高电压穿越对风电机组的影响

摘要：我国目前建成投入使用的超高压直流输电线路已经有33条，遍布祖国的大江南北。为确保电网的稳定可靠，在线运行的风机必须承受1.30~1.35Pu的高电压不脱网运行500ms并要求风机快速反应及时发出无功电流帮助电网电压故障的恢复。本文分析介绍了高电压穿越对风电机组的影响，对降低风机故障；提高风机的电网适应性有益。关键词：电网适应性高电压穿越

1.1从2010年开始，我国建成了多条特高压直流输电线路，主要是从东北、西北、云贵川等风资源丰富的地区向用电负荷相对集中负载重的中、东部地区输送电力，有效缓解东北、西北、云贵川等风资源丰富地区的风电消纳问题。截止到2021年底，我国共有33条特高压线路投入使用。例如：1）2010年6月，云南—广东±800千伏特高压直流输电工程投入使用2）2010年7月，复奉直流：向家坝（四川、云南交界）—上海±800千伏特高压直流输电示范工程投入使用。3）2012年12月，锦苏直流：锦屏（贵州）—苏南±800千伏特高压直流输电工程投入使用。4）2014年1月，天中直流：哈密南—郑州±800千伏特高压直流输电工程投入使用。5）2014年7月，宾金直流：溪洛渡左岸（四川、云南交界）—浙江金华±800千伏特高压直流输电工程投入使用。6）2010年6月，糯扎渡直流工程：糯扎渡-广东±800千伏直流输电工程投入使用。7）2016年9月，灵绍直流：宁夏灵武市~浙江绍兴±800千伏特高压直流输电工程投入使用。8）2017年6月，祁韶直流：±800千伏祁韶(甘肃酒泉—湖南湘潭)特高压直流输电工程投入使用。9）2017年6月，雁淮直流：±800千伏山西晋北送电江苏南京特高压直流输电工程投入使用。10）2017年10月，锡泰直流：锡盟—江苏泰州±800千伏特高压直流输电工程投入使用。......等等。1.2如图所示：一般情况下，风电机组的电压耐受范围是1.0~1.1倍额定电压；火力发电机的电压耐受范围是1.0~1.3倍额定电压；风电机组的过流耐受范围是1.0~1.5倍额定电流；火电机组的过流耐受范围是1.0~7.0倍额定电流。火电的过载能力是风电的4.6倍以上。风电机组的抗扰动能力明显不足，因此、在缺乏配套常规火电机组电源支撑的情况下，特高压直流线路输送抗扰动能力低、不能主动支撑电网的风电，会给电力系统的安全稳定运行带来巨大挑战，同时制约降低特高压线路的输送能力。直流输电线路中，受电端负载突然短路或突然甩负荷会造成逆变站连续的换相失败，有可能导致送端系统现象最复杂的故障，依次出现低电压—高电压的阶段性变化。因此对风机的电网适应性提出低电压穿越和高电压穿越的要求。1.3风电机组故障电压穿越的具体技术要求l2015年，在国家电网调度中心的组织下，通过现状调研和技术论证，确定了我国故障电压穿越的技术要求，高电压幅值为130%Un，持续时间500ms。2018年，我国国家标准《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》规范了风电机组故障电压穿越的具体技术要求。如图所示：图1-4

我国风电机组故障电压穿越曲线有功要求：有功功率输出：没有脱网的风电机组，在电压升高时刻及电压恢复正常时刻，有功功率波动幅值应在±50%Pn范围内，波动时间不大于80ms；在电压升高期间，输出有功功率波动幅值应在±5%Pn范围内；电压恢复正常后，输出功率应为实际风况对应的输出功率。无功要求：如图所示：为风机并网示意图，35KV系统通过箱变降压为690v与风机连接。箱变相当于一个电抗，当风场出口电压（35kv）发生电压扰动时，例如电网电压跌落时，风机尽量发出无功电流，可以帮助提高风机出口侧的电压；电网电压（35KV侧）升高时，风机吸收无功电流，通过箱变电抗器的作用，可以降低风机出口侧的电压。动态无功支撑能力：当风电机组并网点发生三相对称电压升高时，风电机组应自电压升高出现的时刻起快速响应，通过注入感性无功电流支撑电压恢复。具体要求如下：自并网点电压升高出现的时刻起，动态感性无功电流控制的响应时间不大于40ms，且在电压故障期间持续注入感性无功电流；风电机组提供的动态感性无功电流应满足下式的要求：ITL≥1.5×（UT-1.1）In，

