海上风电场经交流海缆送出高频谐振高效实用化分析方法及其工程实践

2022年,国内某经交流电缆送出的海上风电场发生了高频谐振引起风机脱网事件,谐振频率超过现有标准规定的评估范围。针对海上风电场经长距离交流海缆并网产生的高频谐振现象,提出一种高效实用化的阻抗分析方法,并针对此次事件开展详细的频域仿真分析。采用硬件在环仿真与离线仿真相结合的手段开展风电机组阻抗特性建模,对风电机组变流器进行硬件在环阻抗测试,并在离线仿真平台中实现阻抗数据拟合。考虑了海底电缆的结构尺寸,在离线仿真平台中采用依频模型对其进行详细建模,模型精度满足海上风电场的谐振分析需求。搭建海上风电场场站模型,通过与现场多种工况的高频谐振复现测试结果进行对比,验证了所用分析方法的有效性,并开展阻抗特性整改措施仿真研究,为工程实践提供重要参考和指导。     

海上风电场经交流海缆并网谐波谐振放大分析

采用交流海缆接入电网的海上风电场在电缆线路分布电容的作用下,可能出现陆上风电场不常见的谐波谐振与谐波放大现象,严重威胁到海上风电场安全可靠运行。为研究海上风电场谐波谐振机理与谐波放大影响因素,首先,建立了海上风电场输电系统与集电系统两部分的状态空间模型,并给出谐波放大倍数、谐波含量等指标的计算方法;其次,通过特征值和参与因子揭示了谐波谐振机理及关键影响因素;然后,通过根轨迹法研究了电网短路容量、高压电缆参数和风电机组并网台数对谐振模态的影响;最后,在Matlab/Simulink仿真平台搭建江苏某海上风电场.验证理论分析的有效性。     

偏远地区风电场并网系统串联谐振分析

针对偏远风电场并网时易被忽略的并网系统串联谐振问题,提出结合回路元件灵敏度的串联谐振模态分析法进行研究。虽然并联谐振在电力系统中所占比例较大,但串联谐振的危害亦不可忽略。偏远风电场因其送出线较长,并网结构薄弱,输电线路分布电容所带来的影响不容忽视。建立线路分布参数模型,并分析其阻抗特性,基于已建立的风电场并网模型,采用串联谐振模态分析法分析系统串联谐振现象,准确判断串联谐振频率的同时,给出串联回路电气元件的模态灵敏度值。最后,以某风电场为实例建立仿真模型,仿真结果验证了所采用分析方法的可行性。通过元件灵敏度值的计算,进一步阐述线路长度的改变对风电场并网系统串联谐振频率和幅值的影响规律,为风电场实际规划建设提供理论指导。     

特高压空载变压器的合闸谐振过电压

研究了我国1000 kV特高压试验示范工程中可能出现幅值较高的合空载变压器谐振过电压现象,阐述了合空载变压器谐振过电压的机理与影响因素及其对策。在计算分析合闸电阻、投入低压电抗器等措施限制合空变谐振过电压效果的基础上,提出了抑制合特高压空载变压器谐振过电压的相应对策,以保证特高压试验示范工程的安全运行。     

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

海上风电经交流电缆汇集送出系统送端暂态过电压威胁系统安全稳定运行,为定量分析暂态电压对海上风电机组的影响,指导海上风电无功电压控制系统配置,亟须研究海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态无功电压模型。首先,分析计及交流电缆的送出系统等效网络特性,明确等效网络呈现感性与容性特性的边界条件;然后,基于等效网络容性特性,建立计及交流电缆的海上风电暂态无功电压数学模型,基于控制硬件在环（control hardware in the loop,CHIL）实时仿真实验平台,验证了数学模型的正确性;最后,基于海上风电暂态无功电压模型,定量分析交流电缆线路长度、风电机组网侧变流器电流环控制带宽与阻尼比对机端暂态过电压的影响规律,为定量评估海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态过电压运行风险奠定了理论基础。     

海上风电场集电网的高频谐振分析

大型海上风电场已经成为风力发电的发展趋势,海上风电场集电网采用电缆线路汇集电能,电缆相间电容和对地电容不可忽略,集电网的阻抗网络复杂多变,存在与风电机组阻抗交互作用进而发生高频谐振的风险,威胁到风电场的安全稳定运行。针对这一问题,构建集电网的阻抗网络,将风电场集电网等效为风电机组子系统和剩余等效风场子系统,进一步揭示了高频谐振发生的机理,研究了电缆参数、场内链式电路数量、风电机组接入台数和电网阻抗与互联系统谐振频率的变化规律。以某海上风电场系统作为研究对象,利用MATLAB软件和基于RT-LAB的控制器硬件在环仿真对该风电场进行分析,验证了理论分析的正确性。     

