一種新型海上風電并網檢測技術

許 瀟，馬曉春，訾振寧

（1.北京交通大學 北京 100044；2.國網智能電網研究院 北京 102200）

經濟全球化和工業經濟進程不斷加速發展的同時，能源緊缺、氣候環境問題也日益突出，以風能為代表的可再生能源發電技術得到迅速發展。風能的開發利用可在陸地和海洋進行，相比陸上風電，海上風電具有眾多獨有的優點，如：節約土地，降低噪聲，發展空間大，海風能資源豐富，端流強度低，海水表面粗糙度低，風電機組疲勞載荷少，設備使用壽命延長[1]；風切較小，可降低塔筒高度，降低風電機組的成本。許多沿海國家已將海上風電作為新的重點發展方向。根據我國“十二五”可再生能源規劃，2015年我國海上風力發電規劃裝機將達到500萬千瓦。

風電場機組的并網性能是影響電網安全穩定運行的最主要因素。國際上，掌握風電并網檢測技術組織機構非常少，技術保護嚴格[2]。國內的海上風機研發起步時間不長，借助了國外技術經驗，起點不低，但具備并網檢測能力的機構，僅國家風電技術與檢測研究中心一處。國家電網公司發布的<<風電場接入電網技術規定＞＞，明確提出“風電場內的風電機組應具有在并網點電壓跌落至額定電壓20%，能夠維持并網運行0.625 s的低壓穿越能力”。2011年2月，酒泉、張北風電基地發生大規模風電脫網事故，使得風機的并網檢測成為參標的必要條件。目前，張北國家風電并網檢測基地共可進行五項檢測，分別是電網適應性、電氣模型、電能質量、功率調節能力及低壓穿越，其中低壓穿越能力是并網運行必備的檢測項目。現有的風發系統低電壓穿越測試裝置方案為：阻抗分壓形式、變壓器形式和電力電子變換形式。新疆分布式電源檢測中心采用電力電子變換形式的電壓擾動裝置，由背靠背電壓源變流器（VSC）組成，網側VSC進行三相PWM整流，機側VSC實現電壓擾動功能。張北檢測中心的35 kV/6 MVA固定電壓跌落發生裝置，采用阻抗分壓方式，可模擬電網的電壓跌落、恢復過程以及對稱和不對稱故障。但是，目前的并網檢測都只能做低壓穿越、故障短路等簡易試驗，相當部分的檢測項目只能根據自然界的工況進行，往往一臺風機的檢測需要幾個月時間，一次側工況完全取決于電網運行工況，無法做全面項目檢測，不能檢測出風機的全部功能。相比陸風檢測，海風發電機組由于工作環境較為惡劣，檢修維護監控都較為困難，一般在海上并網運行前，需先在陸地試運行并檢測一段時間。

本文主要開展海上風電發電系統建模與仿真研究，提出一種新型發電系統檢測方案，實現對海上風電獨立電力系統輸出特性的關鍵指標和系統保護特性的檢測和記錄；同時，對海上風電發電出力特性、發電效率及輸出電能質量等關鍵性能參數的統計分析。最后，外圍加入仿真機模塊，用于檢測發電系統的控保系統。由于海風與陸風差別較大，將海風機組移至內陸檢測容易造成工況失真，而大功率檢測設備不易移動至海上現場檢測。因此，本文提出一種小功率移動式海風并網檢測系統，僅一套系統，即可對小功率海風系統一次設備及控保設備進行直接檢測，亦可對大功率海風系統二次側進行仿真并網檢測。

1 海上風電并網技術

1.1 海上風電并網的兩種線路方案

當前海上風電并網主要使用高壓交流（HVAC）線路或者基于VSC的高壓直流輸電（HVDC-VSC）線路。距離低于70～80 km的海上風電場，主要使用HVAC線路并網[3]。HVAC是一門較為成熟的技術，采用提高線路輸送電壓的方法可以有效減小線路損耗。但是在線路傳輸過程依舊會產生較大量的無功損耗，所以線路需要無功補償裝置。距離海岸較遠或者容量較大的風電場主要使用基HVDC-VSC線路并網。HVDC輸電具有無感抗容抗，無同步問題等優點[4]。HVDCVSC全控器件電流可自關斷，工作在無源模式，克服了傳統HVDC必須工作在有源網絡下的根本缺陷。HVDC線路同時具有故障穿越能力，陸上擾動對海上電網的影響很小[5-6]。

