海上风电工程受电启动带负荷试验新方法的研究与应用

梁海东，汪冬辉，王达峰，陈志力，张俊臣，贺 军

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国电电力浙江舟山海上风电开发有限公司，浙江 宁波 316000）

0 引言

海上风电代表着风力发电技术领域的前沿和制高点，是风电市场重点关注的发展方向，也是我国战略性新兴产业的重要组成部分[1-5]。我国可供开发的海上风能丰富，且场址多靠近负荷中心，海上风电的开发利用不仅是风电产业向纵深发展的关键一环，也是带动我国相关海洋产业协调发展的有效途径，具有重要的战略意义。“十二五”规划提出：到2020年，海上风电总装机容量将达到 3 000万 kW[6-11]。

海上风电工程陆上计量站及海上升压站受电启动标志着分步试运工作的开始，能否早日受电将直接影响后续调试工作的进度和质量。因此根据现场具体情况和调试任务的要求，应尽可能利用现场已具备受电能力的设备完成试验，为试运工作奠定基础，为缩短试运工期创造条件[12]。在受电启动阶段，参考相关设备规程要求[13]，陆上计量站及海上升压站设备均需要做带负荷试验。电力系统通常采用站用电、电动机、无功补偿设备等作为带负荷试验的临时负荷[14]。由于海上风电工程在环境及主接线等方面的特殊性[15-17]，无法使用上述设备开展带负荷试验。因此，受电启动期间如何在海上升压站开展带负荷试验是亟需解决的技术问题。

1 海上风电工程带负荷试验现状分析

1.1 带负荷试验简介

在陆上计量站及海上升压站受电启动阶段，根据电力工程启动试验规程要求，需要通过带负荷试验对一次设备、二次回路、计量仪表、继电保护及自动化装置进行整套校验[18-21]。试验可以在安全的条件下，既完成一次设备的基本性能检验，也完成全站二次回路的完整性校验，检查PT（电压互感器）、CT（电流互感器）极性的正确性，确保后期其他试验过程中仪表读数正确、保护功能可靠。试验对负荷电流的幅值有一定的要求，电流过小时计算相位会产生较大误差，无法满足试验要求。

1.2 现状分析

目前海上风电场通常在多机并网后，满足试验要求时开展海上升压站的带负荷校验。但是由于无法在风力发电机组（以下简称“风机”）并网前开展带负荷试验，将产生如下不利影响：

（1）海上风电工程的施工进度受海况、天气等诸多因素影响。如果风机安装台数及海缆施工情况不具备带负荷试验条件，或当前风力无法满足带负荷试验所需的最低功率要求，必须推迟海上升压站带负荷试验时间，从而影响站用电的可靠运行。同时需要长期投入柴油发电机作为施工电源，增加了成本。

（2）并网前未做带负荷试验将导致联络线线路保护、海上升压站母线、主变压器（以下简称“主变”）和电抗器的主保护退出运行，临时保护长期单套运行，一次设备的保护配置不全，存在严重安全隐患。

（3）无法保证CT二次回路的完整性和正确性。

（4）风机的监控系统组态和调试工作是在风机并网后进行的，在风机监控系统信息不全的情况下对风机进行并网，若风机与海上升压站同时出现异常情况，将加大故障排除范围，延长故障清除时间。

1.3 现有带负荷试验方法分析

目前带负荷试验在火力发电厂、水力发电厂、变电站启动等常规启动项目中广泛开展，已形成一整套成熟的技术体系。带负荷试验常用的负荷有：厂/站用电、电容/电抗器、电动机等。但受限于海上风电工程的特性，上述负荷均无法直接采用。

