風電機組變流器網(wǎng)側(cè)浪涌保護器選型及接地優(yōu)化研究

王朝明

（東南大學電氣工程學院，南京 210096）

0 引言

風能作為一種清潔無污染的可持續(xù)能源，利用其發(fā)電有利于改善我們能源結(jié)構(gòu)，緩解火力發(fā)電等帶來的化石能源供給及環(huán)境污染問題[1]。近十年來，風電行業(yè)在我國得到快速發(fā)展。截止2017年，我國累計裝機容量占全球的35%。但隨著優(yōu)質(zhì)風能資源地區(qū)的減少，風機正快速朝低風速方向發(fā)展，即要求風機具有更高的高度，更大的單機掃略面積，給安裝在孤立曠野易遭受雷擊的機組帶來更大的防雷挑戰(zhàn)[2-3]。

自然界中的風具有波動性、隨機性和間歇性等特點，決定了風力發(fā)電具有不穩(wěn)定性[3]。在雙饋型異步發(fā)電機中，需要變流器通過對轉(zhuǎn)子進行勵磁，從而使定子側(cè)輸出達到并網(wǎng)條件的電能。因此，變流器是風力發(fā)電機組中的重要組成部分。目前大部分變流器中使用的核心部件為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其本身的耐受過電壓值為6 kV，因此在變流器遭受過電壓時，為保證變流器能夠正常工作需要加裝浪涌保護器。目前風電行業(yè)中針對變流器中浪涌保護器的使用主要是根據(jù)IEC 61400-24標準，但是標準中僅僅對變流器機側(cè)與網(wǎng)側(cè)要求安裝合適的SPD，但對其具體型號及安裝方式并沒有做詳細要求[4-10]。此外，周歧斌[11]針對風電機組變流器SPD的安裝方式進行試驗分析，但對于變流器網(wǎng)側(cè)的SPD選型問題，僅按照GB 50057—2010內(nèi)要求的在LPZ0B到LPZ1區(qū)安裝一級SPD進行了測試。

筆者選擇風電機組中使用較為廣泛的雙饋型機組，根據(jù)實際雷電浪涌路徑，分析變流器網(wǎng)側(cè)可能遭受的雷電流類型，進而確定風電機組中變流器網(wǎng)側(cè)SPD型號。此外，針對目前風電機組中對于SPD接地過長的不規(guī)范問題，以變流器網(wǎng)側(cè)SPD為例，進行了理論計算與試驗結(jié)果驗證。

1 理論計算

SPD兩端的殘壓不僅包括SPD自身的殘壓。由于雷電流是瞬變電流，會在接地線上產(chǎn)生很高線壓，從而導致整體殘壓抬升。因此GB 50057—2010中[10]提出SPD接地線盡量短，需要保證在0.5 m以內(nèi)。

浪涌保護器安裝殘壓示意圖見圖1。

圖1 浪涌保護器殘壓Fig.1 Residual voltage of SPD

圖中：U0為SPD總殘壓，U1為SPD本身產(chǎn)生的殘壓，U2為SPD接地線a和b上產(chǎn)生的線壓，故存在下式關(guān)系[10]：

接地線a和b上線壓U2計算公式如下：

式中：R為線纜a和b上總電阻；L為總電感值。

線纜電阻計算式為

式中：ρ為導線的電阻率，銅為1.75×10-8Ω·m；l為線纜長度。

線纜電感計算如下：

式中：μ0為常數(shù) 4π×10-7；l為電纜長度；r為線纜半徑。

2 試驗方案設計

2.1 變流器試驗圖及SPD參數(shù)選擇

如圖2所示為雙饋型風電機組變流器SPD的安裝示意圖。按照IEC 61400-24中要求，風電機組變流器機側(cè)、網(wǎng)側(cè)均安裝SPD進行雷電過電壓或操作過電壓保護。本文主要對變流器網(wǎng)側(cè)SPD進行試驗分析。

