电力论文
海上升压站大孤岛运行模式技术研究
摘要：随着中国海上风电场的缓慢起步，海上风机需要在孤岛运行情况下配置合适的应急电源以保证可靠性，而海上风电场孤岛运行模式面临着设备配置选择、运行操作方式等诸多问题。因此，文章分析了海上升压站大孤岛运行模式的必要性和适用性，提出了针对海上风电场风机应急供电的大孤岛运行模式和设备配置方案，通过仿真分析验证了配置方案的适用工况。上述成果在海上风电场工程中得到了实际应用，可为今后的海上风电场工程建设提供指导。
关键词：海上风电场; 风电机组; 应急电源; 大孤岛; 运行模式; 配置方案;
作者简介： 傅春翔（1987—），男，工程师，主要从事风电工程电气设计与技术工作。E-mail: fu_cx@edici.com; 罗璇瑶（1993—），女，硕士研究生，主要从事海上风电场无功补偿研究工作。E-mail: luo_whu@163.com; 郦洪柯（1987—），男，工程师，主要从事风电工程电气设计与技术工作。E-mail: li_hk@edici.com; 马润泽（1993—），男，硕士研究生，主要从事风电工程电气设计与技术工作。Email: ma_rz@edici.com; 陈正华（1984—），男，助理工程师，主要从事风电工程运维电气技术工作。E-mail: hnqdfd_czh@163.com; 陈柏超（1960—），男，博士生导师，教授，从事可控电抗器和电力电子技术的应用。E-mail: whgycbc@163.com;
收稿日期：2018-08-15
基金：华能研究资助项目(HNKJ16-H25);
Research on big island operation technology of offshore substation
Fu Chunxiang Luo Xuanyao Li Hongke Ma Runze Chen Zhenghua Chen Baichao
Huadong Engineering Corporation Limited, Power Construction Corporation of China School of Electrical Engineering, Wuhan University Huaneng Jiangsu Clean Energy Branch Company
Abstract：With the slow start of offshore wind farm in China, the reliability of the offshore wind turbines needs emergency power supply with appropriate configuration under island operation mode as a guarantee, while the island operation mode of offshore wind power is facing many problems in equipment configuration selection, operation methods etc. Therefore, this paper analyzes the necessity and applicability of the big island operation mode of offshore substation, and puts forward the big island operation mode and equipment configuration scheme for emergency power supply of offshore wind farm fans, and verifies the applicable conditions of the scheme through simulation and analysis. The above results has been practically applied in offshore wind farm projects and provides some reference to the offshore wind power project construction in the future.
