成健，強(qiáng)喜臣，劉健華

（東方電氣東方風(fēng)電有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

隨著國內(nèi)風(fēng)電的迅速發(fā)展和裝機(jī)容量逐漸增加，風(fēng)電與電網(wǎng)的相互影響已不容忽視。國家電網(wǎng)一方面逐步推出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)來提高風(fēng)機(jī)并網(wǎng)性能要求，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)適應(yīng)性；另一方面開始要求風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)提供相應(yīng)的支撐和支持，協(xié)助電網(wǎng)故障切除后快速恢復(fù)運(yùn)行。國家相關(guān)部門陸續(xù)推出《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[1]《風(fēng)電場(chǎng)無功配置及電壓控制技術(shù)規(guī)定》[2]以及《風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)無功配置及電壓控制技術(shù)規(guī)定》[3]《風(fēng)電機(jī)組故障電壓穿越能力測(cè)試規(guī)程》[4]等標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)提出了具體的要求。其中國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高電壓穿越作出了具體規(guī)定。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC 標(biāo)準(zhǔn)額定電壓定義：設(shè)備可有一個(gè)以上的額定電壓或可具有額定電壓范圍[5－7]。風(fēng)電機(jī)組的上網(wǎng)主回路額定電壓1±10% p.u.，以此稱之為額定電壓范圍，超過這個(gè)范圍稱之為拓寬額定電壓范圍。

根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組 故障電壓穿越能力測(cè)試規(guī)程》[4]；風(fēng)電機(jī)組額定電壓范圍和高電壓穿越范圍要求見表1。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組電氣部件的絕緣水平要求較高，對(duì)于已完成裝機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)來講，雖然改造有一定困難，改造費(fèi)用較大，目前風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)廠家基本能夠解決這一問題。

表1 風(fēng)電機(jī)組調(diào)整前后額定電壓范圍和高電壓穿越范圍，及其測(cè)試規(guī)程要求

目前電力系統(tǒng)發(fā)展很快，同時(shí)也面臨短時(shí)過電壓?jiǎn)栴}。特高壓和超高壓的（交）直流輸電線路和換流站就近電網(wǎng)容易出現(xiàn)過電壓。在換流站交流母線或附近電路上，①交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于零序網(wǎng)絡(luò)影響，健全相上將產(chǎn)生暫態(tài)過電壓,這種系統(tǒng)內(nèi)暫態(tài)過電壓（相對(duì)地）一般低于1.2～1.4 p.u.[8－11]；②由于交流側(cè)開斷線路或直流側(cè)閥閉鎖引起的甩負(fù)荷或大的功率變化，將引起暫時(shí)過電壓；甩負(fù)荷引起的工頻過電壓應(yīng)限制在1.3～1.4 p.u.，持續(xù)時(shí)間限制在1 s 以內(nèi)[8－9]；③甩負(fù)荷時(shí)的暫時(shí)過電壓能使變壓器飽和，在不利的電網(wǎng)條件下，可能產(chǎn)生諧振使過電壓增大，如當(dāng)逆變站交流側(cè)甩掉全部負(fù)荷，而交流母線仍保留有濾波器和電容器組時(shí)，產(chǎn)生的過電壓可達(dá)1.8 p.u.以上[8－9]。

有關(guān)資料介紹，2013 年11 月6 日，某直流受端近區(qū)交流線路發(fā)生單永故障，引起直流換相失敗，送端換流站的暫態(tài)電壓最高達(dá)1.35 p.u[12]。

某些情況下，換流站的無功補(bǔ)償設(shè)備與交流系統(tǒng)之間會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，當(dāng)交流系統(tǒng)較弱時(shí)諧振頻率比較低，例如當(dāng)遠(yuǎn)方孤立電廠供電給直流輸電整流站時(shí)，這種過電壓可以達(dá)到2 p.u.，并持續(xù)數(shù)百毫秒[13]。

