改善雙饋風電機組適應高電壓穿越并網(wǎng)性能的方法

成健，強喜臣，劉健華

（東方電氣東方風電有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

隨著國內(nèi)風電的迅速發(fā)展和裝機容量逐漸增加，風電與電網(wǎng)的相互影響已不容忽視。國家電網(wǎng)一方面逐步推出相應的標準及法規(guī)來提高風機并網(wǎng)性能要求，增強風機的電網(wǎng)適應性；另一方面開始要求風電場對電網(wǎng)提供相應的支撐和支持，協(xié)助電網(wǎng)故障切除后快速恢復運行。國家相關(guān)部門陸續(xù)推出《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[1]《風電場無功配置及電壓控制技術(shù)規(guī)定》[2]以及《風力發(fā)電場無功配置及電壓控制技術(shù)規(guī)定》[3]《風電機組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》[4]等標準，這些標準均對風電場及風電機組并網(wǎng)提出了具體的要求。其中國家電網(wǎng)企業(yè)標準及國家能源行業(yè)標準對高電壓穿越作出了具體規(guī)定。

根據(jù)國家標準和IEC 標準額定電壓定義：設(shè)備可有一個以上的額定電壓或可具有額定電壓范圍[5－7]。風電機組的上網(wǎng)主回路額定電壓1±10% p.u.，以此稱之為額定電壓范圍，超過這個范圍稱之為拓寬額定電壓范圍。

根據(jù)《風電機組 故障電壓穿越能力測試規(guī)程》[4]；風電機組額定電壓范圍和高電壓穿越范圍要求見表1。該標準對風電機組電氣部件的絕緣水平要求較高，對于已完成裝機的風電場來講，雖然改造有一定困難，改造費用較大，目前風電機組生產(chǎn)廠家基本能夠解決這一問題。

表1 風電機組調(diào)整前后額定電壓范圍和高電壓穿越范圍，及其測試規(guī)程要求

目前電力系統(tǒng)發(fā)展很快，同時也面臨短時過電壓問題。特高壓和超高壓的（交）直流輸電線路和換流站就近電網(wǎng)容易出現(xiàn)過電壓。在換流站交流母線或附近電路上，①交流電網(wǎng)發(fā)生故障時，由于零序網(wǎng)絡影響，健全相上將產(chǎn)生暫態(tài)過電壓,這種系統(tǒng)內(nèi)暫態(tài)過電壓（相對地）一般低于1.2～1.4 p.u.[8－11]；②由于交流側(cè)開斷線路或直流側(cè)閥閉鎖引起的甩負荷或大的功率變化，將引起暫時過電壓；甩負荷引起的工頻過電壓應限制在1.3～1.4 p.u.，持續(xù)時間限制在1 s 以內(nèi)[8－9]；③甩負荷時的暫時過電壓能使變壓器飽和，在不利的電網(wǎng)條件下，可能產(chǎn)生諧振使過電壓增大，如當逆變站交流側(cè)甩掉全部負荷，而交流母線仍保留有濾波器和電容器組時，產(chǎn)生的過電壓可達1.8 p.u.以上[8－9]。

有關(guān)資料介紹，2013 年11 月6 日，某直流受端近區(qū)交流線路發(fā)生單永故障，引起直流換相失敗，送端換流站的暫態(tài)電壓最高達1.35 p.u[12]。

某些情況下，換流站的無功補償設(shè)備與交流系統(tǒng)之間會產(chǎn)生并聯(lián)諧振，當交流系統(tǒng)較弱時諧振頻率比較低，例如當遠方孤立電廠供電給直流輸電整流站時，這種過電壓可以達到2 p.u.，并持續(xù)數(shù)百毫秒[13]。

通過使用本文所述的技術(shù)方法，對現(xiàn)有運行不達標和需要調(diào)高標準的雙饋風電機組技術(shù)改進，還能進一步拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越范圍以及提升電網(wǎng)適應能力，同時有益于電網(wǎng)安全可靠穩(wěn)定運行。

1 方法綜述

本文主要介紹現(xiàn)有運行的雙饋風電機組在滿足國家標準下，利用技術(shù)方法1 和技術(shù)方法2 可以拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越范圍。

技術(shù)方法1，雙饋風電機組上網(wǎng)升壓變壓器采用高阻抗變壓器：

根據(jù)專利《改善雙饋風力發(fā)電機組并網(wǎng)性能的方法》[14]，如圖1 所示，雙饋風電機組采用高阻抗變壓器，阻抗電壓百分值udT%=12～24；雙饋風電機組功率因數(shù)0.95cap.～1～0.95ind.，雙饋風電機組電壓調(diào)節(jié)范圍：+3.746～－3.746 p.u.至+7.493～－7.493 p.u；雙饋風電機組功率因數(shù)在0.9cap.～1～0.9ind.，雙饋風電機組電壓調(diào)節(jié)范圍：+5.23p.u.～－5.23p.u.至+10.46p.u.～－10.46p.u。

圖1 雙饋風力發(fā)電機組上網(wǎng)電氣圖

技術(shù)方法2，根據(jù)專利《提高雙饋風電機組寬額定電壓和高電壓穿越范圍的方法》[15]：

采用這種技術(shù)方法，最大可滿足雙饋風電機組端口拓寬額定電壓范圍±20%p.u.和2.0p.u.高電壓穿越范圍運行。

2 雙饋風電機組上網(wǎng)升壓變壓器采用高阻抗變壓器(技術(shù)方法1)

雙饋風電機組額定電壓范圍和高電壓穿越范圍需滿足《風電機組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》[4]，如果有更高的電網(wǎng)接入要求，雙饋風電機組可以采用高阻抗變壓器，可以拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越范圍。