Keyword：offshore wind farm; wind turbine; emergency power supply; big island; operation mode; configuration scheme;
Received： 2018-08-15
0 引 言
风能的清洁性、可再生性及其大规模应用技术的日益成熟，使风力发电日益成为新能源领域中技术最为成熟、最具有开发条件和最有发展前景的发电方式。中国海岸线长，风能资源比较丰富，仅近海的风能资源就是陆上风电可开发量的3倍，目前，我国海上风力发电正日益成熟，已进入一个开发增长期[1,2]。
海上风电机组作为海上风电场的主机设备，是整个风电场的电能生产者，风电机组的安全性和可靠性势必影响整个风电场的发电量和经济效益。
海上风电场的主送电缆遭遇故障或台风造成陆上连接的架空输电线路毁坏致使海上风电机组与电网脱离联系而长时间停用，这时海上风电场处于孤岛状态。当海上风电场内风电机组处于停机状态时，机组内各类机械部件都可能出现重大的疲劳损伤，尤为严重的是齿轮箱将承受由于风轮摇摆而引起的不可接受的载荷，以及由于波浪的激励、风轮静止或空转引起的低气动阻尼等因素，所导致的支撑结构上的共振载荷；另外在长时间断网的条件下，塔筒及机舱内的除湿装置不能工作，整个风机的环境条件劣化，将直接影响设备及元器件的使用寿命[3]。
对于运行环境较为恶劣的海上风电机组，它运维的高可靠性需要在孤岛情况下配置合适的应急电源作为保证。因此，为了确保海上风电机组运行的安全，对其在孤岛模式下运行的研究十分必要。
1 国内外发展现状
海上风电场离岸距离较远，通常设置海上升压站，以高压海缆出线与电网连接，因其拓扑结构特点[4]，如图1所示，通常可运行于三种状态：
（1）正常并网状态。
风电场正常发电，风电场所发电能通过高压海缆送出至电网；风电场不对外送电，电网对海上升压站倒送电。
（2）小孤岛运行模式。
当海上升压站与陆上的连接断开时，风电机组不发电，风电场不对外送电，海上升压站内设备由平台柴油机组供电运行，升压站与风机组串之间的连接断开。
（3）大孤岛运行模式。
当海上升压站与陆上的连接断开时，风电机组不发电，风电场不对外送电，海上升压站内设备由平台柴油机组供电运行，升压站与风机组串之间保持连接，风机内辅助设备同样由柴油机组供电运行。
在平台调试阶段，或者是高压出线海缆故障、电网断电故障、主变故障停运等情况发生时，均可能出现孤岛运行模式。
图1 系统结构框图 下载原图
Fig.1 System structure block diagram
国外海上风电场主要在欧洲有较多运行业绩，早期欧洲海上风电场离岸距离较近，一般只采用小孤岛运行方式。随着海上风电场规模越来越大，离岸距离越来越远，一旦风电场断电，检修维护周期较长，风机长时间失电会对风机内部设备造成一定的损害，同时考虑到国外风机合同、贷款条件及保险政策等问题，后期国外海上风电场均采用大孤岛运行方式[5,6]。欧洲近期建设的海上风电项目，如Riffgat、DanTysk、AlphaVentus等，均具备大孤岛运行能力。
在欧洲海上风电市场，风机基本被西门子和维斯塔斯两大供应商占据[7,8,9]。这两大供应商均要求风机内的关键辅助设备在电网断电超过一定时间后能通过应急电源供电的方式使其保持在工作状态。海上风电市场占有率较高的西门子SWT-3.6风机在其技术要求里，强烈建议在电网断电超过72 h后，通过应急电源对风机辅助设备供电，供电方式不一，可以是在塔筒底部/过渡段TP内安装柴油机，或者通过海缆集电线路集中供电，也就是大孤岛模式。在合同阶段，该项应急供电要求通常会列入质保条款，作为风机供应商在一定期限内履行质保承诺的前提条件。
