关于雁淮直流近区风电机组高电压穿越能力改造的探讨

刘翼肇，薄利明，和建民，安立进，林霞

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

0 引言

山西电网位于华北电网西部，是典型的电力外送型电网，分别与华北、华中、华东电网存在电力联系。截至目前，山西省内共建有“三交一直”特高压工程，其中特高压交流北岳站和洪善站分别位于山西省北部和中部；雁淮直流是山西省内唯一一条特高压直流工程，受端为华东电网，输电距离1 095 km，发挥着晋电外送的重要作用。

截止2018年3月底，雁淮直流近区共涉及18座风电场，风电装机容量2 231 MW，且雁淮直流无配套电源投产计划，雁淮直流最大送电能力为4 700 MW；2018年下半年，山西电网运行方式改变后雁淮直流最大送电能力提升至5 900 MW。到2020年，雁淮直流近区预计新增风电420 MW；考虑到山西省内新投产的火电厂及电网运行方式改变后，雁淮直流最大送电能力提升至8 000 MW。

本文在对雁淮直流近区风电机组高电压穿越能力进行广泛调研、查阅相关文献的基础上[1]，通过仿真计算确定了直流近区需要进行高电压穿越能力改造的风电场范围[2,3]，最后提出了相应的改造建议。

1 雁淮直流近区风电场高穿能力要求

1.1 能源行业标准

依据能源行业标准《NB/T31111—2017风电机组高电压穿越测试规程》有关高电压穿越相关要求见图1和表1。具体要求见表1。

图1 能标NB/T 31111—2017有关风机高穿要求

表1 能标NB/T 31111—2017有关风机高穿时间要求

1.2 国家标准

国家标准《风力发电机组 故障电压穿越能力测试规程》规范了风电机组故障电压穿越技术要求与试验方法，目前该标准正处于报批阶段，相关要求见图2和表2。

图2 国标（报批稿）有关风机高穿时间要求

表2 国标（报批稿）有关风机高穿时间要求

根据调研情况雁淮直流近区的风电场及风电机组的高电压穿越能力均不能满足国家标准《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》（报批稿）“UT=1.30、具有连续运行500 ms的能力”的要求，需要对雁淮直流近区风电机组进行暂态压升校核，进一步分析当雁淮直流故障时的近区风电机组过电压情况。

2 雁淮直流近区风电机组暂态压升校核

影响直流近区风电机组暂态压升的主要包括：直流故障类型、风电同时率和风电机组类型3大因素。仿真计算结果表明，当换流站发生连续3次换相失败故障、风电同时率越高、风电机组为直驱风机时，风机的暂态压升幅值最高（见图3、图4）。

2.1 2018年近区风电机组暂态压升校核

方式一为近区某电厂1倒接前，考虑近区500 kV电厂2开2台、电厂1全停，220 kV电厂3、电厂4全停时系统运行方式。当换流站发生换相失败时，直流近区共有8座风电场涉及装机容量1 440 MW，风机暂升电压范围为1.10p.u.＜U≤1.2p.u.。

方式二为某电厂1机组倒接至雁门关换流站后，在机组全开方式下，雁淮直流输送能力提升至590万kW，近区500 kV电厂1全停、电厂2全开，220 kV电厂3、电厂4全停时系统运行方式。当换流站发生换相失败时，直流近区共有8座风电场涉及装机容量1 048 MW，风机暂升电压范围为1.10p.u.＜U≤1.2p.u.；共有4座风电场涉及装机容量1 047 MW，风机暂升电压范围为1.2p.u.＜U。

图3 2018年风电机组暂态压升

2.2 2020年近区风电机组暂态压升校核

2020年，雁门关换流站近区网架加强，直流送电能力将提升至8 000 MW，近区新增7座风电场，均按直驱型风电机组考虑。近区电厂1全开，电厂3、电厂4全停方式下，当换流站发生换相失败时，截止2018年3月直流近区已投运的7座风电场涉及装机容量641.5 MW，2020年将投运的2座风电场涉及装机容量100 MW，风机暂升电压范围为1.10p.u.＜U≤1.2p.u.。已投运的4座风电场涉及装机容量1 046 MW，2020年将投运的5座风电场涉及装机容量320 MW，风机暂升电压范围为1.2p.u.＜U。

图4 2020年风电机组暂态压升

结合2018年和2020年的雁淮直流近区风电机组暂态压升校核结果，对不满足国家标准《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》 （报批稿）相关要求的风电场需要完成相关的技术改造，以确保风电场的安全稳定运行。

3 雁淮直流近区风电机组高电压穿越改造建议

3.1风电机组高电压穿越改造技术

目前，主要采取软件升级和硬件改造两种措施使风电机组满足高电压穿越的能力要求[4,5]。

软件升级方面，主要对风电机组的主控程序、变流器程序、变桨系统程序进行升级。

3.1.1 主控程序升级

a)初始化文件增加高电压穿越使能开关，用于开启和关闭高电压穿越功能。设置为RLE开启设置为FALSE关闭。

b)当网侧电压升高，机组进入高电压穿越，屏蔽机组相关故障。

3.1.2 变流器程序升级

更新变流程序，通过控制网侧变流器吸收无功抑制网侧电网电骤升，继而保证风电机组在电网电压骤升期间可以不脱网连续运行。

3.1.3 变桨系统程序

目前部分变桨系统已具备高穿能力，变桨系统程序的升级仅针对不具备高穿能力的风电机组进行选择性升级。

硬件改造方面，主要针对部分老旧机型，对变桨系统和变流器控制系统硬件改造。

b)变流器控制系统：更换大量程测量板，crowbar或chopper的驱动板，更换防雷的浪涌保护器。

其他改造技术：在直流母线上加装储能单元；在电网侧并联或串联1套辅助设备（如STATCOM，DVR等）。

3.2 风电机组高电压穿越改造费用预估

通过对风电机组高电压穿越改造情况进行调研，风电机组高电压穿越改造主要分为按1.3倍额定电压（1.3p.u.，500 ms） 高穿改造和按1.2倍额定电压（1.2p.u.，200 ms） 高穿改造两大类。

