關于雁淮直流近區(qū)風電機組高電壓穿越能力改造的探討

劉翼肇，薄利明，和建民，安立進，林霞

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

山西電網(wǎng)位于華北電網(wǎng)西部，是典型的電力外送型電網(wǎng)，分別與華北、華中、華東電網(wǎng)存在電力聯(lián)系。截至目前，山西省內(nèi)共建有“三交一直”特高壓工程，其中特高壓交流北岳站和洪善站分別位于山西省北部和中部；雁淮直流是山西省內(nèi)唯一一條特高壓直流工程，受端為華東電網(wǎng)，輸電距離1 095 km，發(fā)揮著晉電外送的重要作用。

截止2018年3月底，雁淮直流近區(qū)共涉及18座風電場，風電裝機容量2 231 MW，且雁淮直流無配套電源投產(chǎn)計劃，雁淮直流最大送電能力為4 700 MW；2018年下半年，山西電網(wǎng)運行方式改變后雁淮直流最大送電能力提升至5 900 MW。到2020年，雁淮直流近區(qū)預計新增風電420 MW；考慮到山西省內(nèi)新投產(chǎn)的火電廠及電網(wǎng)運行方式改變后，雁淮直流最大送電能力提升至8 000 MW。

本文在對雁淮直流近區(qū)風電機組高電壓穿越能力進行廣泛調(diào)研、查閱相關文獻的基礎上[1]，通過仿真計算確定了直流近區(qū)需要進行高電壓穿越能力改造的風電場范圍[2,3]，最后提出了相應的改造建議。

1 雁淮直流近區(qū)風電場高穿能力要求

1.1 能源行業(yè)標準

依據(jù)能源行業(yè)標準《NB/T31111—2017風電機組高電壓穿越測試規(guī)程》有關高電壓穿越相關要求見圖1和表1。具體要求見表1。

圖1 能標NB/T 31111—2017有關風機高穿要求

表1 能標NB/T 31111—2017有關風機高穿時間要求

1.2 國家標準

國家標準《風力發(fā)電機組 故障電壓穿越能力測試規(guī)程》規(guī)范了風電機組故障電壓穿越技術要求與試驗方法，目前該標準正處于報批階段，相關要求見圖2和表2。

圖2 國標（報批稿）有關風機高穿時間要求

表2 國標（報批稿）有關風機高穿時間要求

根據(jù)調(diào)研情況雁淮直流近區(qū)的風電場及風電機組的高電壓穿越能力均不能滿足國家標準《風力發(fā)電機組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》（報批稿）“UT=1.30、具有連續(xù)運行500 ms的能力”的要求，需要對雁淮直流近區(qū)風電機組進行暫態(tài)壓升校核，進一步分析當雁淮直流故障時的近區(qū)風電機組過電壓情況。

2 雁淮直流近區(qū)風電機組暫態(tài)壓升校核

影響直流近區(qū)風電機組暫態(tài)壓升的主要包括：直流故障類型、風電同時率和風電機組類型3大因素。仿真計算結(jié)果表明，當換流站發(fā)生連續(xù)3次換相失敗故障、風電同時率越高、風電機組為直驅(qū)風機時，風機的暫態(tài)壓升幅值最高（見圖3、圖4）。

2.1 2018年近區(qū)風電機組暫態(tài)壓升校核

方式一為近區(qū)某電廠1倒接前，考慮近區(qū)500 kV電廠2開2臺、電廠1全停，220 kV電廠3、電廠4全停時系統(tǒng)運行方式。當換流站發(fā)生換相失敗時，直流近區(qū)共有8座風電場涉及裝機容量1 440 MW，風機暫升電壓范圍為1.10p.u.＜U≤1.2p.u.。

方式二為某電廠1機組倒接至雁門關換流站后，在機組全開方式下，雁淮直流輸送能力提升至590萬kW，近區(qū)500 kV電廠1全停、電廠2全開，220 kV電廠3、電廠4全停時系統(tǒng)運行方式。當換流站發(fā)生換相失敗時，直流近區(qū)共有8座風電場涉及裝機容量1 048 MW，風機暫升電壓范圍為1.10p.u.＜U≤1.2p.u.；共有4座風電場涉及裝機容量1 047 MW，風機暫升電壓范圍為1.2p.u.＜U。