国内目前已建成的中广核如东海上风电场及三峡响水海上风电场[10,11]，由于地处江苏近海，离岸距离较近，当地受极端恶劣天气影响的概率较小，检修维护周期较短，以上两个项目均只考虑小孤岛运行方式，在必要情况下，采用船载柴油发电机进行对风机进行供电。目前国内海上风电开发刚刚起步，还没有对海上风电场孤岛运行模式作系统研究，迫切需要开展研究工作。
根据海上风力发电机组设计要求[10]，风力发电机组在超过3个月未发电的情况下重启时，应采取特别的预防措施。重启前，应对所有部件和系统进行全面检查，并评估其工程整体性。若确定部件和系统因长期不发电而不再满足设计要求，则应进行维修或更换。同时，中国船级社的《海上风力发电机组认证规范》规定了海上风力发电机组在长时期不运行（如无法并网等）时所采取的措施[11]：停机周期以3个月为限，如超过3个月则应采取如下措施：锁定叶片变距系统和/或风轮，或安装一个备用电源。
由于海上气象条件严苛，风机厂商对风机运行工况会有相关强制要求，即当风机不发电时，风机内部的辅助设备，特别是除湿，加热，导航，照明灯设备，均不能超过预先设定的最大允许断电时间。通常风机内部都会自带蓄电池或者超级电容用于应急，但是时间很短，因此需要考虑风机在孤岛运行状态下运行的安全问题。
对于所在海域天气状况较好，风机台数较少的风电场，可以采取在紧急状况下由运维船只提供单独柴油机组本地供电的方式。但随着海上风电朝着大容量、远距离方向发展，建设方需要更多的考虑风电场的整体通达性，以及风电场规模（风机台数）。结合欧洲以及国内海上风电项目的建设、运维情况，综合评估后，对于规模较大、离岸较远的海上风电场，在海上升压站平台安装柴油机组使风电场具备大孤岛运行能力，是更可靠和经济的方案。
2 海上风电场大孤岛模式技术方案
根据海上平台相关规范要求，海上平台应配置应急电源，供海上升压站站用电失电时使用。除海上升压站应急电源外，若还需考虑风机内辅助设备（偏航系统、加热除湿装置等）的应急供电及风电机组停机后的自启动电源，此时风电场可考虑采用大孤岛运行模式。在大孤岛运行模式下，海上升压站平台的站用电和风机辅助用电均由海上升压站上的柴油发电机供电。
海上风电场大孤岛模式的基本设计方案为在海上升压站内设置风机应急供电用的柴油发电机组，该柴油发电机组所发电能升压至35 kV后（国内海上风电场内集电汇流系统一般采用该电压等级），通过35 kV集电线路倒送至各台风机，通过风机配套变压器和自用电变压器降压后供风机内辅助设备使用。同时考虑到大孤岛运行模式下，柴油机组需通过集电线路对风机内辅助设备进行供电，而海上风电场集电线路采用海缆，根据风电场规模不同，由电缆产生的容性无功功率约在数兆乏，无法由柴油机组补偿[12]。因此需要考虑额外配置无功补偿设备以支持大孤岛运行能力，可在海上升压站35 kV母线上装设并联电抗器来补偿35 kV海缆的充电功率。
2.1 风机内部接线型式研究
风机内部主接线将较大的影响电抗器容量的取值，特别是单台容量较大的风机。通常，风机内部的接线存在几种型式，如图2所示。
图 2 海上风电机组内部接线示意图 下载原图
Fig.2 Schematic diagram of the internal wiring of offshore wind turbines
第一种型式如图2（a）所示，该接线型式较为典型。风机内部除了风机配套升压变压器，还有一台辅助变压器，接于风机出口（一般为690 V）侧，通常为690 V/400 V，为风机以及塔筒内部关键辅助设备供电。当风电场处于大孤岛模式下，供电电源来源于海上升压站柴油机组，并由35 kV集电线路倒送。因此，风机配套升压变压器也将处于通电低载状态。由此将带来额外有功损耗及较大的感性无功。有功损耗将潜在增加平台柴油机组容量的配置，而感性无功将抵消掉一部分线路网络的容性无功，从而降低对平台电抗器配置容量的要求。