1.2 海上風電并網影響

風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性導致風電機組輸出功率的波動,產生諸多電能質量問題。當前海上風力發電機組大多采用軟并網方式,啟動時會產生較大的沖擊電流。當風速超過切出風速時,風機會從額定出力狀態自動退出運行，從而引起電壓波動和閃變[7]。風力發電機本身配備的電力電子裝置也會給系統帶來諧波問題。同時，海上風電的發電功率和發電量皆不穩定，輸出功率不恒定值。當風速變動大的時候會使其輸出有功功率波動，導致個地區的風電所占份額過大。而有功頻率變動過大會導致頻率崩潰，使得整個電網癱瘓[8]。

2 系統設計

本文主要針對海上風電發電機組設計一套690 V，1.5 MW的檢測平臺,于海風機組發電輸出口處，模擬負荷運行，主要用于檢測HVAC線路的并網設備的主要性能。測試系統設計結構圖如圖1所示。

圖1 海上風電獨立電力測試系統結構圖Fig.1 The offshore wind power grid-connected detection structure diagram

該檢測平臺系統分為3大模塊，分別是是電能質量檢測模塊，可控負載模塊以及短路模擬模塊。分別用于檢測風電場的電能質量、發電出力品質、繼電保護系統。風電機組經過整流電路輸出直流，通過儲能元件儲能，再經過逆變器逆變成三相交流電，然后連接可控負載進行負載實驗，最后連接短路模擬模塊進行短路實驗。

電能質量檢測模塊包含后臺機、控制器和電能質量在線監測儀，能夠完成人機交換、數據檢測、負載調節命令下發、短路模擬命令下發、電能質量監測，是檢測平臺的核心部分。圖1中，A點為直流電壓測試點，B點為交流電壓測試點以及電能質量監測點。利用電能質量在線監測裝置，實現對系統輸出電壓與電流的諧波、電壓偏差、電壓波動和閃變、電壓不平衡、頻率偏差、功率因數等進行檢測、記錄分析，從而對發電系統進行電能質量檢測。

負載調節模塊采用最先進的晶閘管控制阻抗分壓形式，來調整負載支路的不同組合實現負載的階梯調節，根據負載的變化可以檢測逆變器輸出動態特性。如圖2所示，負載采用電阻、電感和電容組合成可控負載。電阻分為5個支路，電感和電容分別為4個支路，容量按照8421編碼設計，可進行16級階梯式調節，其中電阻1條支路通過開關控制投切，其余支路通過晶閘管過零投切。針對海上風電發電系統出力的波動性和間歇性[9]，可調節可控負載中的電阻、電容及電抗值，可以模擬實際負載的工作，檢測各個發電裝置的直流電壓、電流，進而可得各個裝置以及整個獨立發電系統輸出的實時出力。

圖2 可控負載結構圖Fig.2 Controllable load chart

短路模擬模塊如圖1所示，在短路模擬裝置中，p、q經過低通濾波器(LPF)得到相應的直流安裝3臺大功率斷路器，合上QS1時，模擬單相接地故障；合上QS2，模擬兩相短路故障，合上QS3模擬三相短路故障，從而檢測發電系統的保護性能。

外圍加入仿真機模塊，即可模擬電網產生接地、短路、重合閘、甩負荷、操作沖擊、雷電沖擊工況，檢測控制系統的適應性能；在仿真機模型上建立負荷模型，并模擬負荷產生功率波動、啟動沖擊、負序、故障現象，檢測保護系統的適應性能；在仿真機模型上建立電網、負荷模型，在對實際控制器進行操作時，人為制造控制器輸出錯誤命令，考查對電網和負荷的影響。從而，檢測海風發電系統控保系統的主要性能。

3 檢測方法與主參數計算

3.1 諧波及無功檢測方法

B點處的諧波及無功參數采用以瞬時無功理論為基礎的p－q檢測法，即將三相系統的電壓及電流轉換成α－β坐標系下的矢量，導出瞬時無功功率q之后通過低通濾波提取包含基頻信息的直流量，再反變換就得到了基頻分量，可導出諧波量[10]。 （見式(1)、(2)、(3))。

圖3 p－q檢測原理圖Fig.3 p－q detection schematics

同時，斷開圖3中q的通道即可檢測無功電流。此時,由p 可檢測出 i的基波有功分量 iapf、ibpf、icpf，見式(5)。 再將與 i相減，得 i基波無功分量與諧波分量之和 iad、ibd、icd，從而可得基波無功分量 iap、ibp、icp。

