风电机组变流器网侧浪涌保护器选型及接地优化研究

王朝明

（东南大学电气工程学院，南京 210096）

0 引言

风能作为一种清洁无污染的可持续能源，利用其发电有利于改善我们能源结构，缓解火力发电等带来的化石能源供给及环境污染问题[1]。近十年来，风电行业在我国得到快速发展。截止2017年，我国累计装机容量占全球的35%。但随着优质风能资源地区的减少，风机正快速朝低风速方向发展，即要求风机具有更高的高度，更大的单机扫略面积，给安装在孤立旷野易遭受雷击的机组带来更大的防雷挑战[2-3]。

自然界中的风具有波动性、随机性和间歇性等特点，决定了风力发电具有不稳定性[3]。在双馈型异步发电机中，需要变流器通过对转子进行励磁，从而使定子侧输出达到并网条件的电能。因此，变流器是风力发电机组中的重要组成部分。目前大部分变流器中使用的核心部件为绝缘栅双极型晶体管（IGBT），其本身的耐受过电压值为6 kV，因此在变流器遭受过电压时，为保证变流器能够正常工作需要加装浪涌保护器。目前风电行业中针对变流器中浪涌保护器的使用主要是根据IEC 61400-24标准，但是标准中仅仅对变流器机侧与网侧要求安装合适的SPD，但对其具体型号及安装方式并没有做详细要求[4-10]。此外，周歧斌[11]针对风电机组变流器SPD的安装方式进行试验分析，但对于变流器网侧的SPD选型问题，仅按照GB 50057—2010内要求的在LPZ0B到LPZ1区安装一级SPD进行了测试。

笔者选择风电机组中使用较为广泛的双馈型机组，根据实际雷电浪涌路径，分析变流器网侧可能遭受的雷电流类型，进而确定风电机组中变流器网侧SPD型号。此外，针对目前风电机组中对于SPD接地过长的不规范问题，以变流器网侧SPD为例，进行了理论计算与试验结果验证。

1 理论计算

SPD两端的残压不仅包括SPD自身的残压。由于雷电流是瞬变电流，会在接地线上产生很高线压，从而导致整体残压抬升。因此GB 50057—2010中[10]提出SPD接地线尽量短，需要保证在0.5 m以内。

浪涌保护器安装残压示意图见图1。

图1 浪涌保护器残压Fig.1 Residual voltage of SPD

图中：U0为SPD总残压，U1为SPD本身产生的残压，U2为SPD接地线a和b上产生的线压，故存在下式关系[10]：

接地线a和b上线压U2计算公式如下：

式中：R为线缆a和b上总电阻；L为总电感值。

线缆电阻计算式为

式中：ρ为导线的电阻率，铜为1.75×10-8Ω·m；l为线缆长度。

线缆电感计算如下：

式中：μ0为常数 4π×10-7；l为电缆长度；r为线缆半径。

2 试验方案设计

2.1 变流器试验图及SPD参数选择

如图2所示为双馈型风电机组变流器SPD的安装示意图。按照IEC 61400-24中要求，风电机组变流器机侧、网侧均安装SPD进行雷电过电压或操作过电压保护。本文主要对变流器网侧SPD进行试验分析。

图2 双馈型机组变流器SPD安装示意图Fig.2 The diagram of SPD installation of double feed converter

根据GB 50057—2010中要求，从LPZ0到LPZ1区需要安装一级浪涌保护器，因为LPZ0区中LPZ0A区可能遭受直击雷，且雷电电磁脉冲没有减弱和LPZ0B不可能遭受直击雷，且雷电电磁脉冲没有减弱，从LPZ0区进入LPZ1区时，器件可能遭受直击雷的冲击，因此需要安装一级浪涌保护器。如图3所示为风电机组变流器及箱变安装示意图及防雷分区。变流器至箱变之间线缆全部使用金属穿钢管埋地处理，不会遭受直击雷。箱变为690 V转35 kV，且高压侧和低压侧均安装浪涌保护器。在箱变至升压站有些风场采用全部埋地处理，风机距离升压站较远的风场采用输电线架进行架空处理。但箱变至第一个输电线架也采用了埋地处理。根据以上情况分析，即使架空的输电线路上输电线遭受直击雷，在箱变高、低压侧也有浪涌保护器将雷电电流泄放入地。因此风电机组中变流器网侧虽然处于LPZ0至LPZ1区边界，但实际不可能遭受直击雷的袭击。在变流器网侧安装二级SPD即可[12-16]。本文试验中选择二级SPD，参数如下：In=20 kA，Imax=40 kA，Up=1.5 kV。

图3 变流器和箱变安装位置及分区示意图Fig.3 The location and partition diagram of convener and transformer

