一种新型海上风电并网检测技术

许 潇，马晓春，訾振宁

（1.北京交通大学 北京 100044；2.国网智能电网研究院 北京 102200）

经济全球化和工业经济进程不断加速发展的同时，能源紧缺、气候环境问题也日益突出，以风能为代表的可再生能源发电技术得到迅速发展。风能的开发利用可在陆地和海洋进行，相比陆上风电，海上风电具有众多独有的优点，如：节约土地，降低噪声，发展空间大，海风能资源丰富，端流强度低，海水表面粗糙度低，风电机组疲劳载荷少，设备使用寿命延长[1]；风切较小，可降低塔筒高度，降低风电机组的成本。许多沿海国家已将海上风电作为新的重点发展方向。根据我国“十二五”可再生能源规划，2015年我国海上风力发电规划装机将达到500万千瓦。

风电场机组的并网性能是影响电网安全稳定运行的最主要因素。国际上，掌握风电并网检测技术组织机构非常少，技术保护严格[2]。国内的海上风机研发起步时间不长，借助了国外技术经验，起点不低，但具备并网检测能力的机构，仅国家风电技术与检测研究中心一处。国家电网公司发布的<<风电场接入电网技术规定＞＞，明确提出“风电场内的风电机组应具有在并网点电压跌落至额定电压20%，能够维持并网运行0.625 s的低压穿越能力”。2011年2月，酒泉、张北风电基地发生大规模风电脱网事故，使得风机的并网检测成为参标的必要条件。目前，张北国家风电并网检测基地共可进行五项检测，分别是电网适应性、电气模型、电能质量、功率调节能力及低压穿越，其中低压穿越能力是并网运行必备的检测项目。现有的风发系统低电压穿越测试装置方案为：阻抗分压形式、变压器形式和电力电子变换形式。新疆分布式电源检测中心采用电力电子变换形式的电压扰动装置，由背靠背电压源变流器（VSC）组成，网侧VSC进行三相PWM整流，机侧VSC实现电压扰动功能。张北检测中心的35 kV/6 MVA固定电压跌落发生装置，采用阻抗分压方式，可模拟电网的电压跌落、恢复过程以及对称和不对称故障。但是，目前的并网检测都只能做低压穿越、故障短路等简易试验，相当部分的检测项目只能根据自然界的工况进行，往往一台风机的检测需要几个月时间，一次侧工况完全取决于电网运行工况，无法做全面项目检测，不能检测出风机的全部功能。相比陆风检测，海风发电机组由于工作环境较为恶劣，检修维护监控都较为困难，一般在海上并网运行前，需先在陆地试运行并检测一段时间。

本文主要开展海上风电发电系统建模与仿真研究，提出一种新型发电系统检测方案，实现对海上风电独立电力系统输出特性的关键指标和系统保护特性的检测和记录；同时，对海上风电发电出力特性、发电效率及输出电能质量等关键性能参数的统计分析。最后，外围加入仿真机模块，用于检测发电系统的控保系统。由于海风与陆风差别较大，将海风机组移至内陆检测容易造成工况失真，而大功率检测设备不易移动至海上现场检测。因此，本文提出一种小功率移动式海风并网检测系统，仅一套系统，即可对小功率海风系统一次设备及控保设备进行直接检测，亦可对大功率海风系统二次侧进行仿真并网检测。

1 海上风电并网技术

1.1 海上风电并网的两种线路方案

当前海上风电并网主要使用高压交流（HVAC）线路或者基于VSC的高压直流输电（HVDC-VSC）线路。距离低于70～80 km的海上风电场，主要使用HVAC线路并网[3]。HVAC是一门较为成熟的技术，采用提高线路输送电压的方法可以有效减小线路损耗。但是在线路传输过程依旧会产生较大量的无功损耗，所以线路需要无功补偿装置。距离海岸较远或者容量较大的风电场主要使用基HVDC-VSC线路并网。HVDC输电具有无感抗容抗，无同步问题等优点[4]。HVDCVSC全控器件电流可自关断，工作在无源模式，克服了传统HVDC必须工作在有源网络下的根本缺陷。HVDC线路同时具有故障穿越能力，陆上扰动对海上电网的影响很小[5-6]。

