海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程送電的諧振問(wèn)題分析與解決方案

摘要：海上風(fēng)電因具有不占用陸上土地資源、風(fēng)能利用效率高等諸多優(yōu)勢(shì)，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本的下降，得到了迅速發(fā)展。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)內(nèi)集電線路一般采用35 kV電壓等級(jí)，風(fēng)電機(jī)組采用一機(jī)一變的方式升壓至35 kV，多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組合成一個(gè)聯(lián)合單元后，再送入升壓變電站。由于受外界系統(tǒng)故障的影響，系統(tǒng)恢復(fù)后，風(fēng)機(jī)啟機(jī)送電受風(fēng)況和海浪制約，其可達(dá)性將決定損失電量的大小?，F(xiàn)著重探討遠(yuǎn)距離快速送電的并聯(lián)諧振問(wèn)題及可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;送電;諧振;解決方案

0? ? 引言

全球能源轉(zhuǎn)型為海上風(fēng)電發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間，我國(guó)“十三五”規(guī)劃將建設(shè)4個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)海上風(fēng)電場(chǎng)。通過(guò)近十年的發(fā)展，海上風(fēng)電投資逐步下降，建設(shè)速度逐步加快，積累了一定的海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)內(nèi)集電線路一般采用35 kV電壓等級(jí)，風(fēng)電機(jī)組采用一機(jī)一變的方式升壓至35 kV，多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組合成一個(gè)聯(lián)合單元后，根據(jù)遠(yuǎn)近再送入陸上升壓變電站或海上升壓變電站。近海海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)維需要借助運(yùn)維船舶，目前采用的運(yùn)維船舶多由交通船改裝，抗風(fēng)等級(jí)6級(jí)，新型自航雙體高速風(fēng)電運(yùn)維船，抗風(fēng)等級(jí)可提升至7級(jí)，但仍然不能滿足全天候作業(yè)條件，風(fēng)機(jī)運(yùn)維受到制約。尤其是在電網(wǎng)故障或站內(nèi)設(shè)備故障時(shí)，如修復(fù)后面臨連續(xù)大風(fēng)天氣，船舶避風(fēng)無(wú)法恢復(fù)送電，則將遭遇巨大的電量損失，而通過(guò)遠(yuǎn)程停送風(fēng)機(jī)電源，可以為風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障。

1? ? 35 kV分支線路集中送電的諧振問(wèn)題

1.1? ? 故障停機(jī)事件

上海臨港海上風(fēng)電場(chǎng)位于南匯邊灘的近海海域，場(chǎng)址區(qū)西側(cè)距離岸線最近處約10 km，最遠(yuǎn)處約20 km，一期工程安裝25臺(tái)4 MW風(fēng)機(jī)，二期工程安裝28臺(tái)3.6 MW風(fēng)機(jī)。二期工程風(fēng)機(jī)出口電壓為0.69 kV，經(jīng)過(guò)風(fēng)電機(jī)組自帶的箱變（3～35 kV）升至35 kV。28臺(tái)機(jī)組分為4組，其中兩組7臺(tái)，一組6臺(tái)，一組8臺(tái)，同一組內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組分支纜相連后與35 kV主海纜連接，所有風(fēng)電機(jī)組通過(guò)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(fā)生電網(wǎng)220 kV送出電纜中間接頭爆炸事故，搶修后，升壓站恢復(fù)送電，但因?yàn)轱L(fēng)況原因船舶無(wú)法出海，停機(jī)一周，損失電量約2 000萬(wàn)kWh。2018年10月4日，因主變壓力釋放閥動(dòng)作跳閘，35 kV Ⅱ段母線失電，后查明原因并恢復(fù)送電，由于風(fēng)況原因無(wú)法出海，35 kV風(fēng)機(jī)組4條回路風(fēng)機(jī)分別采取中控遠(yuǎn)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(fēng)機(jī)陸續(xù)恢復(fù)啟機(jī)，當(dāng)送電至第4條回路（#8回路）時(shí)，回路開(kāi)關(guān)跳閘，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)#8回路其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)（#27）變壓器損壞。

