改善双馈风电机组适应高电压穿越并网性能的方法

成健，强喜臣，刘健华

（东方电气东方风电有限公司，四川 德阳，618000）

0 引言

随着国内风电的迅速发展和装机容量逐渐增加，风电与电网的相互影响已不容忽视。国家电网一方面逐步推出相应的标准及法规来提高风机并网性能要求，增强风机的电网适应性；另一方面开始要求风电场对电网提供相应的支撑和支持，协助电网故障切除后快速恢复运行。国家相关部门陆续推出《风电场接入电力系统技术规定》[1]《风电场无功配置及电压控制技术规定》[2]以及《风力发电场无功配置及电压控制技术规定》[3]《风电机组故障电压穿越能力测试规程》[4]等标准，这些标准均对风电场及风电机组并网提出了具体的要求。其中国家电网企业标准及国家能源行业标准对高电压穿越作出了具体规定。

根据国家标准和IEC 标准额定电压定义：设备可有一个以上的额定电压或可具有额定电压范围[5－7]。风电机组的上网主回路额定电压1±10% p.u.，以此称之为额定电压范围，超过这个范围称之为拓宽额定电压范围。

根据《风电机组 故障电压穿越能力测试规程》[4]；风电机组额定电压范围和高电压穿越范围要求见表1。该标准对风电机组电气部件的绝缘水平要求较高，对于已完成装机的风电场来讲，虽然改造有一定困难，改造费用较大，目前风电机组生产厂家基本能够解决这一问题。

表1 风电机组调整前后额定电压范围和高电压穿越范围，及其测试规程要求

目前电力系统发展很快，同时也面临短时过电压问题。特高压和超高压的（交）直流输电线路和换流站就近电网容易出现过电压。在换流站交流母线或附近电路上，①交流电网发生故障时，由于零序网络影响，健全相上将产生暂态过电压,这种系统内暂态过电压（相对地）一般低于1.2～1.4 p.u.[8－11]；②由于交流侧开断线路或直流侧阀闭锁引起的甩负荷或大的功率变化，将引起暂时过电压；甩负荷引起的工频过电压应限制在1.3～1.4 p.u.，持续时间限制在1 s 以内[8－9]；③甩负荷时的暂时过电压能使变压器饱和，在不利的电网条件下，可能产生谐振使过电压增大，如当逆变站交流侧甩掉全部负荷，而交流母线仍保留有滤波器和电容器组时，产生的过电压可达1.8 p.u.以上[8－9]。

有关资料介绍，2013 年11 月6 日，某直流受端近区交流线路发生单永故障，引起直流换相失败，送端换流站的暂态电压最高达1.35 p.u[12]。

某些情况下，换流站的无功补偿设备与交流系统之间会产生并联谐振，当交流系统较弱时谐振频率比较低，例如当远方孤立电厂供电给直流输电整流站时，这种过电压可以达到2 p.u.，并持续数百毫秒[13]。

通过使用本文所述的技术方法，对现有运行不达标和需要调高标准的双馈风电机组技术改进，还能进一步拓宽额定电压范围和提高高电压穿越范围以及提升电网适应能力，同时有益于电网安全可靠稳定运行。

1 方法综述

本文主要介绍现有运行的双馈风电机组在满足国家标准下，利用技术方法1 和技术方法2 可以拓宽额定电压范围和提高高电压穿越范围。

技术方法1，双馈风电机组上网升压变压器采用高阻抗变压器：

根据专利《改善双馈风力发电机组并网性能的方法》[14]，如图1 所示，双馈风电机组采用高阻抗变压器，阻抗电压百分值udT%=12～24；双馈风电机组功率因数0.95cap.～1～0.95ind.，双馈风电机组电压调节范围：+3.746～－3.746 p.u.至+7.493～－7.493 p.u；双馈风电机组功率因数在0.9cap.～1～0.9ind.，双馈风电机组电压调节范围：+5.23p.u.～－5.23p.u.至+10.46p.u.～－10.46p.u。

图1 双馈风力发电机组上网电气图

技术方法2，根据专利《提高双馈风电机组宽额定电压和高电压穿越范围的方法》[15]：

采用这种技术方法，最大可满足双馈风电机组端口拓宽额定电压范围±20%p.u.和2.0p.u.高电压穿越范围运行。

2 双馈风电机组上网升压变压器采用高阻抗变压器(技术方法1)

双馈风电机组额定电压范围和高电压穿越范围需满足《风电机组故障电压穿越能力测试规程》[4]，如果有更高的电网接入要求，双馈风电机组可以采用高阻抗变压器，可以拓宽额定电压范围和提高高电压穿越范围。

