關(guān)于雁淮直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力改造的探討

劉翼肇，薄利明，和建民，安立進(jìn)，林霞

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

山西電網(wǎng)位于華北電網(wǎng)西部，是典型的電力外送型電網(wǎng)，分別與華北、華中、華東電網(wǎng)存在電力聯(lián)系。截至目前，山西省內(nèi)共建有“三交一直”特高壓工程，其中特高壓交流北岳站和洪善站分別位于山西省北部和中部；雁淮直流是山西省內(nèi)唯一一條特高壓直流工程，受端為華東電網(wǎng)，輸電距離1 095 km，發(fā)揮著晉電外送的重要作用。

截止2018年3月底，雁淮直流近區(qū)共涉及18座風(fēng)電場，風(fēng)電裝機(jī)容量2 231 MW，且雁淮直流無配套電源投產(chǎn)計劃，雁淮直流最大送電能力為4 700 MW；2018年下半年，山西電網(wǎng)運(yùn)行方式改變后雁淮直流最大送電能力提升至5 900 MW。到2020年，雁淮直流近區(qū)預(yù)計新增風(fēng)電420 MW；考慮到山西省內(nèi)新投產(chǎn)的火電廠及電網(wǎng)運(yùn)行方式改變后，雁淮直流最大送電能力提升至8 000 MW。

本文在對雁淮直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力進(jìn)行廣泛調(diào)研、查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[1]，通過仿真計算確定了直流近區(qū)需要進(jìn)行高電壓穿越能力改造的風(fēng)電場范圍[2,3]，最后提出了相應(yīng)的改造建議。

1 雁淮直流近區(qū)風(fēng)電場高穿能力要求

1.1 能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NB/T31111—2017風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越測試規(guī)程》有關(guān)高電壓穿越相關(guān)要求見圖1和表1。具體要求見表1。

圖1 能標(biāo)NB/T 31111—2017有關(guān)風(fēng)機(jī)高穿要求

表1 能標(biāo)NB/T 31111—2017有關(guān)風(fēng)機(jī)高穿時間要求

1.2 國家標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 故障電壓穿越能力測試規(guī)程》規(guī)范了風(fēng)電機(jī)組故障電壓穿越技術(shù)要求與試驗(yàn)方法，目前該標(biāo)準(zhǔn)正處于報批階段，相關(guān)要求見圖2和表2。

圖2 國標(biāo)（報批稿）有關(guān)風(fēng)機(jī)高穿時間要求

表2 國標(biāo)（報批稿）有關(guān)風(fēng)機(jī)高穿時間要求

根據(jù)調(diào)研情況雁淮直流近區(qū)的風(fēng)電場及風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越能力均不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》（報批稿）“UT=1.30、具有連續(xù)運(yùn)行500 ms的能力”的要求，需要對雁淮直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行暫態(tài)壓升校核，進(jìn)一步分析當(dāng)雁淮直流故障時的近區(qū)風(fēng)電機(jī)組過電壓情況。

2 雁淮直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升校核

影響直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升的主要包括：直流故障類型、風(fēng)電同時率和風(fēng)電機(jī)組類型3大因素。仿真計算結(jié)果表明，當(dāng)換流站發(fā)生連續(xù)3次換相失敗故障、風(fēng)電同時率越高、風(fēng)電機(jī)組為直驅(qū)風(fēng)機(jī)時，風(fēng)機(jī)的暫態(tài)壓升幅值最高（見圖3、圖4）。

2.1 2018年近區(qū)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升校核

方式一為近區(qū)某電廠1倒接前，考慮近區(qū)500 kV電廠2開2臺、電廠1全停，220 kV電廠3、電廠4全停時系統(tǒng)運(yùn)行方式。當(dāng)換流站發(fā)生換相失敗時，直流近區(qū)共有8座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量1 440 MW，風(fēng)機(jī)暫升電壓范圍為1.10p.u.＜U≤1.2p.u.。

方式二為某電廠1機(jī)組倒接至雁門關(guān)換流站后，在機(jī)組全開方式下，雁淮直流輸送能力提升至590萬kW，近區(qū)500 kV電廠1全停、電廠2全開，220 kV電廠3、電廠4全停時系統(tǒng)運(yùn)行方式。當(dāng)換流站發(fā)生換相失敗時，直流近區(qū)共有8座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量1 048 MW，風(fēng)機(jī)暫升電壓范圍為1.10p.u.＜U≤1.2p.u.；共有4座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量1 047 MW，風(fēng)機(jī)暫升電壓范圍為1.2p.u.＜U。