海上风电场面临的情况是：站用电负荷最大的情况下，可用功率仍无法满足海上升压站的受电启动带负荷试验要求，例如，国电舟山普陀6号海上风电场2区工程，风电场拟安装63台单机容量为4.0 MW的风机，总装机容量约252 MW。海上升压站配置2台额定容量均为140 MVA的220 kV主变，额定电压为230/35 kV，主变低压侧单母单分段接线，35 kV两段母线上各配置1台35 kV电抗器（容量1.3 Mvar）、1台接地兼站用变压器（容量800 kVA）、1台柴油发电机组（容量1 600 kVA），站用电负载主要为除湿机、空调、照明等。海上升压站220 kV联络线保护、220 kV母差保护、220 kV主变保护高压侧配置的CT变比均为1 000/1。为保证测量仪器、保护及自动化装置、电能表以及AGC/AVC（自动发电控制/自动电压控制）等设备具有足够的校验精度，要求带负荷试验的二次电流不小于20 mA，折算至220 kV侧的一次电流约20 A，折算至35 kV侧的一次电流约130 A。因此带负荷试验所需功率必须大于8 MW，而正常运行期间实测站用电负荷约为0.3 MW，35 kV电抗器、柴油发电机及站用电负载均无法满足试验要求。

对于风机改电动机运行方式，在大风情况下，由于桨叶调整角度不可控，容易造成风机超速甚至飞车，导致机组严重损害，因此不具备可行性。

安装电容器作为负荷的方案也面临两个方面的问题。第一是受海上的运输时间、运输船条件、海上平台的吊装条件、海上升压站的安装空间、临时电缆布置及海上平台安装处的载荷量等因素的影响。第二是受电气容量、临时电容器接入电压等级及接入间隔等因素影响，通常无法直接使用通用型号的电容器。因此该方法也不具备可行性。

通过以上分析可知，受限于海上风电工程的特殊性，传统带负荷试验方法均不可行。因此本文提出了一种具有实际应用价值的新型海上风电工程带负荷试验方法。

2 海上风电工程受电启动带负荷试验新方法

为解决上述问题，本文提出了一种换流器无功补偿运行方式的海上风电工程受电启动带负荷试验方法。该方法具有操作简单、安全性高、无需额外增加试验设备等优点。

2.1 风机无功输出能力分析

目前海上风电工程为了增大容量和提高效率，普遍采用以下3种风机[22-26]：

（1）双馈风机：有齿轮箱，发电机采用绕线式异步电机，在转子和电网之间接入部分功率交-直-交换流器。

（2）直驱风机：无齿轮箱，发电机采用同步电机，在定子和电网之间接入全功率交-直-交换流器。

（3）异步风机：有齿轮箱，发电机采用鼠笼式异步电机，在定子和电网之间接入全功率交-直-交换流器。

典型风机换流器结构如图1（a）所示，Lf为电感元件，if为交流电流，U0为交流电压，Cf为电容元件，iinv为网侧换流器交流电流。

换流器控制策略如图1（b）所示，Udc为直流电压；igd为电流直轴分量；igq为电流交轴分量；Us为电网电压；ugcd为调制电压直轴分量；ugcq为调制电压交轴分量；θg为交流电压相角；ua，ub，uc为交流三相电压；ω为电角速度，Lg为等效电感；上述符号中右上角带“*”表示该电气量的参考值。

上述3种风机使用发电机侧换流器实现发电机本体的控制，使用电网侧换流器实现恒频输出。其中网侧换流器采用有功、无功解耦控制策略，设置功率外环和电流内环控制。通常为了简化控制逻辑，有功功率采用定直流侧电压方式，无功功率采用定无功电流或定无功功率方式，有功、无功独立可控。因此理论上电网侧换流器可以单独运行，通过修改无功电流或无功功率的给定值，进入无功补偿运行方式，实现无功的输入或输出。

图1 典型风机换流器结构及控制策略

2.2 带负荷试验技术分析

根据网侧换流器的特性，研究了一种新的带负荷试验方法。利用海上风电场内已经安装的风机换流器，获得海上升压站和陆上计量站受电启动带负荷试验所需的负荷电流。

风机正常运行时，发电机侧换流器和电网侧换流器均处于解锁状态，异步和直驱风机的有功功率从发电机侧经过换流器流向电网，换流器不与电网交换无功功率；双馈风机的有功功率从发电机定子侧直接流向电网，转子侧通过换流器与电网交换一部分有功功率，发出或吸收取决于双馈风机的工作状态，换流器不与电网交换无功功率。