2.2 试验测试方案

变流器工作状态和非工作状态下会有很大差异，因此分别进行变流器正常工作状态下网侧SPD测试以及停机状态下SPD测试。试验针对变流器网侧SPD接地线长度对残压影响进行研究，试验中采用2.5 mm2黄绿双色线加柜体钢结构接地方式。

试验中对变流器网侧SPD模拟雷电流冲击，试验冲击波形采用8/20 μs波形。试验回路见图4，利用TEKDPO3012示波器对残压和冲击电流进行记录。

图4 雷电模拟冲击回路Fig.4 The diagram of experiment circuit

试验过程中，首先对按照规范要求接地线在0.5 m以内（0.2 m）的SPD进行测试，冲击电流按照5 kA，10 kA，15 kA和20 kA进行冲击。测试过程中记录相应的残压值。测试后，人为增加接地线长度至0.5 m和1 m，再分别重复上述冲击试验。

3 试验结果分析

为验证变流器SPD接地线长度对冲击残压影响，模拟冲击SPD接地线长度0.2 m，0.5 m和1 m，3种情况下SPD冲击残压。由于变流器正常工作对残压会有影响，因此在冲击试验时，分变流器正常工作和停机状态下测试。

3.1 变流器停机状态

将变流器处于停机状态下，改变网侧SPD接地线长度，进行雷电冲击试验，冲击波形为8/20 μs波形，结果见表1。

从表1中可知，随着冲击电流的增大，SPD所产生的残压会增大。试验中选择的SPD电压保护水平Up=1.5 kV。当冲击电流达到SPDIn=20 kA时，由于接地线长度不同，SPD残压分别为1.91 kV、3.03 kV和4.78 kV。由此可知，由于SPD使用了接地线，在冲击时线上存在线压，会导致残压的抬升。当接地线长度达到1m时，冲击电流In=20 kA时，SPD所产生的残压为4.78 kV，相对于SPD本身残压1.5 kV，提升了3倍。因此风机机组应严格把控SPD接地线长度。目前部分整机厂家对于柜内选择了单点接地，该接地方式导致SPD接地线无法降低，只能够尽量剪短。有些厂家柜内设计为M型接地方式，该接地方式下，SPD接地线可以利用柜体钢板进行直接接地，从而有效保证接地线达到尽量短。

表1 停机状态测试结果Table 1 Results of inactive converter

为进一步验证接地线长度对SPD残压影响，进行残压理论值与实际冲击值进行对比，如图5所示。图中冲击电流In为20 kA，波形为8/20 μs，接地线为2.5 mm2的铜接地线缆，SPD本身残压为1.5 kV的理论与实际冲击残压值。

图5 SPD总残压Fig.5 Total residual voltage of SPDs

从图5中可知，当SPD接地线长度0.7 m时，会产生4 kV左右残压。此时会对变流器中分支线路设备造成绝缘破坏，当SPD接地线长度1 m时，SPD产生的总残压为5.1 kV，比SPD本身残压1.5 kV，高出3.5 kV，上升了2.3倍。如果按照规范要求，接地线长度现在为0.5 m，则此时残压为3.5 kV左右，因此需要尽量减短SPD接地线长度。

3.2 变流器工作状态

变流器工作状态下，改变网侧SPD接地线长度，进行雷电冲击试验，冲击波形为8/20 μs波形，结果见表2。

表2 工作状态测试结果Table 2 Results of active converter

从表2可看出，当SPD接地线长度固定时，随着冲击电流的增大，SPD抑制过电压产生的残压越大。当冲击电流确定时，SPD残压随着接地线的长度增加而增加。对比表1和表2可知，在变流器正常工作状态下，SPD冲击所产生的残压相对于变流器不工作状态下高。一般雷雨天风况较好，风机一般处于工作状态，此时如果变流器受到雷电过电压冲击时，将会更加严重。此外，SPD接地线过长会进一步增加残压，导致变流器内部器件受损。

国内目前风电机组中SPD存在较多不规范处，以SPD接地线为例，在很多机组中发现SPD接地线均存在过长问题，影响了SPD限压效果，提高了SPD残压。

4 结论

目前风电机组中SPD使用存在接地线过长问题，以变流器网侧SPD为例，首先结合风机实际情况，根据GB50057—2010，分析网侧SPD选型，然后研究接地线对残压的影响，得出以下结论：

1）风电机组箱变高、低压侧均有浪涌保护器保护时，变流器网侧可从I级SPD降级为II级。

2）当SPD接地线固定时，随着冲击电流的增大，SPD残压会增大。当冲击电流确定后，SPD残压随着接地线长度增长而增加；此外，相对于变流器停机状态，其工作时会进一步导致SPD残压抬高。

3）随着接地线长度增加，残压增大。当线长达到1 m时，残压理论计算值5.1 kV，高于实际冲击残压4.51 kV。