圖3 2018年風電機組暫態(tài)壓升

2.2 2020年近區(qū)風電機組暫態(tài)壓升校核

2020年，雁門關換流站近區(qū)網(wǎng)架加強，直流送電能力將提升至8 000 MW，近區(qū)新增7座風電場，均按直驅(qū)型風電機組考慮。近區(qū)電廠1全開，電廠3、電廠4全停方式下，當換流站發(fā)生換相失敗時，截止2018年3月直流近區(qū)已投運的7座風電場涉及裝機容量641.5 MW，2020年將投運的2座風電場涉及裝機容量100 MW，風機暫升電壓范圍為1.10p.u.＜U≤1.2p.u.。已投運的4座風電場涉及裝機容量1 046 MW，2020年將投運的5座風電場涉及裝機容量320 MW，風機暫升電壓范圍為1.2p.u.＜U。

圖4 2020年風電機組暫態(tài)壓升

結(jié)合2018年和2020年的雁淮直流近區(qū)風電機組暫態(tài)壓升校核結(jié)果，對不滿足國家標準《風力發(fā)電機組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》 （報批稿）相關要求的風電場需要完成相關的技術改造，以確保風電場的安全穩(wěn)定運行。

3 雁淮直流近區(qū)風電機組高電壓穿越改造建議

3.1風電機組高電壓穿越改造技術

目前，主要采取軟件升級和硬件改造兩種措施使風電機組滿足高電壓穿越的能力要求[4,5]。

軟件升級方面，主要對風電機組的主控程序、變流器程序、變槳系統(tǒng)程序進行升級。

3.1.1 主控程序升級

a)初始化文件增加高電壓穿越使能開關，用于開啟和關閉高電壓穿越功能。設置為RLE開啟設置為FALSE關閉。

b)當網(wǎng)側(cè)電壓升高，機組進入高電壓穿越，屏蔽機組相關故障。

3.1.2 變流器程序升級

更新變流程序，通過控制網(wǎng)側(cè)變流器吸收無功抑制網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電驟升，繼而保證風電機組在電網(wǎng)電壓驟升期間可以不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

3.1.3 變槳系統(tǒng)程序

目前部分變槳系統(tǒng)已具備高穿能力，變槳系統(tǒng)程序的升級僅針對不具備高穿能力的風電機組進行選擇性升級。

硬件改造方面，主要針對部分老舊機型，對變槳系統(tǒng)和變流器控制系統(tǒng)硬件改造。

b)變流器控制系統(tǒng)：更換大量程測量板，crowbar或chopper的驅(qū)動板，更換防雷的浪涌保護器。

其他改造技術：在直流母線上加裝儲能單元；在電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)或串聯(lián)1套輔助設備（如STATCOM，DVR等）。

3.2 風電機組高電壓穿越改造費用預估

通過對風電機組高電壓穿越改造情況進行調(diào)研，風電機組高電壓穿越改造主要分為按1.3倍額定電壓（1.3p.u.，500 ms） 高穿改造和按1.2倍額定電壓（1.2p.u.，200 ms） 高穿改造兩大類。

3.2.1 直驅(qū)風電機組高電壓穿越能力改造

按1.3倍額定電壓進行高電壓（1.3p.u.，500ms）穿越能力改造，通過軟件升級可實現(xiàn)改造目標的機型，單臺改造費用約1.5～2萬元/臺（質(zhì)保期內(nèi)免費），改造周期約3～4 t/臺；對于同時進行軟件升級和硬件改造方可實現(xiàn)改造目標的機組，單臺改造費用約3～4萬元/臺（質(zhì)保期內(nèi)免費），改造周期約5～6 t/臺。

按1.2倍額定電壓進行高電壓（1.2p.u.，200ms）穿越能力改造，通過軟件升級可實現(xiàn)改造目標，單臺改造費用約1萬元/臺，改造周期約3～4 h/臺。

3.2.2 雙饋風電機組高電壓穿越能力改造

按1.3倍額定電壓進行高電壓（1.3p.u.，500 ms）穿越能力改造，需要對風電機組同時進行軟件升級和硬件改造，單臺改造費用約6～10萬元/臺（質(zhì)保期內(nèi)免費），改造周期約3～4天/臺。