1.2 海上风电并网影响

风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性导致风电机组输出功率的波动,产生诸多电能质量问题。当前海上风力发电机组大多采用软并网方式,启动时会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时,风机会从额定出力状态自动退出运行，从而引起电压波动和闪变[7]。风力发电机本身配备的电力电子装置也会给系统带来谐波问题。同时，海上风电的发电功率和发电量皆不稳定，输出功率不恒定值。当风速变动大的时候会使其输出有功功率波动，导致个地区的风电所占份额过大。而有功频率变动过大会导致频率崩溃，使得整个电网瘫痪[8]。

2 系统设计

本文主要针对海上风电发电机组设计一套690 V，1.5 MW的检测平台,于海风机组发电输出口处，模拟负荷运行，主要用于检测HVAC线路的并网设备的主要性能。测试系统设计结构图如图1所示。

图1 海上风电独立电力测试系统结构图Fig.1 The offshore wind power grid-connected detection structure diagram

该检测平台系统分为3大模块，分别是是电能质量检测模块，可控负载模块以及短路模拟模块。分别用于检测风电场的电能质量、发电出力品质、继电保护系统。风电机组经过整流电路输出直流，通过储能元件储能，再经过逆变器逆变成三相交流电，然后连接可控负载进行负载实验，最后连接短路模拟模块进行短路实验。

电能质量检测模块包含后台机、控制器和电能质量在线监测仪，能够完成人机交换、数据检测、负载调节命令下发、短路模拟命令下发、电能质量监测，是检测平台的核心部分。图1中，A点为直流电压测试点，B点为交流电压测试点以及电能质量监测点。利用电能质量在线监测装置，实现对系统输出电压与电流的谐波、电压偏差、电压波动和闪变、电压不平衡、频率偏差、功率因数等进行检测、记录分析，从而对发电系统进行电能质量检测。

负载调节模块采用最先进的晶闸管控制阻抗分压形式，来调整负载支路的不同组合实现负载的阶梯调节，根据负载的变化可以检测逆变器输出动态特性。如图2所示，负载采用电阻、电感和电容组合成可控负载。电阻分为5个支路，电感和电容分别为4个支路，容量按照8421编码设计，可进行16级阶梯式调节，其中电阻1条支路通过开关控制投切，其余支路通过晶闸管过零投切。针对海上风电发电系统出力的波动性和间歇性[9]，可调节可控负载中的电阻、电容及电抗值，可以模拟实际负载的工作，检测各个发电装置的直流电压、电流，进而可得各个装置以及整个独立发电系统输出的实时出力。

图2 可控负载结构图Fig.2 Controllable load chart

短路模拟模块如图1所示，在短路模拟装置中，p、q经过低通滤波器(LPF)得到相应的直流安装3台大功率断路器，合上QS1时，模拟单相接地故障；合上QS2，模拟两相短路故障，合上QS3模拟三相短路故障，从而检测发电系统的保护性能。

外围加入仿真机模块，即可模拟电网产生接地、短路、重合闸、甩负荷、操作冲击、雷电冲击工况，检测控制系统的适应性能；在仿真机模型上建立负荷模型，并模拟负荷产生功率波动、启动冲击、负序、故障现象，检测保护系统的适应性能；在仿真机模型上建立电网、负荷模型，在对实际控制器进行操作时，人为制造控制器输出错误命令，考查对电网和负荷的影响。从而，检测海风发电系统控保系统的主要性能。

3 检测方法与主参数计算

3.1 谐波及无功检测方法

B点处的谐波及无功参数采用以瞬时无功理论为基础的p－q检测法，即将三相系统的电压及电流转换成α－β坐标系下的矢量，导出瞬时无功功率q之后通过低通滤波提取包含基频信息的直流量，再反变换就得到了基频分量，可导出谐波量[10]。 （见式(1)、(2)、(3))。