1.2? ? 原因分析

#8回路陸纜經(jīng)海纜轉(zhuǎn)換井后由海纜主纜送電至#8回路第一臺(tái)風(fēng)機(jī)，再由分支海纜連入后續(xù)6臺(tái)風(fēng)機(jī)，由于海纜相間和對(duì)地電容較大，與風(fēng)機(jī)主變并聯(lián)，故障原因除主變本身絕緣因素外，發(fā)生并聯(lián)諧振從而造成#27機(jī)主變損壞也是可能的原因。下面重點(diǎn)對(duì)可能發(fā)生并聯(lián)諧振的情況進(jìn)行分析。

海上風(fēng)場(chǎng)采用的電纜為35 kV光纖復(fù)合海底纜（型號(hào)HYJQF41-26/35），登陸后轉(zhuǎn)為陸纜（型號(hào)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(zhuǎn)換為對(duì)中性點(diǎn)電容。

一般電力電纜對(duì)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(duì)中性點(diǎn)電容C=2Cy，后文電容量均為換算后對(duì)中性點(diǎn)電容，變壓器阻抗亦為換算后對(duì)中性點(diǎn)阻抗。

風(fēng)機(jī)主變壓器簡(jiǎn)化等值電路如圖2所示。

以#8風(fēng)機(jī)組回路為例，其拓?fù)鋱D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(fēng)機(jī)組回路等效，4條風(fēng)機(jī)組回路陸、海纜型號(hào)如表1所示，忽略電纜導(dǎo)體阻抗以及風(fēng)機(jī)主變繞組電阻和漏抗，可以將各回路等效電路簡(jiǎn)化為如圖5所示，計(jì)算得各條風(fēng)機(jī)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(shí)際變壓器空投時(shí)情況復(fù)雜，可能出現(xiàn)一相飽和、兩相飽和和三相飽和的情形，并且各相進(jìn)入飽和及退出飽和的時(shí)間不同。變壓器在正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，勵(lì)磁電感數(shù)值非常大，且不具有波動(dòng)性，如表2計(jì)算結(jié)果;變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，等效勵(lì)磁電感數(shù)值很小（漏感級(jí)別），并無(wú)波動(dòng);變壓器空投等原因造成鐵芯飽和時(shí)，勵(lì)磁電感的數(shù)值在正常高值與飽和低值之間周期變化，具有明顯波動(dòng)性。所以，一般情況下，勵(lì)磁阻抗并非一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)非線性的參數(shù)。

1.2.1? ? 直接沖擊合閘回路組總體并聯(lián)諧振分析

風(fēng)機(jī)送電如采取風(fēng)機(jī)內(nèi)所有負(fù)荷開(kāi)關(guān)和風(fēng)機(jī)主變開(kāi)關(guān)預(yù)先在合閘位置，由陸上集控中心35 kV開(kāi)關(guān)室直接合閘方式送電，其總體發(fā)生并聯(lián)諧振可能性R及關(guān)系如圖6所示，R<，有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能。

1.2.2? ? 直接沖擊合閘回路組內(nèi)各節(jié)點(diǎn)分支并聯(lián)諧振分析

仍假定風(fēng)機(jī)送電采取風(fēng)機(jī)內(nèi)所有負(fù)荷開(kāi)關(guān)和風(fēng)機(jī)主變開(kāi)關(guān)預(yù)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(guān)系如圖7所示，可知各節(jié)點(diǎn)向分支末端均有發(fā)生諧振的可能。

1.2.3? ? 將各風(fēng)機(jī)組內(nèi)主變開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后逐一合閘并聯(lián)諧振分析

假定將風(fēng)機(jī)內(nèi)主變開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，首先由35 kV開(kāi)關(guān)室對(duì)整條海纜線路充電，風(fēng)機(jī)主變開(kāi)關(guān)由前向后逐一合閘送電，每送電一臺(tái)待并網(wǎng)后進(jìn)行下臺(tái)風(fēng)機(jī)主變合閘送電操作，直至全部送電完成，由于風(fēng)機(jī)并網(wǎng)完成后阻尼較大，此時(shí)僅關(guān)注后續(xù)風(fēng)機(jī)主變空載合閘時(shí)的并聯(lián)諧振情況。以#8回路為例，分支R及關(guān)系如圖8所示，可知各節(jié)點(diǎn)合閘仍無(wú)法避免發(fā)生并聯(lián)諧振可能。