3.2 可控負載設備參數

本文針對海上風力發電風電組（690 V 1.5 MW及以下）一次設備及控保設備進行入網檢測，進一步計算可控負載模塊設備參數及短路電流。

電阻用于消耗發電機的最大有功功率1 500 kW，按

考慮，可進行過載試驗。電阻支路容量按照 編碼設置，可以保證在電阻分級較少時步長較小，共分24級，步長為4.2%[11]。分為6條支路，電阻容量分別為78 kW，78 kW，156 kW，312 kW，624 kW，624 kW。電感與電容消耗系統感性無功，最大為 1 125 kvar,則支路容量為:75 kvar、150 kvar、300 kvar、600 kvar。發電機至逆變器處的等效短路阻抗近似認0.0051+j0.157Ω。計算短路電流時考慮在極端情況下，即不考慮儲能裝置儲能，發電機在額定功率下出力，全部供給短路點，則有B點附近發生三相短路時，可得其短路電流初始值：2.64 kA，KG為阻抗修正因數

4 仿真分析

根據圖1算例系統，依據《風電場接入電力系統技術規定》，分別對海風系統進行電能質量檢測、負載試驗以及短路試驗PSCAD仿真。

依據國標電能質量檢測要求，在線路A、B兩點進行電能質量檢測試驗。如圖4所示，B點處的三相電壓，波形略帶毛刺狀，含有基波負序、零序以及各次諧波。

圖4 線路B點處的三相畸變電壓Fig.4 Three－phase voltage distortion at the point of transmission line B

負載試驗滿足國標對有功功率、無功功率及風電場運行適應性的檢測要求。根據IEEE 1547分布式電源與電力系統互聯標準，我國標準的海風電網頻率和電壓必須滿足相應的規范，頻率幅度50±0.2 Hz，電壓變化幅度5%～7%。分別在理想狀態和現場狀態下，改變電網內部線路電抗，來改變并網電壓差進行仿真分析，如圖5～圖8所示。

圖5 較大并網電壓差時的電壓曲線Fig.5 Voltage curve for grid－connected microgrid with larger voltage difference

圖6 理想狀態較大并網電壓差時的電壓曲線Fig.6 Voltage curve for grid-connected microgrid with larger voltage difference in the ideal situation

圖7 較小并網電壓差時的電壓曲線Fig.7 Voltage curve for grid-connected microgrid with smaller voltage difference

圖8 理想狀態較小并網電壓差時的電壓曲線Fig.8 Voltage curve for grid-connected microgrid with smaller voltage difference in the ideal situation

現場狀態與理想狀態的并網電壓進行了仿真驗證，并網后的負載并未變化，海風電網產生額外的功率流入大電網，但二者存在電壓差及頻率差。當電壓相差過大時，在并網過程一段時間電壓會突然下降并激烈震蕩。因此，改變仿真條件，將海風發電系統采取VF控制風電源跟蹤負荷變化，得到較高的電壓和頻率質量，此時海風電網與大電網電壓差較小，較好得消除并網后的波形畸變，實現二者較平滑的無縫并網。

短路試驗滿足國標對低壓穿越能力及故障類型的檢測。在并網狀態下，三相短路故障時對風電網內部的沖擊如圖9所示。由短路故障可以看出，在短路故障之后出現長時間低電壓，易造成風電機組大規模脫網并海風電網內部負載將會產生很不利影響。目前風電場很多機組不具備低壓穿越能力。因此，一方面海風電網內部需有應對因短路故障出現長時間低電壓的方案，另一面對不具備低壓穿越的風機需配備故障穿越裝置。

圖9 并網狀態發生短路故障后電壓曲線Fig.9 Post—fault voltage curve for grid—connected microgrid with short-circuit fault in the ideal situation

由于逆變后的電壓波形電能質量指標較差，需采用電能質量設備（APF、DVR等）來進行諧波及無功治理[12]。最后，在加入仿真機模塊后，測試裝置可滿足國標對風電二次控保系統的檢測。

5 結束語

海上風電發電技術市場前景良好，是分布式電源、微網領域的重要組成部分，是未來的重要發展趨勢。但海上風電并網易對電網運行影響較大，并且產生諸多電能質量問題，在其并網前需進行并網檢測以對發電系統技術指標提出更高要求，并方便進一步提出電能質量治理方案。本文提出一種新型的海上風電并網檢測技術，并根據實際工況進行了仿真實驗。通過仿真，完成對海風發電的電能質量，有功功率、無功功率及風電場運行適應性以及低壓故障穿越性能進行并網檢測。同時，在外圍加入仿真機模塊后，能夠模擬電網、負荷的各種工況和對控制器進行人為的故障制造控制，來檢測控保系統的主要性能。本文提出的檢測方案為促進我國海上風電檢測認證體系的完善提供有益的參考，并可為后期海上風電測試與測試場建設提供技術指導。

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