第二种型式如图2（b）所示。在该接线型式下，风机辅助设备用电由单独接入35 kV 集电线路的辅助变压器提供，因此风机配套升压变压器在大孤岛模式下无需处于通电状态，也不会带来额外的变压器无功损耗和感性无功。因此，在该方案下，海上升压站用于大孤岛运行的柴油机组容量无需考虑风机单元主变的有功损耗，电抗器的容量计算也可忽略风机单元主变的感性无功的影响。但由于该方案并非风机生产商所通用，因此需要建设方在项目初期就与风机厂商进行充分的技术沟通。采用该方案最大的好处就是在大孤岛模式下，风机配套升压变可以与系统断开，因此无需考虑其有功损耗。对于单台容量4 MVA~5 MVA 的风机，变压器有功损耗可达7 kW~8 kW，对于整个风电场来讲该损耗也是十分巨大的。
2.2 海上升压站大孤岛方案设备配置研究
海上升压站大孤岛方案的设备配置较常规配电系统主要增加了供电用的柴油发电机组和平衡系统无功的电抗器。这两种设备的选择配置情况如下：
2.2.1 柴油发电机组的选择
经调研，目前国内海上风电场主流风电机组内的如下辅助设备需要在断电期间由应急电源供电[13]：（1）吊车；（2）除湿器；（3）照明；（4）加热器；（5）变压器油泵；（6）高速刹车；（7）导航灯。另外还有一些辅助电源接口等等。
大孤岛用柴油发电机组的容量选择应考虑风电场内所需供电风机的辅助设备总负荷容量并结合项目后期方案运行的实际需要考虑一定的供电同时率。同时柴油发电机组容量还应考虑集电线路海缆及系统内各变压器等设备的有功损耗等。
大孤岛模式面临的最大问题便是柴油机组启动时风机内配套变压器的涌流问题和整个系统的过电压问题，尤其是风机内接线为图2(a)所示常规接线情形时，风机单元变压器的接入将带来很大的励磁涌流和过电压。
2.2.2 并联电抗器的选择
大孤岛模式下，柴油发电机给风机回路供电时，由于海缆充电功率较大，需装设补充装置进行无功补偿，由于海缆一般需要吸收感性无功功率，所以考虑装设电抗器进行补充。电抗器容量按所带35 kV海缆所需的感性无功进行过补偿，若风机内接线为图2(a)所示常规接线情形时，还需考虑风机内升压变压器提供的感性无功功率。
文中无功补偿装置选择采用电抗器而非SVG装置，主要是考虑到大孤岛启动方式的影响。由于大孤岛启动方式采用“零电压启动”方式，SVG是利用IGBT等电力电子元件来进行无功补偿的，所以它的运行方式需要有一定大小的电压支撑，而在大孤岛启动前期电压较低，SVG无法提供无功补偿。电抗器为常规的电感元件，其感性无功的输出始终和电压的平方成正比，而电缆可视为一个电容元件，其容性无功输出也与电压的平方成正比，所以只要选定合适的电抗器参数，在大孤岛启动和运行的整个过程中，其输出的感性无功均能和电缆提供的容性无功平衡。此外电抗器的投资和占地面积也要远远小于SVG装置。
3 案例分析
文中以江苏省某海上风电场场区为例。该场区拟安装 14台单机容量为4.0 MW的风电机组、20台单机容量为5.0 MW的风电机组，总装机容量为156 MW。110 kV海上升压站设1台170 MVA、110/35/35 kV低压双分裂主变压器，110 kV配电装置采用变压器线路组接线，35 kV配电装置采用单母线分段接线。风电场每台风电机配置一套升压设备，升压至35 kV后5~7台连接后接入海上升压站35 kV 配电装置。主接线如图5所示（已略去与大孤岛运行无关的设备）。
3.1 大孤岛运行模式设计
除海上升压站应急电源外，若还需考虑风机内辅助设备（偏航系统、加热除湿装置等）的应急供电及风电机组停机后的自启动电源，此时风电场需采用大孤岛运行模式。在大孤岛运行模式下，海上升压站平台的站用电和风机辅助用电均由柴油发电机供电。
3.1.1 柴油发电机组的选择
欧洲海上风电场一般设置“一用一备”两台大孤岛柴油发电机。考虑到海上升压站平台土建结构施工较为困难，平台面积应尽可能小；且该地区电网结构较强，场区内无显着的台风等恶劣天气影响，小孤岛柴油发电机也可提供一定的备用容量；综合考虑，推荐升压站平台配置1台大、小孤岛兼用的应急供电用柴油发电机。
