動態(tài)補償消弧線圈在大型風電場滅弧中的應用

姚天亮，楊德洲，鄭昕

(1.甘肅省電力設計院，蘭州市 730050;2.甘肅省電力公司，蘭州市 730050)

0 引言

2011年甘肅酒泉風電基地多次發(fā)生因35 kV匯集線路發(fā)生弧光接地引發(fā)區(qū)域內風電機群連鎖脫網事故。主要原因是1期風電場采用直接非接地系統(tǒng)，非故障相過電壓導致設備燒毀、誘發(fā)復雜故障后，低電壓穿越能力較弱的風電機組相繼脫網。大型風電場的單相接地故障滅弧問題成為并網技術審查的重點問題。目前，35 kV電力系統(tǒng)常見接地方式有:消弧線圈［1］、小電阻、消弧柜場地。3種接地方式消弧原理不同且各有優(yōu)缺點，甘肅酒泉1期風電場全部采用35 kV電纜，容性電流較大，采用在升壓站35 kV母線直接安裝消弧柜的消弧方案，經實踐證明動作不理想，文獻［2］在事故分析后推薦采用經小電阻接地以限制過電壓，同時配置快速選線裝置切除故障線路。

但是，經小電阻接地將非金屬性接地轉變?yōu)榻饘傩越拥毓收希收舷嚯妷狠^低，加大了三相電壓不平衡度，不利于風電機組低電壓穿越，并且小電阻選線［3-4］準確率不高，如不能快速切除故障線容易造成事故擴大。

本文結合近幾年風電設計和實際運行經驗，對酒泉一期風電并網系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，提出將分檔可調或自動補償式消弧線圈應用于大型風電場的滅弧，并就風電場設計和運行提出相關建議，有利于風電場的穩(wěn)定運行。

1 動態(tài)補償工作原理

1.1 風電場單相接地故障

大型風電場內部35 kV線路(架空線或電纜)較長，對地分布電容大，單相接地故障時匯集系統(tǒng)呈現(xiàn)典型的大容性電流效應，故障點易形成弧光接地并不能自熄。

正常運行時，系統(tǒng)三相電壓保持對稱，中性點電流和為0。故障時接地相電壓大幅降低，中性點產生不對稱零序電壓，經接地阻抗形成電氣回路，回路中流過零序電流，而中性點漂移將導致非故障相電壓的升高，造成內部過電壓。

風電場35 kV系統(tǒng)單相接地故障等值模型如圖1所示，圖1中為零序電壓為零序電流。

圖1 單相接地故障等值模型Fig.1 Equivalent model of single phase grounding fault

1.2 動態(tài)補償消弧線圈工作原理

目前，動態(tài)補償消弧線圈產品類型［5-9］主要有調匝式、偏磁式、調可控硅式。

常規(guī)消弧線圈補償容性電流基本工作原理如圖2所示。調匝式和偏磁式基本原理相似，都是屬于隨動補償模式，通過動態(tài)調整電感值改變電感電流實現(xiàn)對接地容性電流的補償，降低故障點電流以熄滅電弧。

圖2 補償容性電流等值電路Fig.2 Equivalent circuit of compensation capacitive current

調可控硅式消弧線圈［10-13］是應用電力電子可控硅技術的一種新型消弧線圈，工作原理如圖3所示，圖3中XL為串聯(lián)電感值。調可控硅式消弧線圈的工作原理是通過在0°～180°之間觸發(fā)2個反向連接的可控硅，改變故障回路的短路阻抗，能夠快速準確補償容性電流。

圖3 可控硅式消弧線圈原理Fig.3 Principle of SCR arc suppression coil

2 消弧線圈在大型風電場中的應用

2.1 大型風電場的滅弧要求

大型風電場35 kV系統(tǒng)為典型的大容性電流系統(tǒng)，單相接地故障的弧光間斷性反復接地容易誘發(fā)復雜的相間故障，造成設備毀壞、區(qū)域風電機群低電壓穿越失敗大面積脫網。

電網事故的治理要求:風電場發(fā)生單相接地故障時，要求控制系統(tǒng)能夠迅速降低接地電流，消除瞬時接地故障。若轉化成永久故障，則必須通過小電流選線裝置準確跳開故障集電線路，避免發(fā)生連鎖反應，擴大風機脫網事故。

但如何解決降低接地電流和小電流可靠選線之間的矛盾，成為風電場35 kV系統(tǒng)接地方式選擇需要權衡考慮的問題。減小零序電流，雖然可以降低中性點位移電壓，有利于抑制過電壓，但必然影響小電流選線裝置的動作靈敏度。要保證零序保護選線的準確度，零序電流必須大于門檻值，但故障點的殘流較大，不利于電弧的熄滅。

2.2 動態(tài)補償技術比較

(1)可調匝式消弧線圈與常規(guī)消弧線圈相比，采用了有載調匝開關實現(xiàn)了消弧容量可調，但屬于離散的分檔調節(jié)，補償效果不佳，其諧振補償原理從根本上無法解決過電壓問題，需要串聯(lián)電阻以限制諧振穩(wěn)態(tài)過電壓，但動態(tài)過電壓問題仍然不可避免。