通過使用本文所述的技術(shù)方法，對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行不達(dá)標(biāo)和需要調(diào)高標(biāo)準(zhǔn)的雙饋風(fēng)電機(jī)組技術(shù)改進(jìn)，還能進(jìn)一步拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越范圍以及提升電網(wǎng)適應(yīng)能力，同時(shí)有益于電網(wǎng)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

1 方法綜述

本文主要介紹現(xiàn)有運(yùn)行的雙饋風(fēng)電機(jī)組在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)下，利用技術(shù)方法1 和技術(shù)方法2 可以拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越范圍。

技術(shù)方法1，雙饋風(fēng)電機(jī)組上網(wǎng)升壓變壓器采用高阻抗變壓器：

根據(jù)專利《改善雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)性能的方法》[14]，如圖1 所示，雙饋風(fēng)電機(jī)組采用高阻抗變壓器，阻抗電壓百分值udT%=12～24；雙饋風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)0.95cap.～1～0.95ind.，雙饋風(fēng)電機(jī)組電壓調(diào)節(jié)范圍：+3.746～－3.746 p.u.至+7.493～－7.493 p.u；雙饋風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)在0.9cap.～1～0.9ind.，雙饋風(fēng)電機(jī)組電壓調(diào)節(jié)范圍：+5.23p.u.～－5.23p.u.至+10.46p.u.～－10.46p.u。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上網(wǎng)電氣圖

技術(shù)方法2，根據(jù)專利《提高雙饋風(fēng)電機(jī)組寬額定電壓和高電壓穿越范圍的方法》[15]：

采用這種技術(shù)方法，最大可滿足雙饋風(fēng)電機(jī)組端口拓寬額定電壓范圍±20%p.u.和2.0p.u.高電壓穿越范圍運(yùn)行。

2 雙饋風(fēng)電機(jī)組上網(wǎng)升壓變壓器采用高阻抗變壓器(技術(shù)方法1)

雙饋風(fēng)電機(jī)組額定電壓范圍和高電壓穿越范圍需滿足《風(fēng)電機(jī)組故障電壓穿越能力測(cè)試規(guī)程》[4]，如果有更高的電網(wǎng)接入要求，雙饋風(fēng)電機(jī)組可以采用高阻抗變壓器，可以拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越范圍。

雙饋風(fēng)電機(jī)組采用高阻抗變壓器的Γ 等效等效電路，如圖2 所示，當(dāng)省略YT支路時(shí)，。假設(shè)高阻抗變壓器低壓端口1 每相電壓=U1∠0°，高阻抗變壓器高壓端口2 每相電壓=U2∠－a，=I2∠－θ。高阻抗變壓器每相等效電阻RT，每相等效電感XT。高阻抗變壓器每相電路等式：

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升壓變壓器“Γ”形等效電路圖

電壓橫軸為：

電壓縱軸為：

由式（1）可得：

當(dāng)RT＜＜XT，且P1RT＜＜Q1XT時(shí)，由式（4）可得：

依據(jù)式（5），以及高阻抗變壓器阻抗電壓百分值選取udT%=12～24，可以得到表2 電壓調(diào)節(jié)范圍。

表2 雙饋風(fēng)電機(jī)組高阻抗變壓器電壓調(diào)節(jié)范圍

常用無功功率變化引起端電壓變化公式[16]：

由式（8）與式（9）得出的計(jì)算結(jié)果來看，從實(shí)際工程計(jì)算上講是基本一致的。其中，式（9）的ΔU為端口（圖1 和圖2 端口1）電壓的變化量，Ssc為端口（圖1 和圖2 端口1）短路容量。

由圖1 中可以看到，當(dāng)端口2 系統(tǒng)短路容量Sdx=Sd2很大，遠(yuǎn)大于高阻抗變壓器的短路功率SdT，且端口2 的電壓相對(duì)短時(shí)不變時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組低壓側(cè)端口1（圖1）短路容量為：