单台风机辅助功耗约为25 kW~30 kW，单回海缆集电线路连接风机台数为5~7台，单回线路风机的辅助功耗约150 kW~210 kW。考虑风机辅助设备工作的同时率取50%，每个场区6回线路风机的总辅助功耗约为600 kW，同时预留一定的容量兼做海上升压站小孤岛应急供电用柴油发电机的备用，每座升压站配置应急供电用柴油发电机）容量拟取800 kVA。
3.1.2 电抗器的选择
柴油发电机给风机回路供电时，由于海缆充电功率较大，应装设电抗器进行无功补偿，电抗器容量按所带35 kV海缆电容电流进行过补偿，文中单回35 kV海缆的充电功率为0.32~0.71 Mvar 之间，场区6回海缆充电功率之和约为2.61 Mvar，若不考虑风机箱变的无功容量，则每座海上升压站配置的单台电抗器容量取2.6 Mvar。进一步考虑风机箱变的无功容量后，场区大孤岛模式运行下的无功功率缺额约为0.833 Mvar，此时每座海上升压站配置的单台电抗器容量取1.0 Mvar，并带±5%，±10%无载分接档位。
3.1.3 大孤岛设备启动策略
柴油发电机一般的启动方式为发电机开始运转后，调整发电机至额定转速，电压调到额定值，然后合上发电机出口侧的开关，向外供电。但由于线路上有多台风机配套升压变，且升压变容量较大，单台升压变容量达到了4500 kVA及以上，如图3所示，变压器空载合闸时所产生的励磁涌流较大，一般为额定电流的6~10倍，此励磁涌流将对柴油发电机造成冲击，使其保护停机，则无法正常启动柴油发电机组[14]。
图 3 变压器合闸时风机出口侧电流 下载原图
Fig.3 Generator rms terminal current when transformer is energized
考虑到以上情况，建议柴油发电机组启动时，发电机出口侧及线路两端的断路器均闭合的情况下远方手动启动柴油发电机，柴油发电机组带所有海缆线路及风机配套升压变压器进行“零电压启动”，以避免合空载变压器的励磁涌流冲击问题，当柴油发电机组逐步运行到额定转速及额定电压后，再通过对风机SCADA系统的控制进行相关的偏航及辅助系统操作，该方式启动时间略长，约在1 min~2 min左右。操作运行时可所有风机同时进行偏航或若干台风机进行分组偏航操作。
通常在柴油发电机组选型时应考虑如下问题：
（1）永磁励磁机（PMG）与AVR控制。
柴油发电机组励磁机采用永磁励磁机，其AVR控制电路不受非线性负载的影响，且减少出口电压频率的干扰，如图4所示。
永磁励磁机的另一个好处是可以提供稳定的短路电流，这一点在大孤岛模式下的继电保护设置中值得关注。
图 4 柴油发电机AVR控制 下载原图
Fig.4 Diesel-driven synchronous generator AVR control
（2）电压爬坡启动。
柴油发电机组启动应能满足电压爬坡启动的需求，启动大孤岛模式时，首先保证35 kV集电线路中拟接入大孤岛模式的线路断路器和开关（柴油发电机、风机组串、并联电抗器、接地变压器等）保持闭合（即通过集电线路电缆整个系统已连通）。柴油机启动信号给出后，当其运行频率达到额定值时，给出电压爬升信号，即发电机出口电压由0缓慢爬升至额定电压。该方式可避免系统出现励磁涌流。
3.2 仿真分析
根据前述作为案例的风电场的主接线，在PSS?Sincal版本 12.5中建立模型并输入其中各设备的参数，建立的模型如图5所示，模型中设备的主要参数如表1所示。
图 5 在PSS?Sincal 12.5中建立的风电场大孤岛运行模型 下载原图
Fig.5 Large island operation model of the wind farm established in PSS?Sincal 12.5
表 1 模型中设备的主要参数 导出到EXCEL
3.2.1 潮流计算
（1）工况1—全部风机接入大孤岛模式。
