風電機組高電壓穿越技術要求與技術改造要點分析

（寧夏電投新能源有限公司，寧夏 吳忠 751900）

無論是從發展趨勢、現實要求還是從技術層面分析，電能替代其他不可再生能源消耗，是我國當今能源發展的趨勢，符合我國國情。目前，我國的電力生產主要依靠火力發電、水力發電、風力發電、太陽能發電、核動力發電等幾種方式。在這些發電方式中，風電逐漸成為我國電力輸出的主力軍，繼火力發電、水力發電之后成為我國第三大電源。

1 現今風電機組系統存在的問題

風電機組在我國近十幾年間發展迅速，但在發展過程中依舊有許多不足之處。2016年新修訂的《風電場接入電力系統技術規定》（GB/T 19963—2016）充分考慮我國現今風電機組的實際技術水平和風電發展規模，為了更好地促進我國電力行業的發展，該技術規定對風電機組耐壓、耐頻、調壓、調頻等的相關技術要求比較低。風電場的建立受很多外在因素和內在因素影響，電網如果發生故障，風力發電儀器設備的響應特性對發電的影響不能忽視。所以，風電涉網特性的升級改造是風電機組建設的重點，其主要目的是提升風電并網特性，實現電力系統的實時能量平衡，保證穩定的電壓、電流和消納水平。提升風電并網特性，能夠保證電網在短期故障時平穩運行、不發生脫網現象，減少故障發生面積[1]。

就目前技術而言，風電機組投運主要存在三個問題。一是電壓穩定性問題，新能源機組與系統的電壓調節不能很好參與進來，投運時功率有較大波動，不能保證風電機組的穩定運行，加大了電壓穩定的難度。二是頻率的穩定性問題，并網運行的新能源機組與系統的調頻設備不能很好協作，造成電力系統備用容量增大，進而使調頻壓力增大。三是電力系統的暫態穩定問題，電力系統受到大干擾，會降低系統的有效轉動慣量，從而降低電網的穩定性。

2 高電壓故障發生的根源

2.1 直流特高壓電網的高電壓故障發生根源

直流特高壓電網投運后，直流輸電會出現很多故障。當故障出現后，直流特高壓電網會出現兩種故障形態，分別是換相失敗和直流閉鎖。換相失敗在直流特高壓電網上表現為直流功率瞬間跌至為零，技術人員排除故障后，直流功率又能迅速恢復正常，在故障排除及時的情況下，這種現象一般持續200 ms左右。出現換相失敗后，特高壓電網直流從受端到送端的電流傳遞受阻，會造成送端環流母線電壓急劇降低，故障排除后，直流電流傳遞需要時間，直流無功補償，將會涌入交流電網，出現暫態過電壓，形成直流閉鎖。在故障順利排除后，換相失敗造成的直流功率短時中斷能夠迅速恢復，而一旦發生直流閉鎖，這種現象是不可逆的，一般發生于較大的電網事故，會造成直流不能運行。例如，2018年3月22日，巴西發生的特大停電事故就是直流閉鎖造成的，這次停電事故造成巴西北部和東北部至少14個州供電中斷，共造成18 000 MW負荷損失，巴西境內有大約四分之一的用戶停電。

2.2 風電場高電壓故障發生根源

風電場高電壓故障發生的主要原因是電壓過高，電壓過高的主要原因是無功補償方式的不科學或投入電容量不合理。國內風電場主要采用過補償的無功補償方式，這種過補償的方式不容易控制風電場的電壓，造成風電場電壓偏高。投入電容量不合理是由于風電場出現低電壓造成高電壓故障。在風電負荷較高或處于滿發狀態時，風電場電壓偏低，變電站技術人員需要向風電場內投入一定量電容來提高風電場系統的電壓。電容量一般采用人工投入方式，投入量沒有經過科學計算，一旦投入過多會導致電容過調，而對端風電場升壓站如果開始調節無功補償裝置升壓，兩端電壓比較高，會導致此節段風電機組接入的饋線網絡整體電壓高出正常值，導致風電機組無法耐受系統過高電壓而發生脫網事故。一旦局部風電機組脫網，風電場高電壓系統側變電站沒有及時采取應急措施，風電機組脫網會蔓延整個區域。

3 風電機組高電壓穿越技術要求

風電機組高電壓的穿越技術是指在電網發生故障或外力擾動使電壓不穩定升高時，在故障發生的一定時間內和一定電壓區間內，保證風電機組不會脫網還能夠保證系統的穩定性。風電機組各設備可以滿足高電壓耐受要求，在110%～130%額定電壓（Un*MERGEFORMAT）范圍內通過軟件控制實現風電機組高電壓穿越，對穿越過程進行全程實時監測，實現穿越過程的可控，保證風電機組系統的穩定運行。其穿越的要點是依靠變流器動態無功控制，利用設備形成的正向電壓降，從而實現風電機組高電壓的穿越。

