基于沿海风电场应CAT蓄电池急电源系统的研究

摘  要： 沿海风电场台风多，对风力发电机组的破坏性，特别是对于台风来临电网失电时特别严重。针对这一种情况，在风电场设计时会考虑配备一套完善的风电场应急电源系统，用于电网失电时临时给风力发电机组供电，减少由于风机失控导致的损失。

关键词：风力发电机组、应急电源系统、损失

0. 前言

风电场应急电源系统能解决风力发电机组由于系统失电带来的风机失控的影响，但是在设计初期未考虑集电线路及风机无功等相关问题，在实际应用中未成功实现其功能。陆丰风电场在经历台风后损失后积极推进应急电源改造，成功将应急电源系统完善并应用到实际过程中。风电场应急电源系统是沿海风电场可以都可以借鉴的一种供电模式，为风力发电机组的安全又多了一层保障。

1. 系统

应急电源系统包含柴油发电机组、升压变压器、35kV母线、集电线路及柴油发电机组。当110kV系统失电时，通过倒闸操作将柴油发电机组电源切换到站用变、35kV母线直接给风力发电机组供电。

2. 问题描述与分析

系统在进行调试时，柴油发电机组通过站用变对35kV母线进行充电，电压波形存在一定的高次谐波，带上集电线路后会出现较大的谐波分量，波形畸变严重。

发电机带集电线路后电压严重畸变的波形

以某一条集电线路为例，在集电线路投入前，35kV母线电压5次畸变率为1.6%，3次畸变率为0.5%，投入这条集电路瞬间，35kV母线电压波形严重畸变，含有大量低次谐波，尤其以2、3、4、5次谐波为主，其中2次谐波含量最大，接近基波电压的16%。通过分析，发现由于风机升压变一次投入过多导致激磁电流相对过大。进一步分析发现应急电源系统阻抗以及风机集电电缆充电电容参数之间发生了谐振并放大，严重影响了应急电源系统的正常运行。

3. 解决方案提出

1、系统回路中加装一定数值的串抗及并抗，以及加装必要的激磁电流衰减电阻，使变压器激磁涌流产生的谐波电流尽可能的快速衰减。

2、通过串并联电抗器改变系统总阻抗，从而改变谐振点。

3、设计合理的线路投入顺序，使得投入过程中和线路全部投入后的各种组合工况下都最大程度的避免谐波谐振和放大。

4、加装并联电抗器，补偿6条集电线路容性无功功率，使风机能及时偏航对风，防止设备损坏。

4. 串抗、并抗及阻尼电阻其参数选择

      经过初步计算，集电电缆线路的充电电容同系统阻抗在某一次谐波频率下呈现低阻抗特性。因此，考虑在柴油发电机升压变压器后串联电抗器，增加系统阻抗，改变谐振点。

      由于集电电缆线路的存在，为保证在逐个投入集电线路过程中和线路全部投运后，系统无功基本平衡，且电压维持在一个合理的水平上，考虑35kV母线上的并联电抗器，根据投入不同的集电线路，投入不同组数的并抗，以平衡系统电压和无功。

      同时，为了加速变压器空充电时引起的激磁涌流，考虑增加阻尼电阻。并且为了减少阻尼电阻发热，将该阻尼电阻同串联电抗器并联，且电抗器阻抗同电阻值1：2，既可以保证基波下电阻发热，又可以保证加速谐波频率下对激磁涌流中谐波电流的衰减。

基于以上几个方面的分析，初步确定串抗、并抗及串联阻尼电阻参数如下：

1、串联电抗器：     阻抗：40Ω,电感值：0.127H

2、串联阻尼电阻参数：       台数：1台/相，阻值：80Ω

3、并抗参数（直挂方案）        组数：2组，额定电压：38.5kV，单组容量：1.5MVar，单台电感值：3.145H

5. 仿真分析

      利用PSCAD软件，建立仿真模型，模型中包含柴油发电机及升压变、35kV母线及集电线路，每一条集电线路上所有升压变压器等模拟元件。

      在仿真模型中模拟实验过程，模拟柴油发电机直接带集电线路，得出的波形图与实际一致。在采取措施后，相对于没有采取措施前可以看出：

1、串联电抗器可以减小激磁涌流的峰值

2、没有加入阻尼电阻器，集电线路电流波形衰减很慢，直到空充后2S左右，才恢复基本正弦波形

3、由于加入了并联电抗器及串联电抗器，改变了系统谐振点，当激磁涌流中谐波分量衰减后，系统不会将谐波放大，波形快速恢复正常。

为保证在逐个投入集电线路过程中和线路全部投运后，系统无功基本平衡，系统电压始终维持在合理水平，且不发生谐振和严重的谐波放大，建议采用如下投运顺序

1、投入串联电抗器和阻尼电阻器

2、投入一台变压器及并联电抗器

3、投入#5集电线路

4、投入另一组变压器及并联电抗器

5、投入#6集电线路

6、投入#4集电线路

7、投入其余集电线路

投入集电线路后，35kV母线回路总电流波形优化明显

6. 总结

    以上对陆丰风电场应急电源系统运行中产生的谐波问题进行了深入的研究分析，进行了仿真计算，提出了解决措施，经过仿真验证，所采取的措施可以很大程度的加快谐波衰减，避免谐波谐振和放大。项目的主要成果是台风期间为风机提供了可靠的后备电源，使风机能及时偏航对风，防止设备损坏事故的发生。经济效益是避免风机叶片在台风中损坏，减少设备损失。社会效益是避免重大设备及人身事故给公司在社会上造成不良影响。同时基于以上对风电场应急电源的研究及总结，形成了比较有实际意义的指导性经验，可以在沿海风电场进行推广。