海上風電工程受電啟動帶負荷試驗新方法的研究與應用

梁海東，汪冬輝，王達峰，陳志力，張俊臣，賀 軍

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國電電力浙江舟山海上風電開發有限公司，浙江 寧波 316000）

0 引言

海上風電代表著風力發電技術領域的前沿和制高點，是風電市場重點關注的發展方向，也是我國戰略性新興產業的重要組成部分[1-5]。我國可供開發的海上風能豐富，且場址多靠近負荷中心，海上風電的開發利用不僅是風電產業向縱深發展的關鍵一環，也是帶動我國相關海洋產業協調發展的有效途徑，具有重要的戰略意義。“十二五”規劃提出：到2020年，海上風電總裝機容量將達到 3 000萬 kW[6-11]。

海上風電工程陸上計量站及海上升壓站受電啟動標志著分步試運工作的開始，能否早日受電將直接影響后續調試工作的進度和質量。因此根據現場具體情況和調試任務的要求，應盡可能利用現場已具備受電能力的設備完成試驗，為試運工作奠定基礎，為縮短試運工期創造條件[12]。在受電啟動階段，參考相關設備規程要求[13]，陸上計量站及海上升壓站設備均需要做帶負荷試驗。電力系統通常采用站用電、電動機、無功補償設備等作為帶負荷試驗的臨時負荷[14]。由于海上風電工程在環境及主接線等方面的特殊性[15-17]，無法使用上述設備開展帶負荷試驗。因此，受電啟動期間如何在海上升壓站開展帶負荷試驗是亟需解決的技術問題。

1 海上風電工程帶負荷試驗現狀分析

1.1 帶負荷試驗簡介

在陸上計量站及海上升壓站受電啟動階段，根據電力工程啟動試驗規程要求，需要通過帶負荷試驗對一次設備、二次回路、計量儀表、繼電保護及自動化裝置進行整套校驗[18-21]。試驗可以在安全的條件下，既完成一次設備的基本性能檢驗，也完成全站二次回路的完整性校驗，檢查PT（電壓互感器）、CT（電流互感器）極性的正確性，確保后期其他試驗過程中儀表讀數正確、保護功能可靠。試驗對負荷電流的幅值有一定的要求，電流過小時計算相位會產生較大誤差，無法滿足試驗要求。

1.2 現狀分析

目前海上風電場通常在多機并網后，滿足試驗要求時開展海上升壓站的帶負荷校驗。但是由于無法在風力發電機組（以下簡稱“風機”）并網前開展帶負荷試驗，將產生如下不利影響：

（1）海上風電工程的施工進度受海況、天氣等諸多因素影響。如果風機安裝臺數及海纜施工情況不具備帶負荷試驗條件，或當前風力無法滿足帶負荷試驗所需的最低功率要求，必須推遲海上升壓站帶負荷試驗時間，從而影響站用電的可靠運行。同時需要長期投入柴油發電機作為施工電源，增加了成本。

（2）并網前未做帶負荷試驗將導致聯絡線線路保護、海上升壓站母線、主變壓器（以下簡稱“主變”）和電抗器的主保護退出運行，臨時保護長期單套運行，一次設備的保護配置不全，存在嚴重安全隱患。

（3）無法保證CT二次回路的完整性和正確性。

（4）風機的監控系統組態和調試工作是在風機并網后進行的，在風機監控系統信息不全的情況下對風機進行并網，若風機與海上升壓站同時出現異常情況，將加大故障排除范圍，延長故障清除時間。

1.3 現有帶負荷試驗方法分析

目前帶負荷試驗在火力發電廠、水力發電廠、變電站啟動等常規啟動項目中廣泛開展，已形成一整套成熟的技術體系。帶負荷試驗常用的負荷有：廠/站用電、電容/電抗器、電動機等。但受限于海上風電工程的特性，上述負荷均無法直接采用。