3.1 基本技術要求

我國新修訂的《風電機組高電壓穿越測試規程》（NB/T 31111—2017）對風電機組高電壓穿越技術的要求如下：風電機組電壓升高至110%額定電壓時，能夠連續不脫網運行；風電機組電壓升高至1.15Un*MERGEFORMAT時，能夠連續不脫網運行10 s；風電機組電壓升高至1.2Un*MERGEFORMAT時，能夠連續不脫網運行2 000 ms；風電機組電壓升高至1.25%Un*MERGEFORMAT時，能夠連續不脫網運行1 000 ms；風電機組電壓升高至1.3Un*MERGEFORMAT時，能夠連續不脫網運行200 ms。

3.2 電壓升高類型及考核電壓

當風電機組發生故障引起電壓升高時，風電機組在一定電壓區間和一定時間內使系統穩定運行不脫網，保證系統的穩定性，如圖1所示。電壓升高的主要類型有兩種，一種是三相對稱電壓升高，還有一種是兩相不對稱電壓升高。它們的考核電壓均為風電機組測試點線電壓。

3.3 有功恢復

電壓升高需要及時切出電網的風電機組，如果沒有及時切出，等故障排除后，應將風電機組的有功功率快速恢復至故障前實際的輸出功率。

3.4 動態無功支撐能力

當風電機組電壓升高（保持在110%～130%額定電壓）時，風電機組應具備電壓升高的快速響應，并通過無功電流注入使電壓快速恢復正常。

圖1 風電機組高電壓穿越技術要求

4 風電機組高電壓穿越技術改造要點

4.1 高電壓穿越實現原理

一次設備和二次設備均在滿足耐壓條件的前提下進行變流設備的無功控制，利用設備形成的正向電壓降，從而實現風電機組高壓電的穿越。風電機組升壓站按照無功交換截零的控制方式，調節無功補償裝置升壓達到0.1Un*MERGEFORMAT，升壓變壓器高側壓達到1.3Un*MERGEFORMAT時，低側壓應在1.2Un*MERGEFORMAT左右。

4.2 高、低電壓穿越對比

高、低電壓穿越故障暫態過電壓時，高電壓的電壓變化幅度小，ΔU*MERGEFORMAT≤0.3Un*MERGEFORMAT，低電壓的電壓變化幅度大，ΔU*MERGEFORMAT≤0.8Un*MERGEFORMAT；高、低電壓穿越故障暫態過電壓時，高電壓風電機組能量可以正常輸出，低電壓風電機組能量不能正常輸出，兩者相比風電機組高電壓穿越技術難度較低。

4.3 電氣元件高電壓耐受要求

要想實現風電機組高電壓穿越，首先要保證風電場內各種設備系統（一次設備、二次設備）均符合高電壓的耐受要求。全部一次設備和完成低電壓穿越UPS供電改造的二次設備供電系統要具備耐受1.3倍高電壓的能力。變流器內功率器件是風電機組重要的電氣元件，其高電壓的耐受要求較高，最大耐受值為1.33Un*MERGEFORMAT。風電機組主要電氣元件的高電壓耐受要求如表1所示。

表1 風電機組主要電氣元件的高電壓耐受要求

4.4 主控系統高電壓穿越控制要點

風電機組實現高電壓穿越的前提是需要變流器和主控系統的相互配合，主控系統內的實時監測系統監測到電壓升高信號后，主控系統要開啟自我保護機制，繪制電網高電壓穿越保護曲線，屏蔽與高電壓相關的故障，待故障排出后，恢復正常功能。

4.5 風電機組無功調節技術要求

風電機組接收到電壓升高信號后，能在1 s內快速調節無功輸出，參與到電網調壓中，無功功率調節誤差應控制在±0.02Pn*MERGEFORMAT以內，同時主控系統還應開放無功指令控制端口，能夠有效接收協調控制系統的無功控制指令,從而能更快做出反應，迅速參與電網調壓，在風電機組Qmin*MERGEFORMAT～Qmax*MERGEFORMAT無功處理范圍內實現無功調壓，使系統電壓恢復正常。

5 結語

風電機組高電壓穿越技術可以在可控范圍內保證風電機組系統的平穩運行，降低故障發生面積，減少資源的不必要浪費，在短時間內找出故障發生原因并及時修復，避免發生風電機組脫網事故，保證風電機組的正常運行。