(2)偏磁式消弧線圈雖然可以實現(xiàn)電控連續(xù)動態(tài)可調，帶電壓調節(jié)速度為ms級。原理上避免了補償系統(tǒng)串聯(lián)諧振過電壓與最佳補償之間的相互矛盾問題，但需要獨立直流靜態(tài)勵磁結構，控制系統(tǒng)復雜、運行維護難、投資較大。

(3)可控硅式消弧線圈充分利用電子開關的動作速度和可控硅的伏安特性，可動態(tài)連續(xù)輸出0%～110%額定電流的補償電流，實現(xiàn)大范圍精確補償。

上述3種可調消弧線圈都可以應用在大型風電場中快速滅弧，可靈活應用于同一升壓站匯集多個風電場的情況，同時大容量消弧線圈先期低檔運行，可以為后續(xù)工程預留消弧容量，通過運行調節(jié)即可滿足不同階段消弧容量的需求，相對電力系統(tǒng)常規(guī)消弧線圈需要停電調整有明顯的技術優(yōu)勢。

2.3 消弧線圈滅弧優(yōu)勢

相對于經小電阻接地，風電場經消弧線圈接地的優(yōu)點有:(1)接地點故障電流較小，故障相電壓跌幅小，減小了中性點位移電壓和非故障相過電壓;(2)系統(tǒng)三相電壓不平衡度小，有利于直驅風電機組的正常運行和低電壓穿越過程，避免風機群連鎖脫網;(3)有利于改善并網點電壓平衡、諧波等電壓質量，減小了風電注入公網諧波;(4)可帶故障運行2 h，瞬時故障可能自動消失，無需切機后再并網，減小了運行人員的工作量和風機啟動用電，而且增加了風電電量;(5)故障惡化發(fā)展時，故障電流增大，可輔助小電流接地選線裝置檢除故障線路，或由運行人員排除故障線路，有利于風電場與電網保持穩(wěn)定運行。

2.4 風電場消弧線圈安裝方式

我國大規(guī)模風電基地采用“大基地融入大電網、集中外送”的并網模式，出于風電匯集方案經濟性的考慮，通常采用35 kV直接升壓至330 kV或110 kV電壓等級送出，因此風電匯集升壓站電壓等級有330/35 kV或110/35 kV 2種情況，而電網側330 kV和110 kV電壓等級為中性點直接接地系統(tǒng)，均采用星形接線，因此風電場35 kV側接線方式必須為三角形，三角形接線沒有引出中性點，無法直接安裝中性點接地設備，需要增加投資。

在酒泉一期380萬kW風電設計中，選用35 kV母線直掛消弧柜的方案，但實際運行效果不理想，目前正在進行整改為“經接地變+消弧線圈”或“經接地變+小電阻柜”。

在酒泉二期風電設計過程中，結合近幾年風電并網設計經驗和運行反饋意見，對大型風電場升壓系統(tǒng)用進行優(yōu)化設計，風電場升壓站電氣主接線如圖4所示。

圖4 風電場升壓站電氣主接線Fig.4 Main electrical wiring of wind farm booster station

升壓站設備選型主要考慮以下方面:

(1)35 kV側采用星形接線，引出中性點用以連接消弧線圈，無需增加接地設備，既節(jié)省投資，又實現(xiàn)了中性點可靠接地，有利于發(fā)生單相故障時滅弧，改善中性點電壓漂移及非故障相過電壓問題。

(2)增加10 kV平衡繞組，提高升壓系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。10 kV側設計為非全容量繞組，通常取30%額定容量，可以不引出，也可引出用以安裝動態(tài)無功補償裝置，相對35 kV直掛型SVG可以降低投資，并且對暫態(tài)過程中SVG提供的瞬時容性電流起到隔離作用。

(3)10 kV側采用三角形接線，為偶數(shù)次電壓和電流諧波提供環(huán)流通道，減輕諧波污染，避免因諧波過電壓損壞設備，同時可以起到平衡繞組的作用。

酒泉二期風電最終選用三繞組變壓器，主變壓器抽頭電壓為363±8×1.25%/35/10.5 kV，接線組別為YN、yn0、d11，風電場35 kV中性點消弧接地方式選擇為經自動補償消弧線圈接地。

3 結論

(1)大型風電場35 kV匯集系統(tǒng)屬于大容性電流系統(tǒng)，產生單相接地故障時，中性點需要選擇可靠接地的消弧方式，因此經消弧線圈接地是理想方案之一。

(2)調匝式、偏磁式、可控硅式等帶動態(tài)補償技術的消弧線圈都能應用于大型風電場滅弧，可以滿足風電場不同建設時期的消弧容量需求。建議優(yōu)先使用自動跟蹤、調節(jié)速度快的消弧線圈。

(3)風電場升壓站電氣主接線優(yōu)化后采用三繞組變壓器，35 kV中性點引出有利于消弧線圈的裝設，有利于風電場的安全可靠運行。

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