图3 p－q检测原理图Fig.3 p－q detection schematics

同时，断开图3中q的通道即可检测无功电流。此时,由p 可检测出 i的基波有功分量 iapf、ibpf、icpf，见式(5)。 再将与 i相减，得 i基波无功分量与谐波分量之和 iad、ibd、icd，从而可得基波无功分量 iap、ibp、icp。

3.2 可控负载设备参数

本文针对海上风力发电风电组（690 V 1.5 MW及以下）一次设备及控保设备进行入网检测，进一步计算可控负载模块设备参数及短路电流。

电阻用于消耗发电机的最大有功功率1 500 kW，按

考虑，可进行过载试验。电阻支路容量按照 编码设置，可以保证在电阻分级较少时步长较小，共分24级，步长为4.2%[11]。分为6条支路，电阻容量分别为78 kW，78 kW，156 kW，312 kW，624 kW，624 kW。电感与电容消耗系统感性无功，最大为 1 125 kvar,则支路容量为:75 kvar、150 kvar、300 kvar、600 kvar。发电机至逆变器处的等效短路阻抗近似认0.0051+j0.157Ω。计算短路电流时考虑在极端情况下，即不考虑储能装置储能，发电机在额定功率下出力，全部供给短路点，则有B点附近发生三相短路时，可得其短路电流初始值：2.64 kA，KG为阻抗修正因数

4 仿真分析

根据图1算例系统，依据《风电场接入电力系统技术规定》，分别对海风系统进行电能质量检测、负载试验以及短路试验PSCAD仿真。

依据国标电能质量检测要求，在线路A、B两点进行电能质量检测试验。如图4所示，B点处的三相电压，波形略带毛刺状，含有基波负序、零序以及各次谐波。

图4 线路B点处的三相畸变电压Fig.4 Three－phase voltage distortion at the point of transmission line B

负载试验满足国标对有功功率、无功功率及风电场运行适应性的检测要求。根据IEEE 1547分布式电源与电力系统互联标准，我国标准的海风电网频率和电压必须满足相应的规范，频率幅度50±0.2 Hz，电压变化幅度5%～7%。分别在理想状态和现场状态下，改变电网内部线路电抗，来改变并网电压差进行仿真分析，如图5～图8所示。

图5 较大并网电压差时的电压曲线Fig.5 Voltage curve for grid－connected microgrid with larger voltage difference

图6 理想状态较大并网电压差时的电压曲线Fig.6 Voltage curve for grid-connected microgrid with larger voltage difference in the ideal situation

图7 较小并网电压差时的电压曲线Fig.7 Voltage curve for grid-connected microgrid with smaller voltage difference

图8 理想状态较小并网电压差时的电压曲线Fig.8 Voltage curve for grid-connected microgrid with smaller voltage difference in the ideal situation

现场状态与理想状态的并网电压进行了仿真验证，并网后的负载并未变化，海风电网产生额外的功率流入大电网，但二者存在电压差及频率差。当电压相差过大时，在并网过程一段时间电压会突然下降并激烈震荡。因此，改变仿真条件，将海风发电系统采取VF控制风电源跟踪负荷变化，得到较高的电压和频率质量，此时海风电网与大电网电压差较小，较好得消除并网后的波形畸变，实现二者较平滑的无缝并网。

短路试验满足国标对低压穿越能力及故障类型的检测。在并网状态下，三相短路故障时对风电网内部的冲击如图9所示。由短路故障可以看出，在短路故障之后出现长时间低电压，易造成风电机组大规模脱网并海风电网内部负载将会产生很不利影响。目前风电场很多机组不具备低压穿越能力。因此，一方面海风电网内部需有应对因短路故障出现长时间低电压的方案，另一面对不具备低压穿越的风机需配备故障穿越装置。

图9 并网状态发生短路故障后电压曲线Fig.9 Post—fault voltage curve for grid—connected microgrid with short-circuit fault in the ideal situation

