電流向量

4 結(jié)語

本文提出了一種利用換流器無功補償?shù)男滦秃Ｉ巷L(fēng)電工程受電啟動帶負(fù)荷試驗方法，首次在風(fēng)機并網(wǎng)前實現(xiàn)了海上升壓站及陸上計量站受電啟動帶負(fù)荷試驗。該方法利用現(xiàn)場已有設(shè)備，在不增加調(diào)試成本的情況下完成了試驗，降低了后期機組的并網(wǎng)風(fēng)險，提升了調(diào)試質(zhì)量，縮短了試運工期，對海上風(fēng)電工程建設(shè)及調(diào)試具有實際應(yīng)用價值。