圖2 雙饋型機組變流器SPD安裝示意圖Fig.2 The diagram of SPD installation of double feed converter

根據(jù)GB 50057—2010中要求，從LPZ0到LPZ1區(qū)需要安裝一級浪涌保護器，因為LPZ0區(qū)中LPZ0A區(qū)可能遭受直擊雷，且雷電電磁脈沖沒有減弱和LPZ0B不可能遭受直擊雷，且雷電電磁脈沖沒有減弱，從LPZ0區(qū)進入LPZ1區(qū)時，器件可能遭受直擊雷的沖擊，因此需要安裝一級浪涌保護器。如圖3所示為風電機組變流器及箱變安裝示意圖及防雷分區(qū)。變流器至箱變之間線纜全部使用金屬穿鋼管埋地處理，不會遭受直擊雷。箱變?yōu)?90 V轉(zhuǎn)35 kV，且高壓側(cè)和低壓側(cè)均安裝浪涌保護器。在箱變至升壓站有些風場采用全部埋地處理，風機距離升壓站較遠的風場采用輸電線架進行架空處理。但箱變至第一個輸電線架也采用了埋地處理。根據(jù)以上情況分析，即使架空的輸電線路上輸電線遭受直擊雷，在箱變高、低壓側(cè)也有浪涌保護器將雷電電流泄放入地。因此風電機組中變流器網(wǎng)側(cè)雖然處于LPZ0至LPZ1區(qū)邊界，但實際不可能遭受直擊雷的襲擊。在變流器網(wǎng)側(cè)安裝二級SPD即可[12-16]。本文試驗中選擇二級SPD，參數(shù)如下：In=20 kA，Imax=40 kA，Up=1.5 kV。

圖3 變流器和箱變安裝位置及分區(qū)示意圖Fig.3 The location and partition diagram of convener and transformer

2.2 試驗測試方案

變流器工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下會有很大差異，因此分別進行變流器正常工作狀態(tài)下網(wǎng)側(cè)SPD測試以及停機狀態(tài)下SPD測試。試驗針對變流器網(wǎng)側(cè)SPD接地線長度對殘壓影響進行研究，試驗中采用2.5 mm2黃綠雙色線加柜體鋼結(jié)構(gòu)接地方式。

試驗中對變流器網(wǎng)側(cè)SPD模擬雷電流沖擊，試驗沖擊波形采用8/20 μs波形。試驗回路見圖4，利用TEKDPO3012示波器對殘壓和沖擊電流進行記錄。

圖4 雷電模擬沖擊回路Fig.4 The diagram of experiment circuit

試驗過程中，首先對按照規(guī)范要求接地線在0.5 m以內(nèi)（0.2 m）的SPD進行測試，沖擊電流按照5 kA，10 kA，15 kA和20 kA進行沖擊。測試過程中記錄相應的殘壓值。測試后，人為增加接地線長度至0.5 m和1 m，再分別重復上述沖擊試驗。

3 試驗結(jié)果分析

為驗證變流器SPD接地線長度對沖擊殘壓影響，模擬沖擊SPD接地線長度0.2 m，0.5 m和1 m，3種情況下SPD沖擊殘壓。由于變流器正常工作對殘壓會有影響，因此在沖擊試驗時，分變流器正常工作和停機狀態(tài)下測試。

3.1 變流器停機狀態(tài)

