中国电力 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (11): 29-37, 48.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202208087
王霄鹤1,4(), 杨海超2(
), 宋爽3(
), 杨玉新2(
), 殷贵1,4(
), 王克1,4(
)
收稿日期:
2022-08-23
录用日期:
2022-11-21
发布日期:
2023-11-23
出版日期:
2023-11-28
作者简介:
王霄鹤(1991—),男,博士,高级工程师,从事海上风力发电和柔性直流输电系统设计及控制策略研究,E-mail: wang_xh8@hdec.com基金资助:
Xiaohe WANG1,4(), Haichao YANG2(
), Shuang SONG3(
), Yuxin YANG2(
), Gui YIN1,4(
), Ke WANG1,4(
)
Received:
2022-08-23
Accepted:
2022-11-21
Online:
2023-11-23
Published:
2023-11-28
Supported by:
摘要:
过电压水平是海上风电场交流送出系统的关键参数,对于系统设计、设备选型具有重要影响。为掌握影响海上风电场送出系统过电压水平的关键因素,准确评估系统过电压,对海上风电场经66 kV海缆送出系统的过电压机理展开研究。首先,分析海上风电场经66 kV海缆送出系统的拓扑结构及控制保护策略;然后,从无故障甩负荷过电压、单相接地故障甩负荷过电压、空载长线过电压方面研究海上风电场经66 kV海缆送出系统的过电压机理,并在此基础上,研究中性点接地电阻值对于66 kV海上风电送出系统过电压的影响;最后,基于PSCAD/EMTDC平台,构建了海上风电场经66 kV海缆送出系统的仿真模型并进行仿真。研究结果表明:系统的接地电阻和风电机组控制保护策略是影响海上风电场经66 kV海缆送出系统过电压水平的关键因素,随着接地电阻的变化,系统的控制保护动作顺序会发生变化,系统在不同接地电阻取值范围时将呈现出不同的过电压特性。
王霄鹤, 杨海超, 宋爽, 杨玉新, 殷贵, 王克. 海上风电场经66 kV海缆送出系统过电压机理[J]. 中国电力, 2023, 56(11): 29-37, 48.
Xiaohe WANG, Haichao YANG, Shuang SONG, Yuxin YANG, Gui YIN, Ke WANG. Overvoltage Mechanism of 66 kV Submarine Cable Transmission System for Offshore Wind Farm[J]. Electric Power, 2023, 56(11): 29-37, 48.
参数名称 | 数值 | |
风电场额定功率/MW | 350 | |
交流电网电压(线有效值)/kV | 220 | |
交流电网短路比 | 10 | |
升压站变压器变比 | 220/66 | |
变压器阻抗(p.u.) | 0.15 | |
无功补偿设备容量/(MV·A) | 35×2 | |
发生故障的66 kV海缆长度/km | 14 | |
66 kV海缆截面/mm2 | 300 | |
66 kV海缆单位长度电感/(mH·km–1) | 0.411 | |
66 kV海缆单位长度电容/(μF·km–1) | 0.173 | |
66 kV海缆单位长度电阻/(Ω·km–1) | 0.129 |
表 1 仿真系统参数
Table 1 Parameters of simulation system
参数名称 | 数值 | |
风电场额定功率/MW | 350 | |
交流电网电压(线有效值)/kV | 220 | |
交流电网短路比 | 10 | |
升压站变压器变比 | 220/66 | |
变压器阻抗(p.u.) | 0.15 | |
无功补偿设备容量/(MV·A) | 35×2 | |
发生故障的66 kV海缆长度/km | 14 | |
66 kV海缆截面/mm2 | 300 | |
66 kV海缆单位长度电感/(mH·km–1) | 0.411 | |
66 kV海缆单位长度电容/(μF·km–1) | 0.173 | |
66 kV海缆单位长度电阻/(Ω·km–1) | 0.129 |
参数名称 | 数值 | |
聚合风电机组额定功率/MW | 58 | |
风机网侧变流器交流电压/kV | 0.69 | |
风机出口变压器变比 | 66/0.69 | |
风机出口变压器阻抗(p.u.) | 0.13 | |
风电机组过电压保护阈值(p.u.) | 1.35 | |
直流母线电压/kV | 1.1 |
表 2 聚合风电机组参数
Table 2 Parameters of the aggregated PMSG
参数名称 | 数值 | |
聚合风电机组额定功率/MW | 58 | |
风机网侧变流器交流电压/kV | 0.69 | |
风机出口变压器变比 | 66/0.69 | |
风机出口变压器阻抗(p.u.) | 0.13 | |
风电机组过电压保护阈值(p.u.) | 1.35 | |
直流母线电压/kV | 1.1 |
位置 | 暂时过电压(p.u.) | 操作过电压(p.u.) | ||
66 kV母线 | 0.955 | 1.093 | ||
故障线路升压站侧 | 1.028 | 1.752 | ||
故障线路升压站侧 | 1.041 | 1.762 |
表 3 无故障甩负荷过电压仿真结果
Table 3 Overvoltage results under fault-free load shedding
位置 | 暂时过电压(p.u.) | 操作过电压(p.u.) | ||
66 kV母线 | 0.955 | 1.093 | ||
故障线路升压站侧 | 1.028 | 1.752 | ||
故障线路升压站侧 | 1.041 | 1.762 |
位置 | 暂时过电压(p.u.) | 操作过电压(p.u.) | ||
66 kV母线 | 1.740 | 2.544 | ||
故障线路升压站侧 | 1.742 | 2.544 | ||
故障线路升压站侧 | 1.748 | 2.541 |
表 4 单相接地故障甩负荷过电压仿真结果
Table 4 Overvoltage simulation results under single phase to ground fault load shedding