1.2.4? ? 諧振頻率與變壓器阻抗關(guān)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(guò)零點(diǎn)時(shí)合閘，此時(shí)磁通為-Φm，由于磁通不能突變，鐵芯內(nèi)會(huì)存在一個(gè)非周期分量Φm，經(jīng)1/2周期后，磁通達(dá)2Φm，會(huì)造成變壓器鐵芯嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流畸變?yōu)榧忭敳?，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(shù)增加而減少。此時(shí)勵(lì)磁電抗L將隨著飽和程度的加深而減小，遠(yuǎn)小于空載電抗Lm;磁阻R由于磁導(dǎo)率的減小而增大，大于空載穩(wěn)態(tài)磁阻Rm。

可見(jiàn)采取遠(yuǎn)程風(fēng)機(jī)組開(kāi)關(guān)分別合閘送電方式，比風(fēng)機(jī)組所有風(fēng)機(jī)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(lián)諧振為低頻鐵磁諧振。由圖5，通過(guò)計(jì)算其諧振時(shí)阻抗支路電流IL=U/

通過(guò)以上分析可知并聯(lián)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(yùn)行高負(fù)荷時(shí)突然跳閘，長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)絕緣吸潮，或漏雨加劇絕緣降低關(guān)系密切，與沖擊合閘時(shí)由于絕緣受潮，接地電流大，保護(hù)不能及時(shí)跳閘有關(guān)。

2? ? 改造實(shí)施

2.1? ? 風(fēng)機(jī)內(nèi)主變壓器保護(hù)配置

風(fēng)機(jī)組回路配置保護(hù)型號(hào)為NSR-

612RF，提供線路電流速斷、過(guò)流、零序電流保護(hù);風(fēng)機(jī)內(nèi)主變保護(hù)型號(hào)為RF-615，提供電流速斷、過(guò)流、零序電流保護(hù)，并有涌流檢測(cè)和閉鎖功能。由于直接由集控中心遠(yuǎn)程沖擊合閘時(shí)，風(fēng)機(jī)組尚未帶電，風(fēng)機(jī)內(nèi)保護(hù)裝置未開(kāi)啟，開(kāi)關(guān)柜或風(fēng)機(jī)內(nèi)主變故障只能由35 kV風(fēng)機(jī)組保護(hù)NSR-612RF判斷，保護(hù)裝置按照短路電流進(jìn)行整定，如出現(xiàn)變壓器受潮絕緣降低，零序保護(hù)靈敏性低，其值達(dá)不到保護(hù)動(dòng)作值，可能會(huì)造成風(fēng)機(jī)主變絕緣損壞。

改造實(shí)施后采取風(fēng)機(jī)逐一送電并網(wǎng)方式，首先讓風(fēng)機(jī)內(nèi)主變保護(hù)在投運(yùn)狀態(tài)，如面臨主變受潮絕緣性降低等故障，風(fēng)機(jī)內(nèi)主變RF-615零序電流保護(hù)可以起到相應(yīng)保護(hù)作用。

2.2? ? 塔筒內(nèi)濕度控制

風(fēng)機(jī)內(nèi)濕度控制有利于風(fēng)機(jī)主變絕緣穩(wěn)定，為此需重新逐臺(tái)檢查風(fēng)機(jī)塔筒海纜登陸口封堵情況，采用新式封堵模塊進(jìn)行電纜口封堵，防止漏雨。對(duì)塔筒門(mén)進(jìn)行檢查，更新密封膠條，保證正常時(shí)密封良好。檢查塔底通風(fēng)扇內(nèi)百葉，確保處于完好擋雨?duì)顟B(tài)，并定期更換塔底進(jìn)風(fēng)口吸濕過(guò)濾材料。