双馈风电机组采用高阻抗变压器的Γ 等效等效电路，如图2 所示，当省略YT支路时，。假设高阻抗变压器低压端口1 每相电压=U1∠0°，高阻抗变压器高压端口2 每相电压=U2∠－a，=I2∠－θ。高阻抗变压器每相等效电阻RT，每相等效电感XT。高阻抗变压器每相电路等式：

图2 双馈风力发电机组升压变压器“Γ”形等效电路图

电压横轴为：

电压纵轴为：

由式（1）可得：

当RT＜＜XT，且P1RT＜＜Q1XT时，由式（4）可得：

依据式（5），以及高阻抗变压器阻抗电压百分值选取udT%=12～24，可以得到表2 电压调节范围。

表2 双馈风电机组高阻抗变压器电压调节范围

常用无功功率变化引起端电压变化公式[16]：

由式（8）与式（9）得出的计算结果来看，从实际工程计算上讲是基本一致的。其中，式（9）的ΔU为端口（图1 和图2 端口1）电压的变化量，Ssc为端口（图1 和图2 端口1）短路容量。

由图1 中可以看到，当端口2 系统短路容量Sdx=Sd2很大，远大于高阻抗变压器的短路功率SdT，且端口2 的电压相对短时不变时，双馈风电机组低压侧端口1（图1）短路容量为：

根据式（8），图1 中双馈风电机组低压侧端口1 的电压变化量为：

因此，式（11）的计算结果，与式（9）是一致的。

3 采用双馈风电机组增大容量降低额定电压运行技术（技术方法2）

根据专利《提高双馈风电机组宽额定电压和高电压穿越范围的方法》[15]，利用双馈风电机组增大容量降低额定电压运行，使得双馈风电机组发电机、变流器、辅助电气回路、升压变压器等所设计的额定电压范围和高电压穿越范围满足国家标准测试规程[1，4]要求。双馈风电机组发电机、变流器、变桨、辅助系统UPS 供电回路、升压变压器等一次回路电气部件容量增大5.88%p.u.（包括额定视在容量、额定电流），新额定电压降低到85%p.u./0.9=（94%+1/225）p.u.运行，能确保运行时一次回路电气部件容量和电流不超过原来的限值，见表3。

表3 双馈风电机组各个部套调整前后、高电压穿越范围

双馈风电机组一次回路电气部件拓宽额定电压范围和提高高电压穿越范围的转换计算公式：

边界条件：U1=Uxe=Un1≤Ue，U0=Ue=Un0，a1y≠a2y（或a1y=a2y）；a1=a2=常数，a1x=常数、a2x=常数。式（12）中，X1、L1（X1）、L2（X1）、a1x、a2x、a1y、a2y的含义见图3。Un0是转换前端口1 的额定电压，Un1是转换后端口1 的额定电压。

图3 双馈风力发电机组电压纵轴U0／U1 体系图

假设：

X1＝15%p.u.,a1=a2=15%,L1（X1）≥a1x，a1x=20%；

L2（X1）≥a2x,a2x=10%。

选取Ue/Uxe=（Uxe优选GB/IEC 标准电压）。

根据式（12）计算可得：

L1（X1）＝20.2272%p.u.,L2（X1）=11.1363%p.u.,a1y=0.2272%,a2y=1.1363%。

图3 中，电压纵轴2－U0中的Un0端口1 的额定电压；电压纵轴1－U1中的Un1为端口1 的另外一个额定电压；根据双馈风电机组增大容量降低额定电压运行需要，新的额定电压Un1小于额定电压Un0，且额定电压Un1优先选用GB 或IEC 的标准电压，额定电压Un1与额定电压Un0形成固定的比例值关系。电压纵轴2－U0上的每个电压值通过这个比例值转换到电压纵轴1－U1上；其中，额定电压Un1就是通过额定电压Un0和这个比例值转换而来的；这就是双馈风电机组双坐标系电压转换方法；在这个基础上提出了额定电压范围和高电压穿越范围转换计算公式。双馈风电机组一次回路电气部件整体容量经过优化合理配置，风电场就可以很好地满足新的额定电压范围和高电压穿越范围要求。

4 结论

双馈风电机组采用技术方法1 和技术方法2，都能在现有的标准水平上，拓宽额定电压范围和提高高电压穿越能力。根据风电接入电网的实际情况要求和经济条件，可以分别单选使用，也可以组合使用。对于已运行的双馈风电机组，只需要提高高电压穿越能力到130%p.u.～140%p.u.，可以采用技术方法1，即双馈风电机组上网升压变压器采用高阻抗变压器（udT%=12～24），就能满足电网对双馈风电机组和高电压穿越能力升级的要求。本文所论述的技术方法1 和技术方法2 是可以改善双馈风电机组适应高电压穿越并网性能。