海上风电风机远程送电的谐振问题分析与解决方案

摘要：海上风电因具有不占用陆上土地资源、风能利用效率高等诸多优势，随着海上风电场建设成本的下降，得到了迅速发展。目前，海上风电场的场内集电线路一般采用35 kV电压等级，风电机组采用一机一变的方式升压至35 kV，多台风电机组组合成一个联合单元后，再送入升压变电站。由于受外界系统故障的影响，系统恢复后，风机启机送电受风况和海浪制约，其可达性将决定损失电量的大小。现着重探讨远距离快速送电的并联谐振问题及可行的解决方案。

关键词：海上风电;送电;谐振;解决方案

0    引言

全球能源转型为海上风电发展提供了广阔的发展空间，我国“十三五”规划将建设4个千万千瓦级海上风电场。通过近十年的发展，海上风电投资逐步下降，建设速度逐步加快，积累了一定的海上风电场运行经验。目前，海上风电场的场内集电线路一般采用35 kV电压等级，风电机组采用一机一变的方式升压至35 kV，多台风电机组组合成一个联合单元后，根据远近再送入陆上升压变电站或海上升压变电站。近海海上风机的运维需要借助运维船舶，目前采用的运维船舶多由交通船改装，抗风等级6级，新型自航双体高速风电运维船，抗风等级可提升至7级，但仍然不能满足全天候作业条件，风机运维受到制约。尤其是在电网故障或站内设备故障时，如修复后面临连续大风天气，船舶避风无法恢复送电，则将遭遇巨大的电量损失，而通过远程停送风机电源，可以为风电场经济运行提供保障。

1    35 kV分支线路集中送电的谐振问题

1.1    故障停机事件

上海临港海上风电场位于南汇边滩的近海海域，场址区西侧距离岸线最近处约10 km，最远处约20 km，一期工程安装25台4 MW风机，二期工程安装28台3.6 MW风机。二期工程风机出口电压为0.69 kV，经过风电机组自带的箱变（3～35 kV）升至35 kV。28台机组分为4组，其中两组7台，一组6台，一组8台，同一组内的风电机组分支缆相连后与35 kV主海缆连接，所有风电机组通过4根主海缆接入岸上（35/220 kV）升压站，升压至220 kV后接入临港站。二期工程2018年曾发生电网220 kV送出电缆中间接头爆炸事故，抢修后，升压站恢复送电，但因为风况原因船舶无法出海，停机一周，损失电量约2 000万kWh。2018年10月4日，因主变压力释放阀动作跳闸，35 kV Ⅱ段母线失电，后查明原因并恢复送电，由于风况原因无法出海，35 kV风机组4条回路风机分别采取中控远程集中送电方式，前3条回路（#5回路、#6回路、#7回路）送电正常，风机陆续恢复启机，当送电至第4条回路（#8回路）时，回路开关跳闸，后经检查发现#8回路其中一台风机（#27）变压器损坏。

1.2    原因分析

#8回路陆缆经海缆转换井后由海缆主缆送电至#8回路第一台风机，再由分支海缆连入后续6台风机，由于海缆相间和对地电容较大，与风机主变并联，故障原因除主变本身绝缘因素外，发生并联谐振从而造成#27机主变损坏也是可能的原因。下面重点对可能发生并联谐振的情况进行分析。

海上风场采用的电缆为35 kV光纤复合海底缆（型号HYJQF41-26/35），登陆后转为陆缆（型号ZSFF-YJA-26/35）。三芯电缆电容分布其等效电路如图1所示，其相间电容可等效转换为对中性点电容。

一般电力电缆对地电容Cy和线间电容3Cx近似相等，即Cx≈1/3Cy，则换算后电缆一相对中性点电容C=2Cy，后文电容量均为换算后对中性点电容，变压器阻抗亦為换算后对中性点阻抗。

风机主变压器简化等值电路如图2所示。

以#8风机组回路为例，其拓扑图如图3所示。

等效电路如图4所示。

同理，其他支路亦可按#8风机组回路等效，4条风机组回路陆、海缆型号如表1所示，忽略电缆导体阻抗以及风机主变绕组电阻和漏抗，可以将各回路等效电路简化为如图5所示，计算得各条风机回路变压器等效阻抗如表2所示，电缆等效电容如表3所示。

实际变压器空投时情况复杂，可能出现一相饱和、两相饱和和三相饱和的情形，并且各相进入饱和及退出饱和的时间不同。变压器在正常运行及外部故障时，励磁电感数值非常大，且不具有波动性，如表2计算结果;变压器发生内部故障时，等效励磁电感数值很小（漏感级别），并无波动;变压器空投等原因造成铁芯饱和时，励磁电感的数值在正常高值与饱和低值之间周期变化，具有明显波动性。所以，一般情况下，励磁阻抗并非一个常数，而是一个非线性的参数。

1.2.1    直接冲击合闸回路组总体并联谐振分析

风机送电如采取风机内所有负荷开关和风机主变开关预先在合闸位置，由陆上集控中心35 kV开关室直接合闸方式送电，其总体发生并联谐振可能性R及关系如图6所示，R<，有发生并联谐振的可能。

1.2.2    直接冲击合闸回路组内各节点分支并联谐振分析

仍假定风机送电采取风机内所有负荷开关和风机主变开关预先在合闸位置，由陆上集控中心直接冲击合闸方式送电，以#8回路为例分支R及关系如图7所示，可知各节点向分支末端均有发生谐振的可能。

