風(fēng)電機組高電壓穿越技術(shù)要求與技術(shù)改造要點分析

（寧夏電投新能源有限公司，寧夏 吳忠 751900）

無論是從發(fā)展趨勢、現(xiàn)實要求還是從技術(shù)層面分析，電能替代其他不可再生能源消耗，是我國當(dāng)今能源發(fā)展的趨勢，符合我國國情。目前，我國的電力生產(chǎn)主要依靠火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、核動力發(fā)電等幾種方式。在這些發(fā)電方式中，風(fēng)電逐漸成為我國電力輸出的主力軍，繼火力發(fā)電、水力發(fā)電之后成為我國第三大電源。

1 現(xiàn)今風(fēng)電機組系統(tǒng)存在的問題

風(fēng)電機組在我國近十幾年間發(fā)展迅速，但在發(fā)展過程中依舊有許多不足之處。2016年新修訂的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963—2016）充分考慮我國現(xiàn)今風(fēng)電機組的實際技術(shù)水平和風(fēng)電發(fā)展規(guī)模，為了更好地促進我國電力行業(yè)的發(fā)展，該技術(shù)規(guī)定對風(fēng)電機組耐壓、耐頻、調(diào)壓、調(diào)頻等的相關(guān)技術(shù)要求比較低。風(fēng)電場的建立受很多外在因素和內(nèi)在因素影響，電網(wǎng)如果發(fā)生故障，風(fēng)力發(fā)電儀器設(shè)備的響應(yīng)特性對發(fā)電的影響不能忽視。所以，風(fēng)電涉網(wǎng)特性的升級改造是風(fēng)電機組建設(shè)的重點，其主要目的是提升風(fēng)電并網(wǎng)特性，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的實時能量平衡，保證穩(wěn)定的電壓、電流和消納水平。提升風(fēng)電并網(wǎng)特性，能夠保證電網(wǎng)在短期故障時平穩(wěn)運行、不發(fā)生脫網(wǎng)現(xiàn)象，減少故障發(fā)生面積[1]。

就目前技術(shù)而言，風(fēng)電機組投運主要存在三個問題。一是電壓穩(wěn)定性問題，新能源機組與系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)不能很好參與進來，投運時功率有較大波動，不能保證風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行，加大了電壓穩(wěn)定的難度。二是頻率的穩(wěn)定性問題，并網(wǎng)運行的新能源機組與系統(tǒng)的調(diào)頻設(shè)備不能很好協(xié)作，造成電力系統(tǒng)備用容量增大，進而使調(diào)頻壓力增大。三是電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題，電力系統(tǒng)受到大干擾，會降低系統(tǒng)的有效轉(zhuǎn)動慣量，從而降低電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2 高電壓故障發(fā)生的根源

2.1 直流特高壓電網(wǎng)的高電壓故障發(fā)生根源

直流特高壓電網(wǎng)投運后，直流輸電會出現(xiàn)很多故障。當(dāng)故障出現(xiàn)后，直流特高壓電網(wǎng)會出現(xiàn)兩種故障形態(tài)，分別是換相失敗和直流閉鎖。換相失敗在直流特高壓電網(wǎng)上表現(xiàn)為直流功率瞬間跌至為零，技術(shù)人員排除故障后，直流功率又能迅速恢復(fù)正常，在故障排除及時的情況下，這種現(xiàn)象一般持續(xù)200 ms左右。出現(xiàn)換相失敗后，特高壓電網(wǎng)直流從受端到送端的電流傳遞受阻，會造成送端環(huán)流母線電壓急劇降低，故障排除后，直流電流傳遞需要時間，直流無功補償，將會涌入交流電網(wǎng)，出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，形成直流閉鎖。在故障順利排除后，換相失敗造成的直流功率短時中斷能夠迅速恢復(fù)，而一旦發(fā)生直流閉鎖，這種現(xiàn)象是不可逆的，一般發(fā)生于較大的電網(wǎng)事故，會造成直流不能運行。例如，2018年3月22日，巴西發(fā)生的特大停電事故就是直流閉鎖造成的，這次停電事故造成巴西北部和東北部至少14個州供電中斷，共造成18 000 MW負荷損失，巴西境內(nèi)有大約四分之一的用戶停電。