海上風電場面臨的情況是：站用電負荷最大的情況下，可用功率仍無法滿足海上升壓站的受電啟動帶負荷試驗要求，例如，國電舟山普陀6號海上風電場2區工程，風電場擬安裝63臺單機容量為4.0 MW的風機，總裝機容量約252 MW。海上升壓站配置2臺額定容量均為140 MVA的220 kV主變，額定電壓為230/35 kV，主變低壓側單母單分段接線，35 kV兩段母線上各配置1臺35 kV電抗器（容量1.3 Mvar）、1臺接地兼站用變壓器（容量800 kVA）、1臺柴油發電機組（容量1 600 kVA），站用電負載主要為除濕機、空調、照明等。海上升壓站220 kV聯絡線保護、220 kV母差保護、220 kV主變保護高壓側配置的CT變比均為1 000/1。為保證測量儀器、保護及自動化裝置、電能表以及AGC/AVC（自動發電控制/自動電壓控制）等設備具有足夠的校驗精度，要求帶負荷試驗的二次電流不小于20 mA，折算至220 kV側的一次電流約20 A，折算至35 kV側的一次電流約130 A。因此帶負荷試驗所需功率必須大于8 MW，而正常運行期間實測站用電負荷約為0.3 MW，35 kV電抗器、柴油發電機及站用電負載均無法滿足試驗要求。

對于風機改電動機運行方式，在大風情況下，由于槳葉調整角度不可控，容易造成風機超速甚至飛車，導致機組嚴重損害，因此不具備可行性。

安裝電容器作為負荷的方案也面臨兩個方面的問題。第一是受海上的運輸時間、運輸船條件、海上平臺的吊裝條件、海上升壓站的安裝空間、臨時電纜布置及海上平臺安裝處的載荷量等因素的影響。第二是受電氣容量、臨時電容器接入電壓等級及接入間隔等因素影響，通常無法直接使用通用型號的電容器。因此該方法也不具備可行性。

通過以上分析可知，受限于海上風電工程的特殊性，傳統帶負荷試驗方法均不可行。因此本文提出了一種具有實際應用價值的新型海上風電工程帶負荷試驗方法。

2 海上風電工程受電啟動帶負荷試驗新方法

為解決上述問題，本文提出了一種換流器無功補償運行方式的海上風電工程受電啟動帶負荷試驗方法。該方法具有操作簡單、安全性高、無需額外增加試驗設備等優點。

2.1 風機無功輸出能力分析

目前海上風電工程為了增大容量和提高效率，普遍采用以下3種風機[22-26]：

（1）雙饋風機：有齒輪箱，發電機采用繞線式異步電機，在轉子和電網之間接入部分功率交-直-交換流器。

（2）直驅風機：無齒輪箱，發電機采用同步電機，在定子和電網之間接入全功率交-直-交換流器。

（3）異步風機：有齒輪箱，發電機采用鼠籠式異步電機，在定子和電網之間接入全功率交-直-交換流器。

典型風機換流器結構如圖1（a）所示，Lf為電感元件，if為交流電流，U0為交流電壓，Cf為電容元件，iinv為網側換流器交流電流。

換流器控制策略如圖1（b）所示，Udc為直流電壓；igd為電流直軸分量；igq為電流交軸分量；Us為電網電壓；ugcd為調制電壓直軸分量；ugcq為調制電壓交軸分量；θg為交流電壓相角；ua，ub，uc為交流三相電壓；ω為電角速度，Lg為等效電感；上述符號中右上角帶“*”表示該電氣量的參考值。

上述3種風機使用發電機側換流器實現發電機本體的控制，使用電網側換流器實現恒頻輸出。其中網側換流器采用有功、無功解耦控制策略，設置功率外環和電流內環控制。通常為了簡化控制邏輯，有功功率采用定直流側電壓方式，無功功率采用定無功電流或定無功功率方式，有功、無功獨立可控。因此理論上電網側換流器可以單獨運行，通過修改無功電流或無功功率的給定值，進入無功補償運行方式，實現無功的輸入或輸出。

圖1 典型風機換流器結構及控制策略

2.2 帶負荷試驗技術分析

根據網側換流器的特性，研究了一種新的帶負荷試驗方法。利用海上風電場內已經安裝的風機換流器，獲得海上升壓站和陸上計量站受電啟動帶負荷試驗所需的負荷電流。

風機正常運行時，發電機側換流器和電網側換流器均處于解鎖狀態，異步和直驅風機的有功功率從發電機側經過換流器流向電網，換流器不與電網交換無功功率；雙饋風機的有功功率從發電機定子側直接流向電網，轉子側通過換流器與電網交換一部分有功功率，發出或吸收取決于雙饋風機的工作狀態，換流器不與電網交換無功功率。