3种典型的风机正常运行状态如图2（a）所示。风机处于带负荷试验状态时，发电机本体停运，发电机侧换流器闭锁，电网侧换流器解锁，对于双馈风机须将发电机定子与电网隔离。通过修改电网侧换流器的控制参数，使其工作在无功补偿运行方式下。通过修改无功电流或无功功率给定值，控制每台换流器吸收或发出的无功功率。

3种典型的风机带负荷试验状态如图2（b）所示。根据带负荷试验所需电流大小以及各台风力发电机组换流器的容量，试验时可灵活选择投入换流器的台数并控制每台换流器发出或吸收的无功功率，从而提供带负荷试验需要的负荷容量。

3 带负荷试验新方法工程应用

3.1 具体实施方式

具体试验步骤如下：

（1）调整交流系统运行方式，如果试验中需要使用双馈机组，需要将定子和电网隔离。

（2）通过外接电源预热换流器。

（3）换流器充电。

（4）集电线及风机升压变充电完成后，检查换流器控制系统状态是否正常，将其切换为就地控制模式，并在就地激活网侧换流器手动无功给定模式。

（5）强制风力发电机组网侧断路器储能，完成后合上该断路器，此时网侧换流器交流侧有压。

（6）就地启动网侧换流器，检查换流器当前实际输出是否为零。

图2 3种典型的风机换流器不同工作状态示意

（7）开放无功电流给定值的限幅，根据试验需求在每台投入试验的换流器上输入无功参考值，检查各台换流器的给定值与实际输出的无功功率是否一致。检查待试设备上流过的负荷电流幅值是否与计划一致。

（8）电流满足试验要求后，对一次设备、二次回路、计量仪表、继电保护及自动化装置进行整套校验。

（9）整套校验完成后，停运换流器，恢复换流器参数，恢复系统运行方式，带负荷试验完成。

3.2 工程应用情况

本方案首次在国电舟山普陀6号海上风电场2区工程得到应用，圆满完成受电启动带负荷试验，验证了该方案在海上风电工程中的应用效果。试验时2台4.5 MVA全功率换流器提供8 Mvar无功功率，此时35 kV集电线实测的三相电压、电流波形如图3所示。

图3 带负荷试验时实测的电压电流波形

由图 3（a）与图 3（b）可知， 带负荷试验过程中三相电压与电流波形均为50 Hz正弦波，波形连续且对称。带负荷试验时实测的电压电流向量如表1所示，三相正序分布，相位顺次相差约为120°；三相电压向量对称，幅值相同，电压不平衡度在允许范围，相电压有效值约为20.9 kV；三相电流大小相同且相位对称，有效值约为124 A，波形连续且平稳，波形未发生过度畸变，仅含有少量高次谐波电流分量。如图3（c）所示，基波电压超前电流约90°，呈感性无功，如果待校设备需要更大负荷电流，可将无功调整至容性，与海缆对地电容效应相互叠加。电气量特性满足带负荷试验的要求。

本方案无需额外设备，仅利用风机本身的换流器实现试验负荷的调节，可控性强，操作简单，流程清晰，可靠性高。按照上述的海上风电工程实例，对于220 kV海上升压站的常规配置，只需投入数台换流器即可满足校验需求，人员、设备成本均远远低于其他方案。

表1 带负荷试验时电压电流向量

4 结语

本文提出了一种利用换流器无功补偿的新型海上风电工程受电启动带负荷试验方法，首次在风机并网前实现了海上升压站及陆上计量站受电启动带负荷试验。该方法利用现场已有设备，在不增加调试成本的情况下完成了试验，降低了后期机组的并网风险，提升了调试质量，缩短了试运工期，对海上风电工程建设及调试具有实际应用价值。