2.2 風(fēng)電場高電壓故障發(fā)生根源

風(fēng)電場高電壓故障發(fā)生的主要原因是電壓過高，電壓過高的主要原因是無功補償方式的不科學(xué)或投入電容量不合理。國內(nèi)風(fēng)電場主要采用過補償?shù)臒o功補償方式，這種過補償?shù)姆绞讲蝗菀卓刂骑L(fēng)電場的電壓，造成風(fēng)電場電壓偏高。投入電容量不合理是由于風(fēng)電場出現(xiàn)低電壓造成高電壓故障。在風(fēng)電負荷較高或處于滿發(fā)狀態(tài)時，風(fēng)電場電壓偏低，變電站技術(shù)人員需要向風(fēng)電場內(nèi)投入一定量電容來提高風(fēng)電場系統(tǒng)的電壓。電容量一般采用人工投入方式，投入量沒有經(jīng)過科學(xué)計算，一旦投入過多會導(dǎo)致電容過調(diào)，而對端風(fēng)電場升壓站如果開始調(diào)節(jié)無功補償裝置升壓，兩端電壓比較高，會導(dǎo)致此節(jié)段風(fēng)電機組接入的饋線網(wǎng)絡(luò)整體電壓高出正常值，導(dǎo)致風(fēng)電機組無法耐受系統(tǒng)過高電壓而發(fā)生脫網(wǎng)事故。一旦局部風(fēng)電機組脫網(wǎng)，風(fēng)電場高電壓系統(tǒng)側(cè)變電站沒有及時采取應(yīng)急措施，風(fēng)電機組脫網(wǎng)會蔓延整個區(qū)域。

3 風(fēng)電機組高電壓穿越技術(shù)要求

風(fēng)電機組高電壓的穿越技術(shù)是指在電網(wǎng)發(fā)生故障或外力擾動使電壓不穩(wěn)定升高時，在故障發(fā)生的一定時間內(nèi)和一定電壓區(qū)間內(nèi)，保證風(fēng)電機組不會脫網(wǎng)還能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。風(fēng)電機組各設(shè)備可以滿足高電壓耐受要求，在110%～130%額定電壓（Un*MERGEFORMAT）范圍內(nèi)通過軟件控制實現(xiàn)風(fēng)電機組高電壓穿越，對穿越過程進行全程實時監(jiān)測，實現(xiàn)穿越過程的可控，保證風(fēng)電機組系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。其穿越的要點是依靠變流器動態(tài)無功控制，利用設(shè)備形成的正向電壓降，從而實現(xiàn)風(fēng)電機組高電壓的穿越。

3.1 基本技術(shù)要求

我國新修訂的《風(fēng)電機組高電壓穿越測試規(guī)程》（NB/T 31111—2017）對風(fēng)電機組高電壓穿越技術(shù)的要求如下：風(fēng)電機組電壓升高至110%額定電壓時，能夠連續(xù)不脫網(wǎng)運行；風(fēng)電機組電壓升高至1.15Un*MERGEFORMAT時，能夠連續(xù)不脫網(wǎng)運行10 s；風(fēng)電機組電壓升高至1.2Un*MERGEFORMAT時，能夠連續(xù)不脫網(wǎng)運行2 000 ms；風(fēng)電機組電壓升高至1.25%Un*MERGEFORMAT時，能夠連續(xù)不脫網(wǎng)運行1 000 ms；風(fēng)電機組電壓升高至1.3Un*MERGEFORMAT時，能夠連續(xù)不脫網(wǎng)運行200 ms。

3.2 電壓升高類型及考核電壓

當(dāng)風(fēng)電機組發(fā)生故障引起電壓升高時，風(fēng)電機組在一定電壓區(qū)間和一定時間內(nèi)使系統(tǒng)穩(wěn)定運行不脫網(wǎng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖1所示。電壓升高的主要類型有兩種，一種是三相對稱電壓升高，還有一種是兩相不對稱電壓升高。它們的考核電壓均為風(fēng)電機組測試點線電壓。

3.3 有功恢復(fù)

電壓升高需要及時切出電網(wǎng)的風(fēng)電機組，如果沒有及時切出，等故障排除后，應(yīng)將風(fēng)電機組的有功功率快速恢復(fù)至故障前實際的輸出功率。