3種典型的風機正常運行狀態如圖2（a）所示。風機處于帶負荷試驗狀態時，發電機本體停運，發電機側換流器閉鎖，電網側換流器解鎖，對于雙饋風機須將發電機定子與電網隔離。通過修改電網側換流器的控制參數，使其工作在無功補償運行方式下。通過修改無功電流或無功功率給定值，控制每臺換流器吸收或發出的無功功率。

3種典型的風機帶負荷試驗狀態如圖2（b）所示。根據帶負荷試驗所需電流大小以及各臺風力發電機組換流器的容量，試驗時可靈活選擇投入換流器的臺數并控制每臺換流器發出或吸收的無功功率，從而提供帶負荷試驗需要的負荷容量。

3 帶負荷試驗新方法工程應用

3.1 具體實施方式

具體試驗步驟如下：

（1）調整交流系統運行方式，如果試驗中需要使用雙饋機組，需要將定子和電網隔離。

（2）通過外接電源預熱換流器。

（3）換流器充電。

（4）集電線及風機升壓變充電完成后，檢查換流器控制系統狀態是否正常，將其切換為就地控制模式，并在就地激活網側換流器手動無功給定模式。

（5）強制風力發電機組網側斷路器儲能，完成后合上該斷路器，此時網側換流器交流側有壓。

（6）就地啟動網側換流器，檢查換流器當前實際輸出是否為零。

圖2 3種典型的風機換流器不同工作狀態示意

（7）開放無功電流給定值的限幅，根據試驗需求在每臺投入試驗的換流器上輸入無功參考值，檢查各臺換流器的給定值與實際輸出的無功功率是否一致。檢查待試設備上流過的負荷電流幅值是否與計劃一致。

（8）電流滿足試驗要求后，對一次設備、二次回路、計量儀表、繼電保護及自動化裝置進行整套校驗。

（9）整套校驗完成后，停運換流器，恢復換流器參數，恢復系統運行方式，帶負荷試驗完成。

3.2 工程應用情況

本方案首次在國電舟山普陀6號海上風電場2區工程得到應用，圓滿完成受電啟動帶負荷試驗，驗證了該方案在海上風電工程中的應用效果。試驗時2臺4.5 MVA全功率換流器提供8 Mvar無功功率，此時35 kV集電線實測的三相電壓、電流波形如圖3所示。

圖3 帶負荷試驗時實測的電壓電流波形

由圖 3（a）與圖 3（b）可知， 帶負荷試驗過程中三相電壓與電流波形均為50 Hz正弦波，波形連續且對稱。帶負荷試驗時實測的電壓電流向量如表1所示，三相正序分布，相位順次相差約為120°；三相電壓向量對稱，幅值相同，電壓不平衡度在允許范圍，相電壓有效值約為20.9 kV；三相電流大小相同且相位對稱，有效值約為124 A，波形連續且平穩，波形未發生過度畸變，僅含有少量高次諧波電流分量。如圖3（c）所示，基波電壓超前電流約90°，呈感性無功，如果待校設備需要更大負荷電流，可將無功調整至容性，與海纜對地電容效應相互疊加。電氣量特性滿足帶負荷試驗的要求。

本方案無需額外設備，僅利用風機本身的換流器實現試驗負荷的調節，可控性強，操作簡單，流程清晰，可靠性高。按照上述的海上風電工程實例，對于220 kV海上升壓站的常規配置，只需投入數臺換流器即可滿足校驗需求，人員、設備成本均遠遠低于其他方案。

表1 帶負荷試驗時電壓電流向量

4 結語

本文提出了一種利用換流器無功補償的新型海上風電工程受電啟動帶負荷試驗方法，首次在風機并網前實現了海上升壓站及陸上計量站受電啟動帶負荷試驗。該方法利用現場已有設備，在不增加調試成本的情況下完成了試驗，降低了后期機組的并網風險，提升了調試質量，縮短了試運工期，對海上風電工程建設及調試具有實際應用價值。