圖3 2018年風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升

2.2 2020年近區(qū)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升校核

2020年，雁門關(guān)換流站近區(qū)網(wǎng)架加強(qiáng)，直流送電能力將提升至8 000 MW，近區(qū)新增7座風(fēng)電場，均按直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組考慮。近區(qū)電廠1全開，電廠3、電廠4全停方式下，當(dāng)換流站發(fā)生換相失敗時，截止2018年3月直流近區(qū)已投運(yùn)的7座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量641.5 MW，2020年將投運(yùn)的2座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量100 MW，風(fēng)機(jī)暫升電壓范圍為1.10p.u.＜U≤1.2p.u.。已投運(yùn)的4座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量1 046 MW，2020年將投運(yùn)的5座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量320 MW，風(fēng)機(jī)暫升電壓范圍為1.2p.u.＜U。

圖4 2020年風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升

結(jié)合2018年和2020年的雁淮直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升校核結(jié)果，對不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》 （報批稿）相關(guān)要求的風(fēng)電場需要完成相關(guān)的技術(shù)改造，以確保風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 雁淮直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越改造建議

3.1風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越改造技術(shù)

目前，主要采取軟件升級和硬件改造兩種措施使風(fēng)電機(jī)組滿足高電壓穿越的能力要求[4,5]。

軟件升級方面，主要對風(fēng)電機(jī)組的主控程序、變流器程序、變槳系統(tǒng)程序進(jìn)行升級。

3.1.1 主控程序升級

a)初始化文件增加高電壓穿越使能開關(guān)，用于開啟和關(guān)閉高電壓穿越功能。設(shè)置為RLE開啟設(shè)置為FALSE關(guān)閉。

b)當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓升高，機(jī)組進(jìn)入高電壓穿越，屏蔽機(jī)組相關(guān)故障。

3.1.2 變流器程序升級

更新變流程序，通過控制網(wǎng)側(cè)變流器吸收無功抑制網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電驟升，繼而保證風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓驟升期間可以不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

3.1.3 變槳系統(tǒng)程序

目前部分變槳系統(tǒng)已具備高穿能力，變槳系統(tǒng)程序的升級僅針對不具備高穿能力的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行選擇性升級。

硬件改造方面，主要針對部分老舊機(jī)型，對變槳系統(tǒng)和變流器控制系統(tǒng)硬件改造。

b)變流器控制系統(tǒng)：更換大量程測量板，crowbar或chopper的驅(qū)動板，更換防雷的浪涌保護(hù)器。

其他改造技術(shù)：在直流母線上加裝儲能單元；在電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)或串聯(lián)1套輔助設(shè)備（如STATCOM，DVR等）。

3.2 風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越改造費(fèi)用預(yù)估

通過對風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越改造情況進(jìn)行調(diào)研，風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越改造主要分為按1.3倍額定電壓（1.3p.u.，500 ms） 高穿改造和按1.2倍額定電壓（1.2p.u.，200 ms） 高穿改造兩大類。

3.2.1 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力改造

按1.3倍額定電壓進(jìn)行高電壓（1.3p.u.，500ms）穿越能力改造，通過軟件升級可實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)的機(jī)型，單臺改造費(fèi)用約1.5～2萬元/臺（質(zhì)保期內(nèi)免費(fèi)），改造周期約3～4 t/臺；對于同時進(jìn)行軟件升級和硬件改造方可實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)的機(jī)組，單臺改造費(fèi)用約3～4萬元/臺（質(zhì)保期內(nèi)免費(fèi)），改造周期約5～6 t/臺。

按1.2倍額定電壓進(jìn)行高電壓（1.2p.u.，200ms）穿越能力改造，通過軟件升級可實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)，單臺改造費(fèi)用約1萬元/臺，改造周期約3～4 h/臺。

3.2.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力改造

按1.3倍額定電壓進(jìn)行高電壓（1.3p.u.，500 ms）穿越能力改造，需要對風(fēng)電機(jī)組同時進(jìn)行軟件升級和硬件改造，單臺改造費(fèi)用約6～10萬元/臺（質(zhì)保期內(nèi)免費(fèi)），改造周期約3～4天/臺。

