风电场中压集电网的中性接地点
摘要：对于给定的网络选择最佳中性接地点时，总是涉及到允许的短路电流水平，和非故障相在单相接地故障时可承受的故障的电压应力，两方面之间的权衡。有效的接地导致高故障电流，但随之而来的电压应力是有限的。高故障电流使故障检测与清除变得容易。对于传统的输配电网络，可用选项是确定的，公用事业也已经建立了一套接地的方法。但随着风力能源不断增长，有必要根据风电场的独特的特性选择最合适的中性接地点，起码为了风电场电网。以在具有代表性的144兆瓦的风电场进行EMT型模拟为根据，本文对在面对大型海上风电场中的相关业务要求时另一种接地战略的利弊进行了深入的讨论，主要是着眼于其可选性和电压限制两方面。本文将对各种可行的接地方式下，受影响线路跳闸后的过电压水平进行比较。另外，风机采用不同电压控制策略时对过电压的影响也将进行讨论和说明。
关键词：风力发电，双馈感应发电机，电网标准,故障穿越,电压支持,单相接地故障,过电压,风电场保护介绍
I.简介
对于给定的网络选择最佳中性接地点时，总是涉及到允许的短路电流水平，和非故障相在单相接地故障时可承受的故障的电压应力，两方面之间的权衡。有效的接地导致高故障电流，但随之而来的电压应力是有限的。高故障电流使故障检测与清除变得容易。对于传统的输配电网络，可用选项是确定的，公用事业也已经建立了一套接地的方法。但随着风力能源不断增长，有必要根据风电场的独特的特性选择最合适的中性接地点，起码为了风电场电网。
未来风能发电的主要增长来源于海上。千兆瓦级的风场已经处于规划或实施的不同阶段。风电场中的每个单元通过中压电缆连接到集电网,而后风场通常连接到通过150 kv输电网络再连接到400 kv的陆上电网。
如上所述,为选择最佳的接地，风电场电网必须考虑几个海上风力发电场的特殊之处[2]。这些特殊之处中，做重要的就是海上设备本身,海底电缆发生故障的修理或更换成本明显高于在岸上的同类任务,而且事实上任何发生在海底电缆故障都是不能自我修复的。另外,为了提高风力发电机操作的灵活性，风力发电机设置了快速反应和日益复杂的控制系统。因此,要求风力发电机在互连系统中提供电压支撑,帮助避免在紧急急情况因失去稳定性而可能造成的损失。为了让风力发电机在紧急情况下起到设定的支持功能,就必须确保风电场内部故障不会导致整个或者相当大的一部分风力涡轮机的跳闸。因此,接地方式的选择应该是满足工作要求,而不是在与之相反。
II风电场集电系统拓补结构和接地方式。
A:基于双馈感应的风力发电机
双馈感应电机是使用最广泛的现代风力涡轮机。双馈感应发电机由于转子电路的额定频率变换器使它具有了较高的灵活性和合适的价格。图1显示了共同双馈感应风力发电机系统的结构。风力发电机的主要组成部分有:
bull;转子叶片
bull;变速箱(GB)
bull;滑环式的异步发电机(SRIG)
bull;发电机侧整流器(MSC)
bull;线路侧整流器(LSC)
bull;机箱变压器(Tr)
bull;过滤器(Filt)减少开关谐波
bull;整流器保护中的转子快速短路保护和斩波器
双馈感应电机系统的主要组成部分是：带有三相定子和转子绕组及连续PWM变换器的滑环异步发电机(SRIG)。整流器采用具备自换向能力的 IGBT开关，并且能够在所有四个象限操作。它连接着发电机转子电路和电网。发电机侧整流器在滑差频率下工作，并且控制发电机定子终端输出的有功功率和无功功率。线路侧整流器维持直流电压并将转子功率提供电网[3]。通过整流器的功率方向取决于发电机的工作点。在次同步模式下,功率从电网流进转子电路,而在超同步模式下功率方向相反。由于整流器允许解耦控制有功功率和无功功率,线路侧整流器还可以在电网稳定或故障状态下通过改变无功电流方向来提供电压支持。定子和线路侧整流器之间无功功率的分配还可以实现损失最小化和优化终端负荷。通常,在稳定状态下，线路侧整流器只提供了很少的无功电流。但是,在电网故障时，线路侧整流器的电流容量能被充分利用去支持电网,因为线路侧整流器的反应速度比发电机侧整流器快。
图1 双馈感应电机的主要系统组成部分和换流器控制的测量量
因为不同电网标准规定的差异，双馈感应风力发电机在电网故障期间的表现各不相同。例如，在德国的电网标准中，电网故障时电压支持是必须的。而在美国等其他国家没有这样的要求,而且风机只有在没有特别的电网支持下穿越故障。这种差异中在内部的风机故障时起重要作用，下面的仿真中将展示出其作用。
