改善雙饋風電機組適應高電壓穿越并網性能的方法

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

隨著國內風電的迅速發展和裝機容量逐漸增加，風電與電網的相互影響已不容忽視。國家電網一方面逐步推出相應的標準及法規來提高風機并網性能要求，增強風機的電網適應性；另一方面開始要求風電場對電網提供相應的支撐和支持，協助電網故障切除后快速恢復運行。國家相關部門陸續推出《風電場接入電力系統技術規定》[1]《風電場無功配置及電壓控制技術規定》[2]以及《風力發電場無功配置及電壓控制技術規定》[3]《風電機組故障電壓穿越能力測試規程》[4]等標準，這些標準均對風電場及風電機組并網提出了具體的要求。其中國家電網企業標準及國家能源行業標準對高電壓穿越作出了具體規定。

根據國家標準和IEC 標準額定電壓定義：設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《風電機組 故障電壓穿越能力測試規程》[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，目前風電機組生產廠家基本能夠解決這一問題。

表1 風電機組調整前后額定電壓范圍和高電壓穿越范圍，及其測試規程要求

目前電力系統發展很快，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容易出現過電壓。在換流站交流母線或附近電路上，①交流電網發生故障時，由于零序網絡影響，健全相上將產生暫態過電壓,這種系統內暫態過電壓（相對地）一般低于1.2～1.4 p.u.[8－11]；②由于交流側開斷線路或直流側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.，持續時間限制在1 s 以內[8－9]；③甩負荷時的暫時過電壓能使變壓器飽和，在不利的電網條件下，可能產生諧振使過電壓增大，如當逆變站交流側甩掉全部負荷，而交流母線仍保留有濾波器和電容器組時，產生的過電壓可達1.8 p.u.以上[8－9]。

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

某些情況下，換流站的無功補償設備與交流系統之間會產生并聯諧振，當交流系統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.，并持續數百毫秒[13]。

通過使用本文所述的技術方法，對現有運行不達標和需要調高標準的雙饋風電機組技術改進，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適應能力，同時有益于電網安全可靠穩定運行。

1 方法綜述

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

技術方法1，雙饋風電機組上網升壓變壓器采用高阻抗變壓器：

根據專利《改善雙饋風力發電機組并網性能的方法》[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0.95cap.～1～0.95ind.，雙饋風電機組電壓調節范圍：+3.746～－3.746 p.u.至+7.493～－7.493 p.u；雙饋風電機組功率因數在0.9cap.～1～0.9ind.，雙饋風電機組電壓調節范圍：+5.23p.u.～－5.23p.u.至+10.46p.u.～－10.46p.u。

圖1 雙饋風力發電機組上網電氣圖

技術方法2，根據專利《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 雙饋風電機組上網升壓變壓器采用高阻抗變壓器(技術方法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程》[4]，如果有更高的電網接入要求，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 電壓調節范圍。

表2 雙饋風電機組高阻抗變壓器電壓調節范圍

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端口1（圖1）短路容量為：

根據式（8），圖1 中雙饋風電機組低壓側端口1 的電壓變化量為：

因此，式（11）的計算結果，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（技術方法2）

根據專利《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電機、變流器、輔助電氣回路、升壓變壓器等所設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程[1，4]要求。雙饋風電機組發電機、變流器、變槳、輔助系統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，a1x=常數、a2x=常數。式（12）中，X1、L1（X1）、L2（X1）、a1x、a2x、a1y、a2y的含義見圖3。Un0是轉換前端口1 的額定電壓，Un1是轉換后端口1 的額定電壓。

圖3 雙饋風力發電機組電壓縱軸U0／U1 體系圖

假設：

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

L2（X1）≥a2x,a2x=10%。

選取Ue/Uxe=（Uxe優選GB/IEC 標準電壓）。

根據式（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系。電壓縱軸2－U0上的每個電壓值通過這個比例值轉換到電壓縱軸1－U1上；其中，額定電壓Un1就是通過額定電壓Un0和這個比例值轉換而來的；這就是雙饋風電機組雙坐標系電壓轉換方法；在這個基礎上提出了額定電壓范圍和高電壓穿越范圍轉換計算公式。雙饋風電機組一次回路電氣部件整體容量經過優化合理配置，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 結論

雙饋風電機組采用技術方法1 和技術方法2，都能在現有的標準水平上，拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越能力。根據風電接入電網的實際情況要求和經濟條件，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.，可以采用技術方法1，即雙饋風電機組上網升壓變壓器采用高阻抗變壓器（udT%=12～24），就能滿足電網對雙饋風電機組和高電壓穿越能力升級的要求。本文所論述的技術方法1 和技術方法2 是可以改善雙饋風電機組適應高電壓穿越并網性能。