中國是全世界陶瓷工藝最先進的國家，也是陶瓷藝術體系最龐大的國家，中國人生活的時時處處都有陶瓷，除了日常應用之外，陶瓷的質(zhì)地、顏色、圖案以及陶瓷本身代表的社會文化，也是人們選擇陶瓷的主要原因，因此，陶瓷作為用品同時也作為裝飾生活的藝術品存在著。隨著全球經(jīng)濟和文化的交流互融，陶瓷作為裝飾品的藝術價值在全球范圍內(nèi)被認可，國外藝術家和手工業(yè)者也在進行陶瓷藝術作品創(chuàng)作，例如日本和英國等具有較為悠久的陶瓷制作工藝歷史的國家，但是，陶瓷裝飾藝術發(fā)展的核心始終在中國，從仰韶文化開始的陶瓷藝術，在當代裝飾藝術領域有著不可替代的位置，中國陶瓷的傳統(tǒng)用料與現(xiàn)代手工藝術創(chuàng)作的結(jié)合，使陶瓷裝飾藝術的影響力進一步擴散。

按 1.2倍額定電壓進行高電壓 （1.2p.u.，200 ms）穿越能力改造，通過軟件升級可實現(xiàn)改造目標，單臺改造費用約1萬元/臺，改造周期約 3～4 h/臺。

根據(jù)2018年—2020年直流近區(qū)風電機組暫態(tài)壓升校核計算結(jié)果，當換流站發(fā)生換相失敗時引起的風電機組暫態(tài)壓升滿足1.2p.u.＜U≤1.3p.u.時，已投運的5座風電場涉及裝機容量1 146 MW，共計671臺直驅(qū)型風電機組，需要按1.3倍額定電壓進行高電壓（1.3p.u.，500 ms） 穿越能力改造，使其滿足表2所示的風電機組高電壓穿越運行時間要求，假設風電機組需要同時進行軟件升級和硬件改造，按照單臺改造費用上限4萬元計算，完成全部改造費用共計2 684萬元。

根據(jù)2018年—2020年直流近區(qū)風電機組暫態(tài)壓升校核計算結(jié)果，當換流站發(fā)生換相失敗時引起的風電機組暫態(tài)壓升達到1.1p.u.＜U≤1.2p.u.時，已投運的9座風電場涉及裝機容量1 097.5 MW，共計626臺風電機組。其中81臺為直驅(qū)風電機組，其余545臺均為雙饋風電機組，需要按1.2倍額定電壓進行高電壓（1.2p.u.，200 ms） 穿越能力改造，使其滿足表1所示的風電機組高電壓穿越運行時間要求。按照單臺改造費用1萬元計算，費用共計626萬元。

3.3 2019年—2020年新建風電場高電壓穿越能力要求

2019年—2020年預計投產(chǎn)的3座風電場涉及裝機容量150 MW需要滿足高電壓（1.2p.u.，200 ms）穿越能力要求；4座風電場涉及裝機容量270 MW需要滿足高電壓（1.3p.u.，500 ms） 穿越能力要求。

3.4風電機組高電壓穿越能力檢測與驗收建議

基于上述的研究分析結(jié)果，針對風電機組的高電壓穿越能力檢測與驗收提出如下建議。

a)不滿足相關標準要求的已投運風電場應在限期內(nèi)完成風電機組高電壓穿越能力改造。

b)規(guī)劃的新建風電場應在接入系統(tǒng)方案中明確風電機組的高電壓穿越能力要求。

c)改造完成后風電企業(yè)應委托具備相應資質(zhì)的檢測機構(gòu)進行檢測并出具風電機組的高電壓穿越能力檢測報告，以保證風電機組的高電壓穿越能力滿足運行要求。

d)改造及新建風電場應向相應管理機構(gòu)提交滿足高電壓穿越能力要求的檢測報告。

4 結(jié)論

雁淮直流近區(qū)風電機組高電壓穿越能力研究在廣泛調(diào)研、查閱相關文獻的基礎上，通過仿真計算雁淮直流近區(qū)風電場風電機組近期（2018年）和遠期（2020年）的暫態(tài)過電壓水平，確定了直流近區(qū)需要進行高電壓穿越能力改造的風電場范圍，提出了相應的改造建議，并完成了改造費用估算。同時對直流近區(qū)2019年—2020年預期投產(chǎn)的風電場提出了高電壓穿越能力具體要求，并提出了風電機組高電壓穿越能力檢測與驗收建議，對于后期開展風電機組高電壓穿越能力改造具有指導意義。