在该工况下，风电场两段母线所连全部风机辅助负荷均接入由柴油机组供电。
计算结果显示柴油机组容量无法满足所有负荷的运行要求。全部风机运行的有功功率约为1221 kW，超过了柴油机组800 kW的最大功率输出。
因此在柴油机组参数已经确定的情况下，此工况不可行。两段母线所连的风机只能以分组接入的方式来运行。
若考虑理想情况，即柴油机组有功出力满足全部风电场辅助负荷要求，且风电场所需感性无功完全由电抗器补偿。即此时柴油机组有功出力需增大为约1184 kW，电抗器容量约833 kvar。
（2）工况2—无风机接入大孤岛模式。
此工况只考虑35 kV海缆接入，用以确定集电线路海缆的容性无功功率影响，而所有风机辅助负荷及其单元变压器均断开的情况。在本工况下，系统的容性无功功率达到最大。若出现风机安装延迟的现象，大孤岛模式供电对象可能为塔基/过渡段，此时的系统运行情况将接近于此工况（略35/0.4 kV辅助变压器影响）。
计算结果显示由海缆所产生的容性无功功率几乎完全由电抗器补偿，柴油机组基本处于空载状态。因此，电抗器最大容量取值应为2600 kvar（不考虑机组配套升压变的感性无功影响），如表2所示。
表 2 潮流计算结果 导出到EXCEL
短路计算依据IEC60909标准。最大短路电流计算考虑到所有辅助设备中可能的电机负载接入的情况，电缆电阻取20°C时值。最小短路电流计算不考虑电机负荷接入的情况，电缆电阻取90 °C时之值。所有故障假定具有零电弧阻抗。计算结果如表3所示。
表 3 短路电流计算结果 导出到EXCEL
从计算结果可以看出，在大孤岛运行方式下，系统短路电流水平有限，对最大短路电流值无需额外措施。但由于大孤岛运行方式下短路电流较小，在保护整定时需予以额外关注。
3.3 结果分析
根据仿真计算结果，可以做出以下分析：
（1）在目前的设计中，由于柴油机组容量有限，不具备对全场风机辅助设备同时供电的能力。考虑到同时运行的所有负荷不应超过柴油机的额定功率，需通过SCADA系统对风机内负荷的动作进行分批控制；
（2）在不考虑风机单元变压器和辅助负荷接入，仅考虑集电线路海缆产生的容性无功功率情况下，所需要的最大感性无功补偿功率为2.6 Mvar，该值也就是35 kV系统需要的最大无功功率补偿值。该补偿值适用于图2情形b所描述的风机接线情形，也适用于当出现风机安装延迟而需要为塔基/过渡段辅助设备单独供电的情况；
（3）考虑风机侧箱变提供的感性无功容量时，所需电抗器容量约833 kvar；
（4）若系统无功补偿按正确方式配置，各节点电压均不超过±10%额定电压；
（5）短路电流的计算表明，在大孤岛模式下短路电流最大值均满足设备要求，无需额外措施。但由于大孤岛运行方式下短路电流较小，需要在保护配置中加以重视，以确保故障的正常检测。
4 应用前景分析
目前中国海上风电场的建设才刚刚起步，适用于国内海上风电场的设计规范和运行维护标准还没有制定。海上风电机组设备作为海上风电场的发电单元，其重要性不言而喻。文章通过研究，提出了针对国内海上风电场风机应急供电的大孤岛运行模式和设备配置方案，研究成果已在华能江苏如东海上风电场（如图6所示）等工程中成功应用。
图 6 华能江苏如东海上风电场升压站 下载原图
Fig.6 Huaneng Jiangsu Rudong offshore wind farm booster station
此项课题下一阶段主要在以下两方面进一步进行优化研究：
（1）目前方案采用固定容量的电抗器，但不方便调节，可采用可控电抗器灵活调节输出的无功功率，使之同时适用于不同运行工况；
（2）对于大孤岛运行启动带来的过电压和励磁涌流问题，需要合理地配置柴油发电机最佳选型和最优启动模式。
上述研究成果对于国内海后续上风电场设计和建设都有很好的指导作用，对于进一步保障海上风电机组运行的安全性和可靠性，提供海上风电场的发电效益具有重要意义。
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