（1.1≤UT≤1.3）其中Ut电网电压升高幅度；In风机出口额定电流例如：电压升高到1.3Un

ITL≥1.5*（1.3-1.1）*In=0.3In

2.0MW风机的额定电流1673A；高穿期间需要提供502A以上的无功电流，或者是600kw以上的无功功率。如图所示为双馈风机实际的高穿测试波形电网电压升高1.30倍额定电压时，风机尽量吸收无功电流，如图红色曲线是高穿期间风机发出的无功功率，由于箱变电抗器的作用，可以抑制风机出口侧的电压升高。风机箱变电压高压侧电压升高到1.30倍额定电压时，电压峰峰值为1.3*690*1.4142=1269v风机发出无功功率后，风机出口侧线电压实际升高1150v，为风机额定电压的1.18倍。①电网电压升高1.30Pu时；风机高穿激活，风机在高穿期间输出无功电流帮助降低电压到1150/1.4142=813V，相当于把风机出口侧电压降低了84v以上。②高穿期间风机实际发出的无功功率为1150kw③高穿期间风机发无功电流，对抑制风机出口侧电压升高非常有利。1.3Un降低到了1.18Un。2016年以前并网运行的风机，不具备高电压穿越能力，需要进行高穿功能改造，以满足风机高电压穿越的电网适应性要求：高穿期间不脱网持续运行500ms以上；高穿期间风机需要发出无功电流；高穿激活瞬间有功功率超调要控制在50%额定功率以内；高穿期间有功变化不能超过5%额定功率。2.1高穿对风机的影响国家电网对风机高穿的要求一般要求风机能承受130%Un的高电压，持续时间500ms。个别地区，例如西北电网要求风机承受135%Un的高电压。因此需要对风机过电压耐受能力低的器件进行考核验证。分风机机舱主控系统；变桨系统；变频器系统三部分来考核。主控系统主控系统控制电源由ups供电，电网电压升高对主控柜器件没有影响。过电压保护由UPS电源承担。电网电压超过1.2Un时，UPS自动切换为电池供电。主控柜的电量检测模块直接检测电网电压，需要承受1.2倍以上的高电压，需要对其高压耐受能力进行校核。如果不足，则直接更换电量检测模块，要求承受1.5倍高压。变桨系统变桨充电器；驱动器；400v交流电压检测模块等耐压能力不足。解决方案：在机舱给变桨系统400V供电处加装一个配电接触器和控制继电器，当电网电压超过设定值并在运行时间范围内时，主控PLC通过DO点切断400V配电接触器，此时变桨系统内的设备主要靠后备电源维持。如图所示：在变桨系统原400v交流供电线路中，串接加装一个接触器(红圈所示），接触器合上时交流400v给变桨系统供电，高穿期间主控电量模块检测到1.1倍以上的高电压时，通过主控PLC输出一个DO信号通过中间继电器断开接触器，切断变桨400v供电，变桨系统由后背电源供电维持运行。由于变频器的电压检测速度要比主控电压检测快得多，所以变桨系统高穿控制策略是:变频器检测到高电压时高穿信号传递给主控，由主控断开变桨系统400v供电或者主控检测到高电压时断开变桨系统400v供电。变频器系统变频器控制电源由UPS供电，避免了高电压冲击。变频器的电压检测器件及控制板需要更换。2.2高穿改造方案l为提高风机的高穿响应速度，变频器；变桨；主控系统需要增加CAN通讯功能。主控系统更换cpu板卡，增加CAN通讯功能，提高运算能力、数据处理能力，接收并显示变频器上传的变频器故障信号，添加高穿控制策略并升级主控程序。主控系统高电压穿越控制策略：①控制有功正常输出，让出无功控制权给变流器，②抑制电压升高造成的有功波动③变流器控制无功输出支持电网恢复。主控系统增加继电器和接触器，增加主控对变桨系统400v供电的控制。变频器系统更换耐压等级不够的原交流电压检测板；配合主控完成CAN通讯改造，上传变频器故障信号；添加高穿控制策略，升级软件代码。2.3高穿测试风机进行高穿改造后，风机是否具备高电压穿越能力？需要进行高穿能力验证测试，一般由风机并网点所在电网公司组织，各地电力科学院来执行测试并出测试报告2.3.1测试条件测试设备连接示意图如图所示；为测试设备高压接线示意图，高压发生器串接在风机箱变的高压侧35KV系统，测试点的短路容量至少应为风电机组额定容量的3倍；风电机组高电压穿越能力测试的测试点为风电机组并网点；电压升高造成的风电场中压电网母线电压偏差应在当地电网允许的电压偏差范围内。2.3.2测试内容分以下几种工况，小功率输出（0.1Pn≤P≤0.3Pn）；例如1.5MW风机在小风状态，风机发电功率在150kw~450kw范围内时进行三相电压同时升高故障_3ph；及两相电压升高；一相电压维持不变的电网电压故障_2ph测试。