3.2.1 直驱风电机组高电压穿越能力改造

按1.3倍额定电压进行高电压（1.3p.u.，500ms）穿越能力改造，通过软件升级可实现改造目标的机型，单台改造费用约1.5～2万元/台（质保期内免费），改造周期约3～4 t/台；对于同时进行软件升级和硬件改造方可实现改造目标的机组，单台改造费用约3～4万元/台（质保期内免费），改造周期约5～6 t/台。

按1.2倍额定电压进行高电压（1.2p.u.，200ms）穿越能力改造，通过软件升级可实现改造目标，单台改造费用约1万元/台，改造周期约3～4 h/台。

3.2.2 双馈风电机组高电压穿越能力改造

按1.3倍额定电压进行高电压（1.3p.u.，500 ms）穿越能力改造，需要对风电机组同时进行软件升级和硬件改造，单台改造费用约6～10万元/台（质保期内免费），改造周期约3～4天/台。

中国是全世界陶瓷工艺最先进的国家，也是陶瓷艺术体系最庞大的国家，中国人生活的时时处处都有陶瓷，除了日常应用之外，陶瓷的质地、颜色、图案以及陶瓷本身代表的社会文化，也是人们选择陶瓷的主要原因，因此，陶瓷作为用品同时也作为装饰生活的艺术品存在着。随着全球经济和文化的交流互融，陶瓷作为装饰品的艺术价值在全球范围内被认可，国外艺术家和手工业者也在进行陶瓷艺术作品创作，例如日本和英国等具有较为悠久的陶瓷制作工艺历史的国家，但是，陶瓷装饰艺术发展的核心始终在中国，从仰韶文化开始的陶瓷艺术，在当代装饰艺术领域有着不可替代的位置，中国陶瓷的传统用料与现代手工艺术创作的结合，使陶瓷装饰艺术的影响力进一步扩散。

按 1.2倍额定电压进行高电压 （1.2p.u.，200 ms）穿越能力改造，通过软件升级可实现改造目标，单台改造费用约1万元/台，改造周期约 3～4 h/台。

根据2018年—2020年直流近区风电机组暂态压升校核计算结果，当换流站发生换相失败时引起的风电机组暂态压升满足1.2p.u.＜U≤1.3p.u.时，已投运的5座风电场涉及装机容量1 146 MW，共计671台直驱型风电机组，需要按1.3倍额定电压进行高电压（1.3p.u.，500 ms） 穿越能力改造，使其满足表2所示的风电机组高电压穿越运行时间要求，假设风电机组需要同时进行软件升级和硬件改造，按照单台改造费用上限4万元计算，完成全部改造费用共计2 684万元。

根据2018年—2020年直流近区风电机组暂态压升校核计算结果，当换流站发生换相失败时引起的风电机组暂态压升达到1.1p.u.＜U≤1.2p.u.时，已投运的9座风电场涉及装机容量1 097.5 MW，共计626台风电机组。其中81台为直驱风电机组，其余545台均为双馈风电机组，需要按1.2倍额定电压进行高电压（1.2p.u.，200 ms） 穿越能力改造，使其满足表1所示的风电机组高电压穿越运行时间要求。按照单台改造费用1万元计算，费用共计626万元。

3.3 2019年—2020年新建风电场高电压穿越能力要求

2019年—2020年预计投产的3座风电场涉及装机容量150 MW需要满足高电压（1.2p.u.，200 ms）穿越能力要求；4座风电场涉及装机容量270 MW需要满足高电压（1.3p.u.，500 ms） 穿越能力要求。

3.4风电机组高电压穿越能力检测与验收建议

基于上述的研究分析结果，针对风电机组的高电压穿越能力检测与验收提出如下建议。

a)不满足相关标准要求的已投运风电场应在限期内完成风电机组高电压穿越能力改造。

b)规划的新建风电场应在接入系统方案中明确风电机组的高电压穿越能力要求。

c)改造完成后风电企业应委托具备相应资质的检测机构进行检测并出具风电机组的高电压穿越能力检测报告，以保证风电机组的高电压穿越能力满足运行要求。

d)改造及新建风电场应向相应管理机构提交满足高电压穿越能力要求的检测报告。

4 结论

雁淮直流近区风电机组高电压穿越能力研究在广泛调研、查阅相关文献的基础上，通过仿真计算雁淮直流近区风电场风电机组近期（2018年）和远期（2020年）的暂态过电压水平，确定了直流近区需要进行高电压穿越能力改造的风电场范围，提出了相应的改造建议，并完成了改造费用估算。同时对直流近区2019年—2020年预期投产的风电场提出了高电压穿越能力具体要求，并提出了风电机组高电压穿越能力检测与验收建议，对于后期开展风电机组高电压穿越能力改造具有指导意义。