海上風電風機遠程送電的諧振問題分析與解決方案

摘要：海上風電因具有不占用陸上土地資源、風能利用效率高等諸多優勢，隨著海上風電場建設成本的下降，得到了迅速發展。目前，海上風電場的場內集電線路一般采用35 kV電壓等級，風電機組采用一機一變的方式升壓至35 kV，多臺風電機組組合成一個聯合單元后，再送入升壓變電站。由于受外界系統故障的影響，系統恢復后，風機啟機送電受風況和海浪制約，其可達性將決定損失電量的大小。現著重探討遠距離快速送電的并聯諧振問題及可行的解決方案。

關鍵詞：海上風電;送電;諧振;解決方案

0? ? 引言

全球能源轉型為海上風電發展提供了廣闊的發展空間，我國“十三五”規劃將建設4個千萬千瓦級海上風電場。通過近十年的發展，海上風電投資逐步下降，建設速度逐步加快，積累了一定的海上風電場運行經驗。目前，海上風電場的場內集電線路一般采用35 kV電壓等級，風電機組采用一機一變的方式升壓至35 kV，多臺風電機組組合成一個聯合單元后，根據遠近再送入陸上升壓變電站或海上升壓變電站。近海海上風機的運維需要借助運維船舶，目前采用的運維船舶多由交通船改裝，抗風等級6級，新型自航雙體高速風電運維船，抗風等級可提升至7級，但仍然不能滿足全天候作業條件，風機運維受到制約。尤其是在電網故障或站內設備故障時，如修復后面臨連續大風天氣，船舶避風無法恢復送電，則將遭遇巨大的電量損失，而通過遠程停送風機電源，可以為風電場經濟運行提供保障。

1? ? 35 kV分支線路集中送電的諧振問題

1.1? ? 故障停機事件

上海臨港海上風電場位于南匯邊灘的近海海域，場址區西側距離岸線最近處約10 km，最遠處約20 km，一期工程安裝25臺4 MW風機，二期工程安裝28臺3.6 MW風機。二期工程風機出口電壓為0.69 kV，經過風電機組自帶的箱變（3～35 kV）升至35 kV。28臺機組分為4組，其中兩組7臺，一組6臺，一組8臺，同一組內的風電機組分支纜相連后與35 kV主海纜連接，所有風電機組通過4根主海纜接入岸上（35/220 kV）升壓站，升壓至220 kV后接入臨港站。二期工程2018年曾發生電網220 kV送出電纜中間接頭爆炸事故，搶修后，升壓站恢復送電，但因為風況原因船舶無法出海，停機一周，損失電量約2 000萬kWh。2018年10月4日，因主變壓力釋放閥動作跳閘，35 kV Ⅱ段母線失電，后查明原因并恢復送電，由于風況原因無法出海，35 kV風機組4條回路風機分別采取中控遠程集中送電方式，前3條回路（#5回路、#6回路、#7回路）送電正常，風機陸續恢復啟機，當送電至第4條回路（#8回路）時，回路開關跳閘，后經檢查發現#8回路其中一臺風機（#27）變壓器損壞。

1.2? ? 原因分析

#8回路陸纜經海纜轉換井后由海纜主纜送電至#8回路第一臺風機，再由分支海纜連入后續6臺風機，由于海纜相間和對地電容較大，與風機主變并聯，故障原因除主變本身絕緣因素外，發生并聯諧振從而造成#27機主變損壞也是可能的原因。下面重點對可能發生并聯諧振的情況進行分析。

海上風場采用的電纜為35 kV光纖復合海底纜（型號HYJQF41-26/35），登陸后轉為陸纜（型號ZSFF-YJA-26/35）。三芯電纜電容分布其等效電路如圖1所示，其相間電容可等效轉換為對中性點電容。