考虑集电网结构的海上风电场谐振研究

海上风力发电已经成为风电领域的重要发展方向。海上风电场中大量应用海底电缆进行电力传输,其较高的对地电容使得风电场的谐振问题更加突出。风电场集电网结构决定了电缆的长度、电气参数与连接方式,直接影响系统的谐振频率与强度。建立了海上风电场电力传输系统的谐波模型,包括风电机组、电缆与变压器模型等。基于模态分析方法,对不同集电网结构下系统的谐振情况进行了仿真计算,并由各节点参与因子分析谐振的主要来源;采用元件参数灵敏度分析方法,评估了主要结构参数对谐振的影响程度;进而针对不同频段谐振给出滤波措施。仿真结果验证了谐振抑制的有效性。     

考虑工频过电压的海上风电场无功配置方案研究

随着海上风电能源的不断开发,海上风电场的过电压问题对系统的安全运行极为重要,而无功补偿问题影响着系统的电能质量,因此在确定无功补偿方案的同时也应该考虑过电压的限制。本文基于海上风电场含有架空线路和海底电缆混合输电线路的风电场电磁暂态模型,提出了一种考虑工频过电压的无功配置方案,利用ATP/EMTP仿真软件分析了海上风电场工频过电压,并在此基础上对风机不同出力情况下的风电场无功容量需求进行计算,从而得到符合系统安全运行范围的海上风电场无功容量配置方案,并以某海上风电场为例,最后利用MATLAB/Simulink仿真验证了所提方案的可行性。     

面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案

海上风电具有广阔的发展前景,而可靠、高效的大规模远海风电并网系统是开发海上风电的关键技术.针对远海风电直流送出系统的海上平台轻型化问题,提出一种跟网型中频远海风电场直流送出方案.该方案采用跟网型风电机组,直流系统的整流侧和逆变侧都采用模块化多电平换流器(MMC).首先,从拓扑结构和控制系统2个方面对该跟网型中频方案进行了描述;接着,就海上风电场交流系统运行频率对风电场及其直流送出系统的影响进行了分析,包括对变压器、交流电缆和MMC等的影响.基于±320 kV/1000 MW海上风电直流送出系统,分析了100 Hz跟网型中频方案的技术经济性,包括关键电气设备的主回路参数、海上交流电缆造价、海上平台造价、风机造价、交流电缆损耗和整流站阀损耗、交流电缆输电能力.最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了跟网型中频方案的电磁暂态仿真模型,验证了该方案的有效性.     

黑启动过程中操作过电压分析

在制定电力系统黑启动方案过程中,为验证方案的可行性,需要对黑启动方案进行各项技术指标（发电机的自励磁、空充线路过电压、频率和电压稳定问题等）的校验,以便成为黑启动方案的备选方案,其中空载线路合闸操作过电压的校验便是其中较为重要的一项。对电力系统黑启动过程中的操作过电压问题进行了理论分析,并用MATLAB／SIMULINK软件进行仿真,将计算结果和仿真结果进行了对比,证明了在黑启动恢复过程中对空载线路进行合闸操作存在过电压的可能,最后结合河北南网的实际情况,用河北南网的某一黑启动方案进行验证,证明了理论分析的正确性,同时提出了抑制空载线路过电压的措施。     

基于模态分析的风电场并网谐波谐振研究

针对风电场并网时易发生的谐波谐振问题,采用模态分析法对风电场并网系统的节点导纳矩阵进行解耦处理,并通过特征值分解确定其谐振频率、谐振中心等相关信息。首先建立并网LCL逆变器等效诺顿模型和电网等效模型,基于已建立模型,采用模态分析法分析风电场并网谐振现象并给出各节点谐振参与因子、谐振中心等谐振信息。基于仿真平台PSCAD按照某99 MW风电场参数搭建实例仿真模型,在验证模态分析法可行性的同时,深入研究随着风电场集电线路长度和风机并网台数改变时的并网谐振各节点参与因子与谐振中心的变化规律。     

海上风电场谐振分析的实用计算方法

海上风电场采用海底电缆并网,电缆的容性效应使得其谐波谐振问题突出,为此提出了一种频模分析法,用以分析海上风电场的谐波谐振问题。首先,通过对海上风电场内部各元件进行谐波建模,建立起海上风电场的等效谐波模型。然后,以江苏某海上风电场为例,采用所提出的计算方法对其内部存在的谐振模式进行了分析,并重点考虑了风电机组容量配比和无功补偿设备安装位置的影响,验证了所提出方法的适用性。对算例的分析证明:所提出的实用计算方法结合了模态分析法和频率扫描法的优点,既能够有效确定谐波谐振影响区域,又能够提高计算效率。     

真空断路器空载合闸操作过电压分析及仿真研究

分析了操作过电压特点和产生原因。通过空载合闸线路时的集中参数等值电路对其产生的过电压进行计算,运用ATP-EMTP仿真对500 kV输电线因不同操作产生的过电压情况进行仿真试验,得到了断路器合闸空载线路过电压的特点,为过电压抑制措施提供了参考。     

海上风电场并网对暂态过电压和谐波谐振特性的影响

海上风电场并网易引起电力系统的谐波谐振问题，从而威胁到电网的安全运行。为此研究了海上风电场并网对陆上电网PCC（公共耦合点）暂态过电压和谐波谐振特性的影响，并提出了谐波谐振的治理方案。首先对浙江省某海上风电场并网工程进行PSCAD仿真建模。然后通过仿真计算得到并网系统在不同运行方式下的暂态过电压和谐波谐振特性。研究结果表明：在不同运行方式下，PCC暂态过电压标幺值最大值为2.1 p.u.，小于限制值3.0 p.u.，符合安全要求。最后采用在PCC处并联5次和7次低阻抗支路滤波器的谐波抑制策略，使得PCC谐波放大现象明显减弱，总谐波畸变率大幅下降，均小于1.5%，消除了2～7次低频谐波放大现象。     