由于遠(yuǎn)程操作合閘無(wú)法以人工方式在送電前檢測(cè)風(fēng)機(jī)主變絕緣，所以經(jīng)過(guò)SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)主變周?chē)鷿穸群苡斜匾瑸榇烁脑鞎r(shí)增設(shè)就地濕度檢測(cè)儀一塊，通過(guò)電纜將信號(hào)引入主控PLC模塊，濕度控制在70%以內(nèi)，超過(guò)80%系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。在塔筒內(nèi)主變內(nèi)壁懸掛濕度檢測(cè)儀，平常用以巡查和與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)比對(duì)，防止出現(xiàn)檢測(cè)偏差，在塔筒濕度出現(xiàn)升高時(shí)立即進(jìn)行處理，長(zhǎng)期保持風(fēng)機(jī)主變周?chē)h(huán)境濕度在正常合理范圍內(nèi)。更改運(yùn)行規(guī)程，通常風(fēng)機(jī)停運(yùn)時(shí)間不超過(guò)一周，濕度正常在70%以內(nèi)時(shí)可遠(yuǎn)程合閘送電。

2.3? ? 風(fēng)機(jī)主變及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制

將高壓柜狀態(tài)信號(hào)通過(guò)RS485數(shù)據(jù)線傳輸?shù)斤L(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);開(kāi)關(guān)柜內(nèi)開(kāi)關(guān)分、合閘由硬接線接入塔底主控柜，由專門(mén)PLC模塊進(jìn)行分合閘控制;在集中控制中心風(fēng)機(jī)SCADA控制界面設(shè)置開(kāi)關(guān)操作頁(yè)，并有明確的狀態(tài)顯示，便于運(yùn)行人員確認(rèn)，操作時(shí)需操作人員和監(jiān)護(hù)人員雙重密碼確認(rèn)，防止誤操作;實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主變高壓開(kāi)關(guān)合閘和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程分合閘，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程送電啟停操作。

風(fēng)機(jī)內(nèi)開(kāi)關(guān)的操作電源由專門(mén)的UPS提供，為了使風(fēng)機(jī)斷電后UPS電池能夠提供足夠長(zhǎng)時(shí)間的電源，需測(cè)定風(fēng)機(jī)斷電后的放電電流，根據(jù)所需的放電容量匹配電池容量，并對(duì)電池進(jìn)行適當(dāng)維護(hù)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)由于受電網(wǎng)影響不可避免會(huì)發(fā)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(fēng)機(jī)往往不可達(dá)，本文分析了支路所有風(fēng)機(jī)直接遠(yuǎn)程沖擊合閘以及逐臺(tái)合閘的諧振情況，表明無(wú)論采取何種方式送電，均不能完全避免風(fēng)機(jī)主變發(fā)生并聯(lián)鐵磁諧振，但該諧振區(qū)間不足以對(duì)變壓器構(gòu)成嚴(yán)重危害。直接沖擊合閘時(shí)，單個(gè)變壓器失去保護(hù)，35 kV線路組保護(hù)靈敏性低，變壓器受潮時(shí)沖擊合閘易損壞絕緣。臨港海上風(fēng)場(chǎng)通過(guò)對(duì)海纜集電線路遠(yuǎn)程分、合閘改造，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程分合閘功能，并加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)濕度的監(jiān)視，使突發(fā)情況下應(yīng)急操作能力得到加強(qiáng)，也方便了日常風(fēng)機(jī)的停送電操作，有效避免了送電合閘時(shí)風(fēng)機(jī)主變絕緣損壞造成電量損失的情況。本次改造對(duì)于風(fēng)場(chǎng)在設(shè)計(jì)階段考慮遠(yuǎn)程分合閘問(wèn)題有一定參考意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 段庚勇，馮琳，李國(guó)杰.考慮集電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電場(chǎng)諧振研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（22）：1-11.

[2] 劉建軍，馬洪順，朱繼秋，等.新華發(fā)電廠6 kV諧振過(guò)電壓的分析計(jì)算及防止措施[J].黑龍江電力技術(shù)，1995，17（4）：211-213.

[3] 田斌賓.海洋石油平臺(tái)海纜擊穿故障的研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[4] 胡金東.黎湛鐵路電力線路電容電流分析與研究[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2015，21（1）：9-11.

[5] 王志新.海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[6] 邱關(guān)源.電路.4版[M].北京：高等教育出版社，1999.

[7] 江蘇省電力工業(yè)局，江蘇省電力試驗(yàn)研究所.電氣試驗(yàn)技能培訓(xùn)教材[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998.

[8] 楊校生.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場(chǎng)工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

收稿日期：2020-03-06

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