一般電力電纜對地電容Cy和線間電容3Cx近似相等，即Cx≈1/3Cy，則換算后電纜一相對中性點電容C=2Cy，后文電容量均為換算后對中性點電容，變壓器阻抗亦為換算后對中性點阻抗。

風機主變壓器簡化等值電路如圖2所示。

以#8風機組回路為例，其拓撲圖如圖3所示。

等效電路如圖4所示。

同理，其他支路亦可按#8風機組回路等效，4條風機組回路陸、海纜型號如表1所示，忽略電纜導體阻抗以及風機主變繞組電阻和漏抗，可以將各回路等效電路簡化為如圖5所示，計算得各條風機回路變壓器等效阻抗如表2所示，電纜等效電容如表3所示。

實際變壓器空投時情況復雜，可能出現一相飽和、兩相飽和和三相飽和的情形，并且各相進入飽和及退出飽和的時間不同。變壓器在正常運行及外部故障時，勵磁電感數值非常大，且不具有波動性，如表2計算結果;變壓器發生內部故障時，等效勵磁電感數值很小（漏感級別），并無波動;變壓器空投等原因造成鐵芯飽和時，勵磁電感的數值在正常高值與飽和低值之間周期變化，具有明顯波動性。所以，一般情況下，勵磁阻抗并非一個常數，而是一個非線性的參數。

1.2.1? ? 直接沖擊合閘回路組總體并聯諧振分析

風機送電如采取風機內所有負荷開關和風機主變開關預先在合閘位置，由陸上集控中心35 kV開關室直接合閘方式送電，其總體發生并聯諧振可能性R及關系如圖6所示，R<，有發生并聯諧振的可能。

1.2.2? ? 直接沖擊合閘回路組內各節點分支并聯諧振分析

仍假定風機送電采取風機內所有負荷開關和風機主變開關預先在合閘位置，由陸上集控中心直接沖擊合閘方式送電，以#8回路為例分支R及關系如圖7所示，可知各節點向分支末端均有發生諧振的可能。

1.2.3? ? 將各風機組內主變開關斷開后逐一合閘并聯諧振分析

假定將風機內主變開關斷開，首先由35 kV開關室對整條海纜線路充電，風機主變開關由前向后逐一合閘送電，每送電一臺待并網后進行下臺風機主變合閘送電操作，直至全部送電完成，由于風機并網完成后阻尼較大，此時僅關注后續風機主變空載合閘時的并聯諧振情況。以#8回路為例，分支R及關系如圖8所示，可知各節點合閘仍無法避免發生并聯諧振可能。

1.2.4? ? 諧振頻率與變壓器阻抗關系特征

變壓器空載合閘瞬間由于磁通滯后電壓90°，在電壓相位過零點時合閘，此時磁通為-Φm，由于磁通不能突變，鐵芯內會存在一個非周期分量Φm，經1/2周期后，磁通達2Φm，會造成變壓器鐵芯嚴重飽和，導致勵磁電流畸變為尖頂波，含有大量的諧波分量，包含直流分量、2/3/4次諧波，諧波分量隨階數增加而減少。此時勵磁電抗L將隨著飽和程度的加深而減小，遠小于空載電抗Lm;磁阻R由于磁導率的減小而增大，大于空載穩態磁阻Rm。

可見采取遠程風機組開關分別合閘送電方式，比風機組所有風機直接沖擊合閘送電方式最大諧振頻率下降明顯。兩種送電合閘方式下的諧振頻率都較低，主要的并聯諧振為低頻鐵磁諧振。由圖5，通過計算其諧振時阻抗支路電流IL=U/

通過以上分析可知并聯諧振因素并非變壓器損壞的主要原因。變壓器沖擊合閘損壞與運行高負荷時突然跳閘，長時間停運絕緣吸潮，或漏雨加劇絕緣降低關系密切，與沖擊合閘時由于絕緣受潮，接地電流大，保護不能及時跳閘有關。