中國是全世界陶瓷工藝最先進(jìn)的國家，也是陶瓷藝術(shù)體系最龐大的國家，中國人生活的時時處處都有陶瓷，除了日常應(yīng)用之外，陶瓷的質(zhì)地、顏色、圖案以及陶瓷本身代表的社會文化，也是人們選擇陶瓷的主要原因，因此，陶瓷作為用品同時也作為裝飾生活的藝術(shù)品存在著。隨著全球經(jīng)濟(jì)和文化的交流互融，陶瓷作為裝飾品的藝術(shù)價值在全球范圍內(nèi)被認(rèn)可，國外藝術(shù)家和手工業(yè)者也在進(jìn)行陶瓷藝術(shù)作品創(chuàng)作，例如日本和英國等具有較為悠久的陶瓷制作工藝歷史的國家，但是，陶瓷裝飾藝術(shù)發(fā)展的核心始終在中國，從仰韶文化開始的陶瓷藝術(shù)，在當(dāng)代裝飾藝術(shù)領(lǐng)域有著不可替代的位置，中國陶瓷的傳統(tǒng)用料與現(xiàn)代手工藝術(shù)創(chuàng)作的結(jié)合，使陶瓷裝飾藝術(shù)的影響力進(jìn)一步擴(kuò)散。

按 1.2倍額定電壓進(jìn)行高電壓 （1.2p.u.，200 ms）穿越能力改造，通過軟件升級可實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)，單臺改造費(fèi)用約1萬元/臺，改造周期約 3～4 h/臺。

根據(jù)2018年—2020年直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升校核計算結(jié)果，當(dāng)換流站發(fā)生換相失敗時引起的風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升滿足1.2p.u.＜U≤1.3p.u.時，已投運(yùn)的5座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量1 146 MW，共計671臺直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組，需要按1.3倍額定電壓進(jìn)行高電壓（1.3p.u.，500 ms） 穿越能力改造，使其滿足表2所示的風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越運(yùn)行時間要求，假設(shè)風(fēng)電機(jī)組需要同時進(jìn)行軟件升級和硬件改造，按照單臺改造費(fèi)用上限4萬元計算，完成全部改造費(fèi)用共計2 684萬元。

根據(jù)2018年—2020年直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升校核計算結(jié)果，當(dāng)換流站發(fā)生換相失敗時引起的風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)壓升達(dá)到1.1p.u.＜U≤1.2p.u.時，已投運(yùn)的9座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量1 097.5 MW，共計626臺風(fēng)電機(jī)組。其中81臺為直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，其余545臺均為雙饋風(fēng)電機(jī)組，需要按1.2倍額定電壓進(jìn)行高電壓（1.2p.u.，200 ms） 穿越能力改造，使其滿足表1所示的風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越運(yùn)行時間要求。按照單臺改造費(fèi)用1萬元計算，費(fèi)用共計626萬元。

3.3 2019年—2020年新建風(fēng)電場高電壓穿越能力要求

2019年—2020年預(yù)計投產(chǎn)的3座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量150 MW需要滿足高電壓（1.2p.u.，200 ms）穿越能力要求；4座風(fēng)電場涉及裝機(jī)容量270 MW需要滿足高電壓（1.3p.u.，500 ms） 穿越能力要求。

3.4風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力檢測與驗(yàn)收建議

基于上述的研究分析結(jié)果，針對風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越能力檢測與驗(yàn)收提出如下建議。

a)不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的已投運(yùn)風(fēng)電場應(yīng)在限期內(nèi)完成風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力改造。

b)規(guī)劃的新建風(fēng)電場應(yīng)在接入系統(tǒng)方案中明確風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越能力要求。

c)改造完成后風(fēng)電企業(yè)應(yīng)委托具備相應(yīng)資質(zhì)的檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測并出具風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越能力檢測報告，以保證風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越能力滿足運(yùn)行要求。

d)改造及新建風(fēng)電場應(yīng)向相應(yīng)管理機(jī)構(gòu)提交滿足高電壓穿越能力要求的檢測報告。

4 結(jié)論

雁淮直流近區(qū)風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力研究在廣泛調(diào)研、查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過仿真計算雁淮直流近區(qū)風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組近期（2018年）和遠(yuǎn)期（2020年）的暫態(tài)過電壓水平，確定了直流近區(qū)需要進(jìn)行高電壓穿越能力改造的風(fēng)電場范圍，提出了相應(yīng)的改造建議，并完成了改造費(fèi)用估算。同時對直流近區(qū)2019年—2020年預(yù)期投產(chǎn)的風(fēng)電場提出了高電壓穿越能力具體要求，并提出了風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力檢測與驗(yàn)收建議，對于后期開展風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越能力改造具有指導(dǎo)意義。