由于逆变后的电压波形电能质量指标较差，需采用电能质量设备（APF、DVR等）来进行谐波及无功治理[12]。最后，在加入仿真机模块后，测试装置可满足国标对风电二次控保系统的检测。

5 结束语

海上风电发电技术市场前景良好，是分布式电源、微网领域的重要组成部分，是未来的重要发展趋势。但海上风电并网易对电网运行影响较大，并且产生诸多电能质量问题，在其并网前需进行并网检测以对发电系统技术指标提出更高要求，并方便进一步提出电能质量治理方案。本文提出一种新型的海上风电并网检测技术，并根据实际工况进行了仿真实验。通过仿真，完成对海风发电的电能质量，有功功率、无功功率及风电场运行适应性以及低压故障穿越性能进行并网检测。同时，在外围加入仿真机模块后，能够模拟电网、负荷的各种工况和对控制器进行人为的故障制造控制，来检测控保系统的主要性能。本文提出的检测方案为促进我国海上风电检测认证体系的完善提供有益的参考，并可为后期海上风电测试与测试场建设提供技术指导。

[1]赵磊，巩源泉，吴树梁，等．海上风电技术初探[J]．风能世界，2011(26)：15-20．ZHAO Lei,GONG Yuan-quan,WU Shu-liang,et al.Preliminary exploration of offshore wind power technology[J].Wind Energy World，2011(26)：15-20．

[2]王徽，黄成力.海上风力发电技术[J].上海节能，2007(1)：23-26.WANG Hui,Huang Cheng-li.Offshore wind power technology[J].Shanghai Energy Conservation,2007(1)：23-26.

[3]郑漳华，艾芊．微电网的研究现状及在我国的应用前景[J]．电网技术，2008，32(16)：25-30．ZHENG Zhang-hua,AI Qian.Present situation of research on microgrid and its application prospects in china[J].Power System Technology,2008，32(16)：25-30

[4]王长贵，崔容强，周篁．新能源发电技术[M]．北京：中国电力出版社，2010.

[5]李杰，郭家虎，张焕伟，等．轻型直流输电在海上风力发电并网中的应用『J]．低压电器，2011(4)：30-39．LI Jie,GUO Jia-hu,ZHANG Huan-wei,et al.Application of voltage source converter high voltage direct current in offshore wind power’s grid access[J].Low Voltage Apparatus,2011(4)：30-39．

[6]李广凯，梁海峰，赵成勇，等．适用于风力发电的输电技术一轻型直流输电技术[J]．国际电力，2004，8(1)：32-40．LI Guang-kai,LIANG Hai-feng,ZHAO Cheng-yong,et al.HVDC light:a perfect technology for the connection between wind fields and power systems[J].International Electric Power for China,2004，8(1)：32-40．

[7]胡东,施刚,蔡旭 风电接入对海上油田平台电网稳定性的影响[J].电网技术，2009,33（9）10-15.HU Dong，SHI Gang，CAI Xu，Impact of wind power generator on stability of offshore oil platform power systems[J].Power System Technology，2009,33（9）10-15.

[8]林鹤云，郭玉敬，孙蓓蓓，等．海上风电的若干关键技术综述[J]．东南大学学报，2011，41(4)：782-800．LIN He-yun,GU Yu-jing,SUN Pei-pei,et al.Overview of offshore wind power key technologies[J].Journal of Southeast University，2011，41(4)：782-800．

[9]Lasseter R H.Microgrids[J].IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，2001(1)：140-148．

[10]Xiang Dawei,Ran Li,Tavner P J,et al.Control of a Doubly Fed Induction Generator in a wind Turbine during Grid Fault Ride-Through[C]//Proceedings of IEEE Power Engineering Society General Meeting,2006:18-22.

[11]杨文杰，曾德容.光伏发电接入微网运行控制仿真研究[J].电气开关，2011(1):48-51,54.YANG Wen-jie，ZENG De-rong.Imulation research on photovoltaic generation switching in the microgrid operation control[J].Electric Switchgear，2011(1):48-51,54.

[12]姚兴佳.风力发电测试技术[M].北京：电子工业出版社，2011.