根據(jù)式（8），圖1 中雙饋風(fēng)電機(jī)組低壓側(cè)端口1 的電壓變化量為：

因此，式（11）的計(jì)算結(jié)果，與式（9）是一致的。

3 采用雙饋風(fēng)電機(jī)組增大容量降低額定電壓運(yùn)行技術(shù)（技術(shù)方法2）

根據(jù)專利《提高雙饋風(fēng)電機(jī)組寬額定電壓和高電壓穿越范圍的方法》[15]，利用雙饋風(fēng)電機(jī)組增大容量降低額定電壓運(yùn)行，使得雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)、變流器、輔助電氣回路、升壓變壓器等所設(shè)計(jì)的額定電壓范圍和高電壓穿越范圍滿足國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試規(guī)程[1，4]要求。雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)、變流器、變槳、輔助系統(tǒng)UPS 供電回路、升壓變壓器等一次回路電氣部件容量增大5.88%p.u.（包括額定視在容量、額定電流），新額定電壓降低到85%p.u./0.9=（94%+1/225）p.u.運(yùn)行，能確保運(yùn)行時(shí)一次回路電氣部件容量和電流不超過原來的限值，見表3。

表3 雙饋風(fēng)電機(jī)組各個(gè)部套調(diào)整前后、高電壓穿越范圍

雙饋風(fēng)電機(jī)組一次回路電氣部件拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越范圍的轉(zhuǎn)換計(jì)算公式：

邊界條件：U1=Uxe=Un1≤Ue，U0=Ue=Un0，a1y≠a2y（或a1y=a2y）；a1=a2=常數(shù)，a1x=常數(shù)、a2x=常數(shù)。式（12）中，X1、L1（X1）、L2（X1）、a1x、a2x、a1y、a2y的含義見圖3。Un0是轉(zhuǎn)換前端口1 的額定電壓，Un1是轉(zhuǎn)換后端口1 的額定電壓。

圖3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓縱軸U0／U1 體系圖

假設(shè)：

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

L2（X1）≥a2x,a2x=10%。

選取Ue/Uxe=（Uxe優(yōu)選GB/IEC 標(biāo)準(zhǔn)電壓）。

根據(jù)式（12）計(jì)算可得：

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

圖3 中，電壓縱軸2－U0中的Un0端口1 的額定電壓；電壓縱軸1－U1中的Un1為端口1 的另外一個(gè)額定電壓；根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組增大容量降低額定電壓運(yùn)行需要，新的額定電壓Un1小于額定電壓Un0，且額定電壓Un1優(yōu)先選用GB 或IEC 的標(biāo)準(zhǔn)電壓，額定電壓Un1與額定電壓Un0形成固定的比例值關(guān)系。電壓縱軸2－U0上的每個(gè)電壓值通過這個(gè)比例值轉(zhuǎn)換到電壓縱軸1－U1上；其中，額定電壓Un1就是通過額定電壓Un0和這個(gè)比例值轉(zhuǎn)換而來的；這就是雙饋風(fēng)電機(jī)組雙坐標(biāo)系電壓轉(zhuǎn)換方法；在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了額定電壓范圍和高電壓穿越范圍轉(zhuǎn)換計(jì)算公式。雙饋風(fēng)電機(jī)組一次回路電氣部件整體容量經(jīng)過優(yōu)化合理配置，風(fēng)電場(chǎng)就可以很好地滿足新的額定電壓范圍和高電壓穿越范圍要求。

4 結(jié)論

雙饋風(fēng)電機(jī)組采用技術(shù)方法1 和技術(shù)方法2，都能在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)水平上，拓寬額定電壓范圍和提高高電壓穿越能力。根據(jù)風(fēng)電接入電網(wǎng)的實(shí)際情況要求和經(jīng)濟(jì)條件，可以分別單選使用，也可以組合使用。對(duì)于已運(yùn)行的雙饋風(fēng)電機(jī)組，只需要提高高電壓穿越能力到130%p.u.～140%p.u.，可以采用技術(shù)方法1，即雙饋風(fēng)電機(jī)組上網(wǎng)升壓變壓器采用高阻抗變壓器（udT%=12～24），就能滿足電網(wǎng)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組和高電壓穿越能力升級(jí)的要求。本文所論述的技術(shù)方法1 和技術(shù)方法2 是可以改善雙饋風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)高電壓穿越并網(wǎng)性能。