位置 | 暂时过电压(p.u.) | 操作过电压(p.u.) | ||
66 kV母线 | 1.740 | 2.544 | ||
故障线路升压站侧 | 1.742 | 2.544 | ||
故障线路升压站侧 | 1.748 | 2.541 |
图 9 海上风电场送出系统仿真模型(66 kV侧小电阻接地)
Fig.9 Simulation model of the offshore wind farm transmission system(66 kV-side low-resistance neutral grounding method)
接地电阻/Ω | 暂时过电压(p.u.) | 操作过电压(p.u.) | ||
0.1 | 1.157 | 2.311 | ||
3.0 | 1.338 | 1.764 | ||
10.0 | 1.677 | 2.149 |
表 5 不同接地电阻阻值下过电压仿真结果
Table 5 Overvoltage simulation results under different grounding resistance values
接地电阻/Ω | 暂时过电压(p.u.) | 操作过电压(p.u.) | ||
0.1 | 1.157 | 2.311 | ||
3.0 | 1.338 | 1.764 | ||
10.0 | 1.677 | 2.149 |
1 |
CHEN Z, GUERRERO J M, BLAABJERG F. A review of the state of the art of power electronics for wind turbines[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24 (8): 1859- 1875.
DOI |
2 | 张祥宇, 朱正振, 付媛. 风电并网系统的虚拟同步稳定分析与惯量优化控制[J]. 高电压技术, 2020, 46 (8): 2922- 2932. |
ZHANG Xiangyu, ZHU Zhengzhen, FU Yuan. Virtual synchronous stability analysis and optimized inertia control for wind power grid-connected system[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46 (8): 2922- 2932. | |
3 |
WANG Xiaohe, SUN Dan. Three-vector-based low-complexity model predictive direct power control strategy for doubly fed induction generators[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32 (1): 773- 782.
DOI |
4 | LAKSHMANAN P, SUN R J, LIANG J. Electrical collection systems for offshore wind farms: a review[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2021, 7 (5): 1078- 1092. |
5 | 迟永宁, 梁伟, 张占奎, 等. 大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36 (14): 3758- 3771. |
CHI Yongning, LIANG Wei, ZHANG Zhankui, et al. An overview on key technologies regarding power transmission and grid integration of large scale offshore wind power[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36 (14): 3758- 3771. | |
6 | 唐巍, 郭雨桐, 闫姝, 等. 多场景海上风电场关键设备技术经济性分析[J]. 中国电力, 2021, 54 (7): 178- 184, 216. |
TANG Wei, GUO Yutong, YAN Shu, et al. Techno-economic analysis of key equipment for offshore wind farms with multiple scenarios[J]. Electric Power, 2021, 54 (7): 178- 184, 216. | |
7 | 薛涛, 吕敬, 王凯, 等. 海上全功率风电机组精细化阻抗建模及机网侧耦合分析[J]. 中国电机工程学报, 2022, 42 (12): 4303- 4319. |
XUE Tao, LYU Jing, WANG Kai, et al. Accurate impedance modeling of an offshore full-power wind turbine system and analysis of the coupling characteristics between machine-and grid-side systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42 (12): 4303- 4319. | |
8 | 任必兴, 杜文娟, 王海风, 等. 锁相环控制对永磁直驱风机并网次同步振荡稳定性的影响: 控制参数安全域[J]. 电力自动化设备, 2020, 40 (9): 142- 149. |
REN Bixing, DU Wenjuan, WANG Haifeng, et al. Influence of PLL control on sub-synchronous oscillation stability of grid-connected PMSG: control parameter safety region[J]. Electric Power Automation Equipment, 2020, 40 (9): 142- 149. | |
9 |
姜飞, 涂春鸣, 帅智康, 等. 适用于鼠笼异步发电机的多功能串联补偿器[J]. 电网技术, 2015, 39 (12): 3393- 3400.