海上风电场交流并网谐波谐振放大机理分析与治理

由于相同电压等级下电力电缆的电容效应比架空线路大出20倍以上,使得一般在陆上风电场并网中并不严重的谐波谐振放大问题,在海上风电场并网中可能会变得十分严重,为此研究了海上风电场并网引起的谐波谐振放大问题及其治理原理.首先,对海上风电场并网时的谐波谐振放大机理进行了分析,从原理上给出了治理的技术途径;然后,以某海上风电并网实际工程为研究案例,分别建立了海上风电电网和陆上电网的谐波模型,包括电缆、变压器和风电机组的谐波模型以及超高压大电网的等效谐波模型和低压配电网的等效谐波模型,并根据所建立的谐波模型分析了发生谐波谐振放大的原因,提出了解决谐波谐振放大问题的治理方案并进行了验算;最后,对海上风电场并网引起的谐波谐振放大问题的机理和治理原理进行了总结.     

海上风电场送出混合线路工频过电压和无功补偿研究

介绍了采用长距离高压海底电缆的海上风电场输电系统电磁暂态模型,利用EMTP/EMTPE仿真软件分析了高压海底电缆+架空混合线路工频过电压,在此基础上研究高压并联电抗器和低压无功补偿装置容量,得到了海上风电场无功补偿配置方案。以某海上风电场为例,对其工频过电压及无功补偿进行了综合计算分析,验证了所提方案的可行性。     

220 kV高铁牵引变进线谐振过电压事故分析*

断线过电压是电力系统中常见的一种铁磁谐振过电压,严重时会导致避雷器爆裂、设备外绝缘闪络等.以一起220 kV高铁牵引变电源侧线路断线后避雷器爆炸事故为例,结合牵引变压器特殊接线方式,分析此次故障过电压的原因.首先分析了线路不同相断线时过电压的情况,其次分析了工频谐振的情况,得出线路断线引起空载变压器与线路分布电容产生谐振过电压是导致避雷器爆炸的主要原因.针对此次故障,提出了该类故障的运维应对措施.     

海上风电场海底高压电缆电磁暂态过程的仿真分析

为了能更好地确定海上风电场海底高压电缆的选型要求,使用PSCAD/EMTDC软件建立相应的海上风电场仿真计算模型。针对海上风电场工频过电压、操作过电压和雷电过电压这3种电磁暂态过程的不同特点,进行仿真,并且考虑了不同的系统条件下上述3种过电压对电缆绝缘的影响。在操作过电压中,重点研究了合闸电阻对过电压的影响;而在雷电过电压中重点研究的是架空线路受雷电侵入波的过电压。仿真结果表明,海底电缆各层的结构参数对海底电缆的电磁暂态有着不同程度的影响,其中导体层、绝缘层、HDPE层对海底电缆的电磁暂态影响尤为明显。另外,海底高压电缆的护套层材料和主绝缘层材料也对电磁暂态有影响。     

新型混合高压直流输电技术在海上风电场并网中的应用

对由双馈风电机组组成的海上风电场采用混合高压直流输电技术并网时风电场内部的电压和频率控制进行了研究。混合高压直流输电系统由双桥十二脉波不控整流换流器(DBC)、模块化多电平换流器和高压直流输电线路组成。首先,通过深入的理论分析阐明当由双馈风电机组组成的海上风电场采用混合高压直流输电技术并网时,风电场内部的电压可以自动维持在一个合适的范围内并随双馈风电机组输出有功功率的变化而变化。在此基础上,设计了双馈风电机组转子侧换流器的控制器以实现对风电场内部交流系统频率的控制,同时实现了双馈风电机组输出有功功率的最大功率点跟踪。为防止岸上公共连接点发生三相接地短路故障时基于DBC的高压直流输电系统发生过电压,设计了故障时双馈风电机组的控制策略。最后,对建立的采用混合高压直流输电技术并网的海上风电场模型进行了数字仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提出控制策略的有效性。     

偏远地区风电场的并网谐振现象分析

针对风电场易发生的由并网谐振现象引起的LCL滤波器滤波电阻烧坏事故,提出基于元件灵敏度的模态分析法进行研究。偏远地区风电场的并网系统电网结构薄弱,且其送出线较长,输电线路对地分布电容造成的影响不容忽视。建立长线路分布参数模型,并对其等效输入阻抗幅频特性给予分析,基于此,采用模态分析法分析风电场并网系统各节点谐振参与因子以及元件灵敏度值。最后,依据风电场实际参数建模仿真,与实测数据对比验证了模态分析结果的正确性,通过元件灵敏度概念的引入揭示线路长度对偏远风电场并网谐振的影响规律,在风电场建设规划时应予以重视。