另一个重要的问题是变频器的保护。根据德国FRT的最新要求，斩波器需要被设计成，在所有发电机外部故障下，能够避免消弧电路起火，并保持发电机侧整流器保持完全可控。另一个风机的重要特性，是对整流器器的过电压保护。在这次仿真的模型中，将上跳闸电压水平设置为130%,这符合大多数国际电网标准。既然风机的断路器能在100 ms断开风力发电机,一旦检测到过电压，变频器必须立即闭锁。随着IGBT闭锁，定子保持连接直到断路器断开。与此同时,风机将吸收无功功率,从而导致降低电压。
一些制造商已经实现保护功能够区分的风力发电场的整体和其部分。然而,从电网可靠检测和分离可能需要几百毫秒,这对风机的过电压保护而言太长了。
B接地的类型及其在故障时的作用
本研究的目的是调查当发生单相接地故障时，中压集电系统的的中性点接地会对整个系统的表现有多大的影响。在给出仿真结果并进行讨论之前,对可用的变压器中性点接地的选择及系统安全操作的影响做简要综述[5]。
1）有效接地
单相接地故障时，故障电流水平是变压器零序阻抗的函数(包括接地阻抗,如果中性点可访问)。零序阻抗也可以被变压器中性点是否接地而影响。从电网的角度来看，这个选择是最好的,但目前没有任何的风机制造商生产出提供了这种可能性的成品。故障电流可以通过选择适当的接地变压器来限制。如果得到的总零序阻抗，导致的非故障相电压被限制到小于等于1.4倍的标幺值，则认为网络是有效接地的。有效接地为快速检测故障(150毫秒内)和选择性地清除故障提供帮助。考虑到故障清除时间短,在故障点的热应力仍然是可以接受的,而且只会经历一个小幅过电压。有效接地的另一个优点在于它对隔离等级要求低。
2)中性点隔离
在这种情况下，单相接地故障的故障电流可能因为太小而检测不到，从而导致故障不能快速清除。故障期间，过电压达到约1.73倍额定值时，过高的电压应力将威胁整个网络的安全。瞬态电压应力也会相对较高。由于上述原因，33KV风电场集电网不建议进行。一个明显中性点隔离。但事实上，33KV电网不需要接地变压器。
3)补偿线圈（谐振接地）
C.风电场的拓补结构--当前的实践
图2所示的是一个典型风电场拓扑结构,它可以作为一个例子。其中海上风电场由24台 6 mw的双馈感应风力发电机组成，并分为两组。每组在33KV电压水平下连接到三绕组变压器。变压器采用Ynd5d5的连接方式并以150KV输电电压与风电场连接。两个中压绕组间采用很高的短路阻抗来最小化风场变压器的一部分故障时对另一部分的影响。
图2 典型海上风电场结构
自风场变压器(连接中压到高压)采用Ynd5d5的连接方式,在33KV电压水平下不接地。此外,标准的风机变压器(连接发电机到33KV电网)采用Dyn5或Dyn5yn5的连接方式,在33KV电压水平下也不接地。考虑上述标准设备强加的限制,唯一可能的接地选择，是在风场变压器网络中可以提供额外接地的变压器。这些通常连接到中压收集器总线，并位于主要变电站平台上。这些接地变压器在单相接地故障时，使得保护系统拥有故障检测能力，并限制正常相的最大电压。作者认为一般来说,为风机变压器的Ynd连接方式应该有一些适当的改变。
III仿真结果
通过MATLAB / Simulink和SimPowerSystems工具箱这两个软件得出的仿真结果，已经显示在这里了。时域模拟基于瞬时值执行。用于此次研究的风机模型，是与风力发电机制造商合作,能代表一个非常详细的发电机和控制结构。在变压器模型中考虑到了铁芯耦合对电压的影响。按照德国电网标准，在一些场景中提供有功电压控制[6]。这只作用于正序电压控制。
图3 EMT仿真中，集电总线带有接地变压器的风电场等效模型。
为了减少仿真时间，将风电场拓扑结构简化,即进行适当的等价,如图3所示。对不同场景下，不同的接地方式和风力发电机电压控制方式进行仿真。前两个场景都是基于图3所示的风电场拓扑结构。模拟单相接地故障发生在连接测量点M1和M2的电路分支中心。
在第一个场景中风机没有电压控制能力。测量点M1和M2产生的电压和电流可以在图5中看到。
此外,电压和电流的对称部分也显示出来了。在故障状态下，正常相电压增加到约42 kV级,是对应接地故障的1.55倍。在受影响的阶段，M1点故障电流的方均根值大约1.6 kA,符合技术限制标准。由于接地变压器是位于收集器总线上,在M2点没有明显的故障电流。随着受影响的支路在t = 0.2 s时跳闸,这个支路的风机借助一个孤立的操作（在没有接地和带相当大负载下）,即风机继续提供有功功率。因为没有电压控制,我们可以观察到电压持续升高。大约50毫秒后，正常相电压达到额定电压的260%,即MV侧线电压超过风机的跳闸电压130%。因此，变频器会立即闭锁，风机断路器在100 ~200ms延时后断开。变频器隔离后，故障分支的电压降低到较低的水平。