將變流器處于停機狀態(tài)下，改變網(wǎng)側(cè)SPD接地線長度，進行雷電沖擊試驗，沖擊波形為8/20 μs波形，結(jié)果見表1。

從表1中可知，隨著沖擊電流的增大，SPD所產(chǎn)生的殘壓會增大。試驗中選擇的SPD電壓保護水平Up=1.5 kV。當沖擊電流達到SPDIn=20 kA時，由于接地線長度不同，SPD殘壓分別為1.91 kV、3.03 kV和4.78 kV。由此可知，由于SPD使用了接地線，在沖擊時線上存在線壓，會導致殘壓的抬升。當接地線長度達到1m時，沖擊電流In=20 kA時，SPD所產(chǎn)生的殘壓為4.78 kV，相對于SPD本身殘壓1.5 kV，提升了3倍。因此風機機組應嚴格把控SPD接地線長度。目前部分整機廠家對于柜內(nèi)選擇了單點接地，該接地方式導致SPD接地線無法降低，只能夠盡量剪短。有些廠家柜內(nèi)設計為M型接地方式，該接地方式下，SPD接地線可以利用柜體鋼板進行直接接地，從而有效保證接地線達到盡量短。

表1 停機狀態(tài)測試結(jié)果Table 1 Results of inactive converter

為進一步驗證接地線長度對SPD殘壓影響，進行殘壓理論值與實際沖擊值進行對比，如圖5所示。圖中沖擊電流In為20 kA，波形為8/20 μs，接地線為2.5 mm2的銅接地線纜，SPD本身殘壓為1.5 kV的理論與實際沖擊殘壓值。

圖5 SPD總殘壓Fig.5 Total residual voltage of SPDs

從圖5中可知，當SPD接地線長度0.7 m時，會產(chǎn)生4 kV左右殘壓。此時會對變流器中分支線路設備造成絕緣破壞，當SPD接地線長度1 m時，SPD產(chǎn)生的總殘壓為5.1 kV，比SPD本身殘壓1.5 kV，高出3.5 kV，上升了2.3倍。如果按照規(guī)范要求，接地線長度現(xiàn)在為0.5 m，則此時殘壓為3.5 kV左右，因此需要盡量減短SPD接地線長度。

3.2 變流器工作狀態(tài)

變流器工作狀態(tài)下，改變網(wǎng)側(cè)SPD接地線長度，進行雷電沖擊試驗，沖擊波形為8/20 μs波形，結(jié)果見表2。

表2 工作狀態(tài)測試結(jié)果Table 2 Results of active converter

從表2可看出，當SPD接地線長度固定時，隨著沖擊電流的增大，SPD抑制過電壓產(chǎn)生的殘壓越大。當沖擊電流確定時，SPD殘壓隨著接地線的長度增加而增加。對比表1和表2可知，在變流器正常工作狀態(tài)下，SPD沖擊所產(chǎn)生的殘壓相對于變流器不工作狀態(tài)下高。一般雷雨天風況較好，風機一般處于工作狀態(tài)，此時如果變流器受到雷電過電壓沖擊時，將會更加嚴重。此外，SPD接地線過長會進一步增加殘壓，導致變流器內(nèi)部器件受損。

國內(nèi)目前風電機組中SPD存在較多不規(guī)范處，以SPD接地線為例，在很多機組中發(fā)現(xiàn)SPD接地線均存在過長問題，影響了SPD限壓效果，提高了SPD殘壓。

4 結(jié)論

目前風電機組中SPD使用存在接地線過長問題，以變流器網(wǎng)側(cè)SPD為例，首先結(jié)合風機實際情況，根據(jù)GB50057—2010，分析網(wǎng)側(cè)SPD選型，然后研究接地線對殘壓的影響，得出以下結(jié)論：

1）風電機組箱變高、低壓側(cè)均有浪涌保護器保護時，變流器網(wǎng)側(cè)可從I級SPD降級為II級。

2）當SPD接地線固定時，隨著沖擊電流的增大，SPD殘壓會增大。當沖擊電流確定后，SPD殘壓隨著接地線長度增長而增加；此外，相對于變流器停機狀態(tài)，其工作時會進一步導致SPD殘壓抬高。

3）隨著接地線長度增加，殘壓增大。當線長達到1 m時，殘壓理論計算值5.1 kV，高于實際沖擊殘壓4.51 kV。