1.2.3    将各风机组内主变开关断开后逐一合闸并联谐振分析

假定将风机内主变开关断开，首先由35 kV开关室对整条海缆线路充电，风机主变开关由前向后逐一合闸送电，每送电一台待并网后进行下台风机主变合闸送电操作，直至全部送电完成，由于风机并网完成后阻尼较大，此时仅关注后续风机主变空载合闸时的并联谐振情况。以#8回路为例，分支R及关系如图8所示，可知各节点合闸仍无法避免发生并联谐振可能。

1.2.4    谐振频率与变压器阻抗关系特征

变压器空载合闸瞬间由于磁通滞后电压90°，在电压相位过零点时合闸，此时磁通为-Φm，由于磁通不能突变，铁芯内会存在一个非周期分量Φm，经1/2周期后，磁通达2Φm，会造成变压器铁芯严重饱和，导致励磁电流畸变为尖顶波，含有大量的谐波分量，包含直流分量、2/3/4次谐波，谐波分量随阶数增加而减少。此时励磁电抗L将随着饱和程度的加深而减小，远小于空载电抗Lm;磁阻R由于磁导率的减小而增大，大于空载稳态磁阻Rm。

可见采取远程风机组开关分别合闸送电方式，比风机组所有风机直接冲击合闸送电方式最大谐振频率下降明显。两种送电合闸方式下的谐振频率都较低，主要的并联谐振为低频铁磁谐振。由图5，通过计算其谐振时阻抗支路电流IL=U/

通过以上分析可知并联谐振因素并非变压器损坏的主要原因。变压器冲击合闸损坏与运行高负荷时突然跳闸，长时间停运绝缘吸潮，或漏雨加剧绝缘降低关系密切，与冲击合闸时由于绝缘受潮，接地电流大，保护不能及时跳闸有关。

2    改造实施

2.1    风机内主变压器保护配置

风机组回路配置保护型号为NSR-

612RF，提供线路电流速断、过流、零序电流保护;风机内主变保护型号为RF-615，提供电流速断、过流、零序电流保护，并有涌流检测和闭锁功能。由于直接由集控中心远程冲击合闸时，风机组尚未带电，风机内保护装置未开启，开关柜或风机内主变故障只能由35 kV风机组保护NSR-612RF判断，保护装置按照短路电流进行整定，如出现变压器受潮绝缘降低，零序保护灵敏性低，其值达不到保护动作值，可能会造成风机主变绝缘损坏。

改造实施后采取风机逐一送电并网方式，首先让风机内主变保护在投运状态，如面临主变受潮绝缘性降低等故障，风机内主变RF-615零序电流保护可以起到相应保护作用。

2.2    塔筒内湿度控制

风机内湿度控制有利于风机主变绝缘稳定，为此需重新逐台检查风机塔筒海缆登陆口封堵情况，采用新式封堵模块进行电缆口封堵，防止漏雨。对塔筒门进行检查，更新密封胶条，保证正常时密封良好。检查塔底通风扇内百叶，确保处于完好挡雨状态，并定期更换塔底进风口吸湿过滤材料。

由于远程操作合闸无法以人工方式在送电前检测风机主变绝缘，所以经过SCADA系统实时监控风机主变周围湿度很有必要，为此改造时增设就地湿度检测仪一块，通过电缆将信号引入主控PLC模块，湿度控制在70%以内，超过80%系统自动报警。在塔筒内主变内壁悬挂湿度检测仪，平常用以巡查和与自动检测系统比对，防止出现检测偏差，在塔筒湿度出现升高时立即进行处理，长期保持风机主变周围环境湿度在正常合理范围内。更改运行规程，通常风机停运时间不超过一周，湿度正常在70%以内时可远程合闸送电。

2.3    风机主变及风机转子开关远程控制

将高压柜状态信号通过RS485数据线传输到风机监控系统;开关柜内开关分、合闸由硬接线接入塔底主控柜，由专门PLC模块进行分合闸控制;在集中控制中心风机SCADA控制界面设置开关操作页，并有明确的状态显示，便于运行人员确认，操作时需操作人员和监护人员双重密码确认，防止误操作;实现远程主变高压开关合闸和风机转子开关远程分合闸，从而实现风机远程送电启停操作。

风机内开关的操作电源由专门的UPS提供，为了使风机断电后UPS电池能够提供足够长時间的电源，需测定风机断电后的放电电流，根据所需的放电容量匹配电池容量，并对电池进行适当维护。

3    结语

海上风力发电场由于受电网影响不可避免会发生集电线路（海缆）中断供电情形，由于气候原因造成出海限制，风机往往不可达，本文分析了支路所有风机直接远程冲击合闸以及逐台合闸的谐振情况，表明无论采取何种方式送电，均不能完全避免风机主变发生并联铁磁谐振，但该谐振区间不足以对变压器构成严重危害。直接冲击合闸时，单个变压器失去保护，35 kV线路组保护灵敏性低，变压器受潮时冲击合闸易损坏绝缘。临港海上风场通过对海缆集电线路远程分、合闸改造，实现了远程分合闸功能，并加强了对风机塔筒内湿度的监视，使突发情况下应急操作能力得到加强，也方便了日常风机的停送电操作，有效避免了送电合闸时风机主变绝缘损坏造成电量损失的情况。本次改造对于风场在设计阶段考虑远程分合闸问题有一定参考意义。

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收稿日期：2020-03-06

作者简介：张建民（1970—），男，江苏泰兴人，工程师，研究方向：电气工程自动化。