DOI |
JIANG Fei, TU Chunming, SHUAI Zhikang, et al. A multi-functional series compensator to squirrel cage induction generator[J]. Power System Technology, 2015, 39 (12): 3393- 3400.
DOI |
|
10 | 王德胜, 颜湘武, 刘辉, 等. 基于动态无功支撑的全功率变流风电机组高电压穿越改进控制[J]. 中国电机工程学报, 2022, 42 (3): 957- 968. |
WANG Desheng, YAN Xiangwu, LIU Hui, et al. High voltage ride through improved control of full power converter wind turbines based on dynamic reactive power support[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42 (3): 957- 968. | |
11 | 邹常跃, 韦嵘晖, 冯俊杰, 等. 柔性直流输电发展现状及应用前景[J]. 南方电网技术, 2022, 16 (3): 1- 7. |
ZOU Changyue, WEI Ronghui, FENG Junjie, et al. Development status and application prospect of VSC-HVDC[J]. Southern Power System Technology, 2022, 16 (3): 1- 7. | |
12 | 孙艳霞, 方是文, 李震. 海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态无功电压建模及特性分析[J]. 中国电力, 2022, 55 (4): 166- 174. |
SUN Yanxia, FANG Shiwen, LI Zhen. Transient voltage-reactive power modeling of offshore wind power collection and transmission system with AC cables and characteristic analysis[J]. Electric Power, 2022, 55 (4): 166- 174. | |
13 |
施超, 钱康, 许文超, 等. 海上风电场送出混合线路工频过电压和无功补偿研究[J]. 电工电气, 2015, (5): 20- 24.
DOI |
SHI Chao, QIAN Kang, XU Wenchao, et al. Research on frequency over-voltage and reactive power compensation for offshore wind farm with mixed cable-overhead line[J]. Electrotechnics Electric, 2015, (5): 20- 24.
DOI |
|
14 |
仇卫东, 胡君慧, 李琰. 大型海上风电场并网过电压问题及抑制措施研究[J]. 分布式能源, 2016, 1 (3): 23- 28.
DOI |
QIU Weidong, HU Junhui, LI Yan. Grid access overvoltage and restrain measures for large-scale offshore wind farm[J]. Distributed Energy, 2016, 1 (3): 23- 28.