2? ? 改造實施

2.1? ? 風機內主變壓器保護配置

風機組回路配置保護型號為NSR-

612RF，提供線路電流速斷、過流、零序電流保護;風機內主變保護型號為RF-615，提供電流速斷、過流、零序電流保護，并有涌流檢測和閉鎖功能。由于直接由集控中心遠程沖擊合閘時，風機組尚未帶電，風機內保護裝置未開啟，開關柜或風機內主變故障只能由35 kV風機組保護NSR-612RF判斷，保護裝置按照短路電流進行整定，如出現變壓器受潮絕緣降低，零序保護靈敏性低，其值達不到保護動作值，可能會造成風機主變絕緣損壞。

改造實施后采取風機逐一送電并網方式，首先讓風機內主變保護在投運狀態，如面臨主變受潮絕緣性降低等故障，風機內主變RF-615零序電流保護可以起到相應保護作用。

2.2? ? 塔筒內濕度控制

風機內濕度控制有利于風機主變絕緣穩定，為此需重新逐臺檢查風機塔筒海纜登陸口封堵情況，采用新式封堵模塊進行電纜口封堵，防止漏雨。對塔筒門進行檢查，更新密封膠條，保證正常時密封良好。檢查塔底通風扇內百葉，確保處于完好擋雨狀態，并定期更換塔底進風口吸濕過濾材料。

由于遠程操作合閘無法以人工方式在送電前檢測風機主變絕緣，所以經過SCADA系統實時監控風機主變周圍濕度很有必要，為此改造時增設就地濕度檢測儀一塊，通過電纜將信號引入主控PLC模塊，濕度控制在70%以內，超過80%系統自動報警。在塔筒內主變內壁懸掛濕度檢測儀，平常用以巡查和與自動檢測系統比對，防止出現檢測偏差，在塔筒濕度出現升高時立即進行處理，長期保持風機主變周圍環境濕度在正常合理范圍內。更改運行規程，通常風機停運時間不超過一周，濕度正常在70%以內時可遠程合閘送電。

2.3? ? 風機主變及風機轉子開關遠程控制

將高壓柜狀態信號通過RS485數據線傳輸到風機監控系統;開關柜內開關分、合閘由硬接線接入塔底主控柜，由專門PLC模塊進行分合閘控制;在集中控制中心風機SCADA控制界面設置開關操作頁，并有明確的狀態顯示，便于運行人員確認，操作時需操作人員和監護人員雙重密碼確認，防止誤操作;實現遠程主變高壓開關合閘和風機轉子開關遠程分合閘，從而實現風機遠程送電啟停操作。

風機內開關的操作電源由專門的UPS提供，為了使風機斷電后UPS電池能夠提供足夠長時間的電源，需測定風機斷電后的放電電流，根據所需的放電容量匹配電池容量，并對電池進行適當維護。

3? ? 結語

海上風力發電場由于受電網影響不可避免會發生集電線路（海纜）中斷供電情形，由于氣候原因造成出海限制，風機往往不可達，本文分析了支路所有風機直接遠程沖擊合閘以及逐臺合閘的諧振情況，表明無論采取何種方式送電，均不能完全避免風機主變發生并聯鐵磁諧振，但該諧振區間不足以對變壓器構成嚴重危害。直接沖擊合閘時，單個變壓器失去保護，35 kV線路組保護靈敏性低，變壓器受潮時沖擊合閘易損壞絕緣。臨港海上風場通過對海纜集電線路遠程分、合閘改造，實現了遠程分合閘功能，并加強了對風機塔筒內濕度的監視，使突發情況下應急操作能力得到加強，也方便了日常風機的停送電操作，有效避免了送電合閘時風機主變絕緣損壞造成電量損失的情況。本次改造對于風場在設計階段考慮遠程分合閘問題有一定參考意義。

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收稿日期：2020-03-06

作者簡介：張建民（1970—），男，江蘇泰興人，工程師，研究方向：電氣工程自動化。