雙饋風電機組采用高阻抗變壓器的Γ 等效等效電路，如圖2 所示，當省略YT支路時，。假設(shè)高阻抗變壓器低壓端口1 每相電壓=U1∠0°，高阻抗變壓器高壓端口2 每相電壓=U2∠－a，=I2∠－θ。高阻抗變壓器每相等效電阻RT，每相等效電感XT。高阻抗變壓器每相電路等式：

圖2 雙饋風力發(fā)電機組升壓變壓器“?！毙蔚刃щ娐穲D

電壓橫軸為：

電壓縱軸為：

由式（1）可得：

當RT＜＜XT，且P1RT＜＜Q1XT時，由式（4）可得：

依據(jù)式（5），以及高阻抗變壓器阻抗電壓百分值選取udT%=12～24，可以得到表2 電壓調(diào)節(jié)范圍。

表2 雙饋風電機組高阻抗變壓器電壓調(diào)節(jié)范圍

常用無功功率變化引起端電壓變化公式[16]：

由式（8）與式（9）得出的計算結(jié)果來看，從實際工程計算上講是基本一致的。其中，式（9）的ΔU為端口（圖1 和圖2 端口1）電壓的變化量，Ssc為端口（圖1 和圖2 端口1）短路容量。

由圖1 中可以看到，當端口2 系統(tǒng)短路容量Sdx=Sd2很大，遠大于高阻抗變壓器的短路功率SdT，且端口2 的電壓相對短時不變時，雙饋風電機組低壓側(cè)端口1（圖1）短路容量為：

根據(jù)式（8），圖1 中雙饋風電機組低壓側(cè)端口1 的電壓變化量為：

因此，式（11）的計算結(jié)果，與式（9）是一致的。

3 采用雙饋風電機組增大容量降低額定電壓運行技術(shù)（技術(shù)方法2）

根據(jù)專利《提高雙饋風電機組寬額定電壓和高電壓穿越范圍的方法》[15]，利用雙饋風電機組增大容量降低額定電壓運行，使得雙饋風電機組發(fā)電機、變流器、輔助電氣回路、升壓變壓器等所設(shè)計的額定電壓范圍和高電壓穿越范圍滿足國家標準測試規(guī)程[1，4]要求。雙饋風電機組發(fā)電機、變流器、變槳、輔助系統(tǒng)UPS 供電回路、升壓變壓器等一次回路電氣部件容量增大5.88%p.u.（包括額定視在容量、額定電流），新額定電壓降低到85%p.u./0.9=（94%+1/225）p.u.運行，能確保運行時一次回路電氣部件容量和電流不超過原來的限值，見表3。

表3 雙饋風電機組各個部套調(diào)整前后、高電壓穿越范圍

雙饋風電機組一次回路電氣部件拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越范圍的轉(zhuǎn)換計算公式：

邊界條件：U1=Uxe=Un1≤Ue，U0=Ue=Un0，a1y≠a2y（或a1y=a2y）；a1=a2=常數(shù)，a1x=常數(shù)、a2x=常數(shù)。式（12）中，X1、L1（X1）、L2（X1）、a1x、a2x、a1y、a2y的含義見圖3。Un0是轉(zhuǎn)換前端口1 的額定電壓，Un1是轉(zhuǎn)換后端口1 的額定電壓。

圖3 雙饋風力發(fā)電機組電壓縱軸U0／U1 體系圖

假設(shè)：

X1＝15%p.u.,a1=a2=15%,L1（X1）≥a1x，a1x=20%；

L2（X1）≥a2x,a2x=10%。

選取Ue/Uxe=（Uxe優(yōu)選GB/IEC 標準電壓）。

根據(jù)式（12）計算可得：

L1（X1）＝20.2272%p.u.,L2（X1）=11.1363%p.u.,a1y=0.2272%,a2y=1.1363%。

圖3 中，電壓縱軸2－U0中的Un0端口1 的額定電壓；電壓縱軸1－U1中的Un1為端口1 的另外一個額定電壓；根據(jù)雙饋風電機組增大容量降低額定電壓運行需要，新的額定電壓Un1小于額定電壓Un0，且額定電壓Un1優(yōu)先選用GB 或IEC 的標準電壓，額定電壓Un1與額定電壓Un0形成固定的比例值關(guān)系。電壓縱軸2－U0上的每個電壓值通過這個比例值轉(zhuǎn)換到電壓縱軸1－U1上；其中，額定電壓Un1就是通過額定電壓Un0和這個比例值轉(zhuǎn)換而來的；這就是雙饋風電機組雙坐標系電壓轉(zhuǎn)換方法；在這個基礎(chǔ)上提出了額定電壓范圍和高電壓穿越范圍轉(zhuǎn)換計算公式。雙饋風電機組一次回路電氣部件整體容量經(jīng)過優(yōu)化合理配置，風電場就可以很好地滿足新的額定電壓范圍和高電壓穿越范圍要求。

4 結(jié)論

雙饋風電機組采用技術(shù)方法1 和技術(shù)方法2，都能在現(xiàn)有的標準水平上，拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越能力。根據(jù)風電接入電網(wǎng)的實際情況要求和經(jīng)濟條件，可以分別單選使用，也可以組合使用。對于已運行的雙饋風電機組，只需要提高高電壓穿越能力到130%p.u.～140%p.u.，可以采用技術(shù)方法1，即雙饋風電機組上網(wǎng)升壓變壓器采用高阻抗變壓器（udT%=12～24），就能滿足電網(wǎng)對雙饋風電機組和高電壓穿越能力升級的要求。本文所論述的技術(shù)方法1 和技術(shù)方法2 是可以改善雙饋風電機組適應高電壓穿越并網(wǎng)性能。