3.4 動態(tài)無功支撐能力

當(dāng)風(fēng)電機組電壓升高（保持在110%～130%額定電壓）時，風(fēng)電機組應(yīng)具備電壓升高的快速響應(yīng)，并通過無功電流注入使電壓快速恢復(fù)正常。

圖1 風(fēng)電機組高電壓穿越技術(shù)要求

4 風(fēng)電機組高電壓穿越技術(shù)改造要點

4.1 高電壓穿越實現(xiàn)原理

一次設(shè)備和二次設(shè)備均在滿足耐壓條件的前提下進行變流設(shè)備的無功控制，利用設(shè)備形成的正向電壓降，從而實現(xiàn)風(fēng)電機組高壓電的穿越。風(fēng)電機組升壓站按照無功交換截零的控制方式，調(diào)節(jié)無功補償裝置升壓達到0.1Un*MERGEFORMAT，升壓變壓器高側(cè)壓達到1.3Un*MERGEFORMAT時，低側(cè)壓應(yīng)在1.2Un*MERGEFORMAT左右。

4.2 高、低電壓穿越對比

高、低電壓穿越故障暫態(tài)過電壓時，高電壓的電壓變化幅度小，ΔU*MERGEFORMAT≤0.3Un*MERGEFORMAT，低電壓的電壓變化幅度大，ΔU*MERGEFORMAT≤0.8Un*MERGEFORMAT；高、低電壓穿越故障暫態(tài)過電壓時，高電壓風(fēng)電機組能量可以正常輸出，低電壓風(fēng)電機組能量不能正常輸出，兩者相比風(fēng)電機組高電壓穿越技術(shù)難度較低。

4.3 電氣元件高電壓耐受要求

要想實現(xiàn)風(fēng)電機組高電壓穿越，首先要保證風(fēng)電場內(nèi)各種設(shè)備系統(tǒng)（一次設(shè)備、二次設(shè)備）均符合高電壓的耐受要求。全部一次設(shè)備和完成低電壓穿越UPS供電改造的二次設(shè)備供電系統(tǒng)要具備耐受1.3倍高電壓的能力。變流器內(nèi)功率器件是風(fēng)電機組重要的電氣元件，其高電壓的耐受要求較高，最大耐受值為1.33Un*MERGEFORMAT。風(fēng)電機組主要電氣元件的高電壓耐受要求如表1所示。

表1 風(fēng)電機組主要電氣元件的高電壓耐受要求

4.4 主控系統(tǒng)高電壓穿越控制要點

風(fēng)電機組實現(xiàn)高電壓穿越的前提是需要變流器和主控系統(tǒng)的相互配合，主控系統(tǒng)內(nèi)的實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到電壓升高信號后，主控系統(tǒng)要開啟自我保護機制，繪制電網(wǎng)高電壓穿越保護曲線，屏蔽與高電壓相關(guān)的故障，待故障排出后，恢復(fù)正常功能。

4.5 風(fēng)電機組無功調(diào)節(jié)技術(shù)要求

風(fēng)電機組接收到電壓升高信號后，能在1 s內(nèi)快速調(diào)節(jié)無功輸出，參與到電網(wǎng)調(diào)壓中，無功功率調(diào)節(jié)誤差應(yīng)控制在±0.02Pn*MERGEFORMAT以內(nèi)，同時主控系統(tǒng)還應(yīng)開放無功指令控制端口，能夠有效接收協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的無功控制指令,從而能更快做出反應(yīng)，迅速參與電網(wǎng)調(diào)壓，在風(fēng)電機組Qmin*MERGEFORMAT～Qmax*MERGEFORMAT無功處理范圍內(nèi)實現(xiàn)無功調(diào)壓，使系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常。

5 結(jié)語

風(fēng)電機組高電壓穿越技術(shù)可以在可控范圍內(nèi)保證風(fēng)電機組系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，降低故障發(fā)生面積，減少資源的不必要浪費，在短時間內(nèi)找出故障發(fā)生原因并及時修復(fù)，避免發(fā)生風(fēng)電機組脫網(wǎng)事故，保證風(fēng)電機組的正常運行。