同理：大风状态下，发电机功率大功率输出（P>0.9Pn）；风机发电功率大于1350kw时进行三相电压升高故障_3ph；两相电压升高故障_2ph等测试。如图所示为高压发生器原理图，调节升压电容器的投入比例，可以调节测试点电压的升高幅度。2.3.3测试步骤（1）空载测试（风机处于脱网状态）按照以下步骤进行空载测试：断开风机变压器与电压升高发生装置的连接开关；断开旁路开关，投入限流阻抗；闭合升压开关，投入升压阻抗，在测试点产生电压升高；断开升压开关，退出升压阻抗；闭合旁路开关，退出限流阻抗，电网电压恢复正常。（2）负载测试（风机处于并网状态）按照以下步骤进行负载测试：断开旁路开关，投入限流阻抗；闭合升压开关，投入升压阻抗，在测试点产生电压升高；断开升压开关，退出升压阻抗；闭合旁路开关，退出限流阻抗，电网电压恢复正常。2.3.4测试数据（1）在电压升高发生前10s至电网电压恢复正常后至少15s的时间范围内，分别在测试点及风机出口端采集。（2）数据采集系统用于测试数据的记录、计算及保存。数据采集系统每个通道采样率最小为5kHz，分辨率至少为12bit。测试设备精度2.3.5测试曲线风电机组高电压穿越空载测试应给出测试点电压值曲线，负载测试应给出以下曲线：测试点线电压有效值曲线；测试点和风电机组输出端无功电流曲线；测试点和风电机组输出端有功功率和无功功率曲线。高穿测试经验总结3.1东北某风场高穿测试失败：测试期间风机报“变频器故障”停机脱网。原因：①UPS电源备用电池能量不足，测试期间UPS掉电，造成系统控制电源失电。②主要原因是高穿测试设备接入箱变高压侧时，需要断开高压输电线路。没有按要求预先断开风机UPS电源的输入/输出开关，造成UPS过度放电亏空。③环境温度零下15度以下，UPS没有安装加热板，备用电池内阻增大，放电容量不足。解决办法：更换新的ups电源，需要在室温下预先给UPS充电24小时以上3.2西北某风场高穿测试失败：测试期间风机报“变桨充电器故障”停机脱网。失败原因是变桨超级电容充电器因承受过电压烧坏。2012年并网的风机充电器高压耐受能力只有115%Pn解决办法：对充电器进行改造或更换充电器，提高充电器滤波电容的耐用值，提高充电器的过压能力。3.3.关于充电器高压耐受能力的讨论①400v全波整流输出直流峰峰值为：400*1.4142=566v早期的充电器滤波电容耐压是800v用2个400v耐压的电容器串联而成，考虑10%的耐压裕量，安全耐压取710v充电器安全过压能力是：710/566=1.25；即充电器最大耐压是额定电压的1.25倍。②主控-变桨高穿控制策略主控或变频器检测到高电压时，断开变桨系统400v供电。从检测到过电压到400v实际断开，存在一定的延时！造成变桨系统充电器等器件需要承受过电压冲击。③主控监测电网电压是通过机舱上主控柜的电量检测模块采样进行的，电量检测模块检测到电压高低至少需要1个完整的周波，就是20毫秒延时；A/D转换10毫秒的延时。然后转换完成以后，电压检测模块与主控是RS485通讯，主控每隔100ms去读一次，那加起来就130毫秒，就是当你已经检测到高电压来临，主控出判断，通过I/O口输出，还有20毫秒，那就相当于150毫秒延时，主控I/O口输出带了继电器和接触器。那么每个算25ms延时。那加起来有50毫秒动作延时。那就是：相当于从电网电压上升到1.18倍额定电压一直到400v接触器实际动作断开至少是有200毫秒的延时，造成变桨系统400v交流供电电压会大于128%Pn电压以上。因为早期充电器耐压能力只有115%Pn（460v），造成充电器烧毁是必然的，可能由于器件的差异有可能偶尔能耐受到120%Pn以上，不可能长期支撑。④变频器检测过电压的延时例如：KFD变频器过电压检测只需要0.76ms；禾望变频器过电压检测只需要0.33ms；主控与变频器CAN通讯，读取CAN通讯的扫描周期是20ms，主控I/O板输出在加上2级继电器的延时50ms，也就是说主控关联变频器电压检测的优势后，从检测到电压上升到门限值到400v接触器实际动作延时可以缩短到80ms以下。充电器至少会承受1.35倍高电压80ms的冲击！⑤主控柜增加400v交流电压检测模块，电网电压超过1.2倍额定电压只需要30ms就可以断开400v轮毂供电，小于1.15倍额定电压立即恢复供电。这个方案可以最大程度减小高电压对变桨系统的冲击。缺点是需要增加硬件检测模块，费用需要增加2000元/