在第二个场景中，风机能通过电压控制有功功率。然而在故障期间的表现却与前一种情况相似。而随着受影响线路的跳闸,电压控制会导致完全不同的结果(图6)。大约80毫秒后正常相电压达到最大值的220%左右，然后再次减少至200%。这意味着中压侧线电压减少到130%，这是在跳闸水平以下的。
图4 EMT仿真中，包括各支路末端接地变压器的风电场等效模型。
如图4所示，接下来的两个场景都是在接地基础上的。接地变压器被放置在线路的末端，而不是收集器总线上。除了使用额外的接地变压器、风机变压器的中性点可以再用低电阻接地。如前所述,当前风机变压器的接法没有这个选项。然而,按作者的观点，在中压侧采用Y型接法的Yd接法不会造成很大麻烦。
在这种拓扑结构的第一个场景中，仍未对电机采用电压控制。仿真结果如图7所示。在单相接地故障时，正常相电压被限制在大约40 kV，是对应接地故障的1.45倍。因为较低的接低阻抗，每个中压网络部分中有两台接地变压器。总故障电流变得更高。然而,故障电流分布到两条路径上。这导致在M1点故障相的最大均方根电流达到2.3 ka。在M2点故障相的最大均方根电流达到0.8ka。随着分支的跳闸,电压甚至最初下降,然后增长到42 kV,并稳定在这个级别。
接下来的场景是基于相同的拓扑(图4),但风机采用有功电压控制。结果如图8所示。在单相接地故障下，唯一不同的是,有功的电压控制器支持正序电压,这与最后一个场景相比略高。线路跳闸后，正常相电压迅速达到设定的42 kv。总的来说,这种场景下没有电压控制的差异非常小。换句话说,当故障支路接地时，在发生单相接地故障造成受影响线路跳闸后，电压控制的影响是可以忽略的。
IV结论
本文结合实践性环节，探讨了风电场中压集电网可能的中性接地选择方案。模拟的结果表明，在集电网母线处，只有一个接地变压器能够提供可靠的故障检测和跳闸，该跳闸是针对风电场内部的整个受单相接地故障影响的分支。然而，在跳闸之后，故障部位仍然是一个孤立电网，而且风机仍然试图继续向其供给有功功率。在没有风机电压控制的情况下，导致电压的迅速增加而且最终导致风机变频器的闭锁以及断开与风机的连接。在本案例中，线对地电压的最大值大约是260%。在有电压控制的情况下，电压可以维持在略低于线-对-线电压中的130%的跳闸电压的水平，例如，风机不会立即断开，但是线对地电压将会在非故障相的前提下增加到高达200%。在分支的末端安装接地变压器，分支处在故障跳闸之后产生的过压可以被限制在一个适度的高值范围内，大约是标称电压的155%。这对于电缆绝缘的影响并不大。在这些情况下电压控制的影响非常低。
作为本研究的主要结论，笔者强烈的建议为风电场集电网提供中性点接地，即使在发送故障之后，支线是断开的，而且包括风力涡轮机在内的中压线仍旧未与电网连接。在单相接地故障发生之后电缆上产生的高压应力可能会导致间接损害以及因此而产生的高成本，尤其是在海上。一种备选方案是利用排成直线的风机中的最后一个风机上所连接的接地变压器。然而，在笔者看来，使用中压侧的带有星形连接的风机变压器也许更加妥当（类似于常规电站中的发电机变压器的连接方式），这种方案将会实现中性接地而不会产生额外的成本。除此之外，中性接地还能适应运行中的风机的数目和地点。最后，应该指出，本文中所讨论的所有的策略都只能提供有限的保护选择性，因为在发生一次故障之后，整个分支都必须跳闸。一种更好但是更昂贵的保护措施可能是为每一个线段配备差动继电器。然后，风机可以连入闭合的支线回路当中，而且发生故障时，只有受影响的线路才会断开，而所有其他的风机可以照常工作。总之，这可以解决跳闸之后的过压问题，而且可以规避分支当中的接地变压器的安置问题。
图5 风机没有电压控制时，当集电总线装设 图6 风机采用有功电压控制时，当集电总
避雷器的情况下，发生单相接地故障时的仿 线装设避雷器的情况下，发生单相接地故
真结果。 障时的仿真结果。
图七 风机没有电压控制时，在各分支末端
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