DOI |
|
15 | 陈柏超, 罗璇瑶, 袁佳歆, 等. 考虑工频过电压的海上风电场无功配置方案研究[J]. 电测与仪表, 2018, 55 (13): 78- 83. |
CHEN Baichao, LUO Xuanyao, YUAN Jiaxin, et al. Reactive power allocation scheme for offshore wind farm considering power frequency overvoltage[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2018, 55 (13): 78- 83. | |
16 | 林晨曦, 陈小月, 文习山, 等. 220 kV海上风电场混合输电线路工频过电压研究[J]. 水电能源科学, 2020, 38 (2): 197- 201. |
LIN Chenxi, CHEN Xiaoyue, WEN Xishan, et al. Study on frequency overvoltage in hybrid submarine transmission line of 220 kV offshore wind farm[J]. Water Resources and Power, 2020, 38 (2): 197- 201. | |
17 | 金作林, 陈小月, 文习山, 等. 海上风电场220 kV海底长电缆送出线工频及操作过电压研究[J]. 电瓷避雷器, 2020, (1): 47- 53. |
JIN Zuolin, CHEN Xiaoyue, WEN Xishan, et al. Study on power frequency and operating overvoltage of 220 kV long submarine cable in offshore wind farm[J]. Insulators and Surge Arresters, 2020, (1): 47- 53. | |
18 | 杨大业, 项祖涛, 罗煦之, 等. 永磁型风机海上风电送出系统甩负荷故障暂时过电压影响因素分析[J]. 发电技术, 2022, 43 (1): 111- 118. |
YANG Daye, XIANG Zutao, LUO Xuzhi, et al. Analysis on influence factors of temporary overvoltage of load rejection fault of offshore wind power transmission system of permanent magnet synchronous generator[J]. Power Generation Technology, 2022, 43 (1): 111- 118. | |
19 | 吕杰, 杨维稼, 黄玮, 等. 66 kV交流接入海上换流站方案的技术经济性[J]. 中国电力, 2020, 53 (7): 72- 79. |
LYU Jie, YANG Weijia, HUANG Wei, et al. Techno-economic of 66 kV AC connection solution for offshore wind power[J]. Electric Power, 2020, 53 (7): 72- 79. | |
20 | 中华人民共和国住房和城乡建设部. 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范: GB/T 50064—2014[S]. 北京: 中国计划出版社, 2014. |
Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Code for design of overvoltage protection and insulation coordination for AC electrical installations: GB/T 50064—2014[S]. Beijing: China Planning Press, 2014. |
[1] | 罗泓博, 秦世耀, 郭梓暄, 李光辉. 对称短路故障下直驱风电机组暂态过电压建模与分析[J]. 中国电力, 2025, 58(4): 68-77, 97. |
[2] | 蒙飞, 李江鹏, 李涛, 徐建忠, 高海洋, 乔咏田. 基于语义增强的电网故障处置预案匹配方法[J]. 中国电力, 2025, 58(4): 237-244. |
[3] | 刘瑶, 李子恒, 郑子萱, 宋东徽, 李小腾, 张丁, 任杰, 谢琦. 基于短路容量量化评估的断面极限功率解析计算方法[J]. 中国电力, 2025, 58(3): 98-107. |
[4] | 彭茂兰, 冯雷, 王宇, 徐李清, 赵薇, 郭春义. 基于桥臂调制波调整的多端柔直系统直流过电压抑制策略[J]. 中国电力, 2024, 57(4): 171-181. |
[5] | 梁伟, 吴林林, 赖启平, 李东晟, 徐曼, 沈沉. 风电直流送出系统送端交流故障下风机过电压研究[J]. 中国电力, 2023, 56(4): 28-37. |
[6] | 孙艳霞, 方是文, 李震. 海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态无功电压建模及特性分析[J]. 中国电力, 2022, 55(4): 166-174. |
[7] | 刘辉, 王阔. 新能源低电压穿越无功电流对暂态电压安全约束的影响[J]. 中国电力, 2022, 55(2): 152-158. |
[8] | 王容, 史嘉昭, 郭璨, 申巍, 马西奎. 基于CVT的特高压换流站复杂电磁环境下操作过电压测量[J]. 中国电力, 2022, 55(10): 92-99. |
[9] | 徐浩, 刘利强, 吕超. 基于迁移学习的配电网内部过电压识别方法[J]. 中国电力, 2021, 54(8): 52-59. |
[10] | 郄朝辉, 李兆伟, 王维洲, 李威, 柯贤波. 直流闭锁故障下风电并网功率和直流输送功率的耦合关系分析[J]. 中国电力, 2021, 54(6): 175-182. |
[11] | 吴嘉玲, 卢铁兵. 柔性直流电网结构对单极接地故障过电压的影响[J]. 中国电力, 2021, 54(10): 20-27. |
[12] | 王永红, 焦重庆, 肖冰, 郭安琪, 邱桂中, 秘立鹏, 徐克强. 变电站接地网上两点间电位差的特性[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 150-158. |
[13] | 乔丽, 王航, 谢剑, 郭春义. 同步调相机对分层接入特高压直流输电系统的暂态过电压抑制作用研究[J]. 中国电力, 2020, 53(3): 43-51. |
[14] | 杨源, 阳熹, 谭江平, 陈亮, 辛妍丽, 陈夏. 海上风电场无功配置优化方案[J]. 中国电力, 2020, 53(11): 195-201. |
[15] | 甘艳, 顾德文, 张昌, 姚勇, 黄瑞莹. 500 kV架空线路雷电过电压与冲击接地电阻关系[J]. 中国电力, 2018, 51(9): 118-125. |
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