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user: 4. 送出系统工频过电压仿真计算 本文结合某实际500 kV海上风电场分析送出系统工频过电压的特征。仿真系统接线如图8所示，风电场容量分别为1000 MW、1600 MW、2000 MW。其中，风机出口电压为0.69 kV，每台风机配套一组箱式变压器，箱式变压器将风机出口电压升高至35 kV，采用4~5台风电机为一个联合单元的接线方式，再通过35 kV集电系统接入220 kV海上升压站。220 kV海上升压站分别据容量不同，采用4/6/8台300 MVA的变压器，并用“2进2出”内桥型方式接线。每台变压器分别升压至220 kV后通过集电线路接入500 kV海上升压站，500 kV海上升压站分别据容量不同，采用1台1000 MVA变压器/2台820 MVA变压器/2台1000 MVA变压器，将电压升至500 kV，并通过1回或2回长度为70 km的500 kV三芯海底电缆接入500 kV母线。其中海底电缆的参数如下表1，仿真主要参数如下表2。 图8. 仿真系统电气主接线图 本文过电压仿真采用国际通用先进的图形化的电磁暂态计算程序ATP-EMTP进行计算分析，首先在simulink中对风电机组的电磁暂态过程外特性进行等值，且对电缆及海上风电场送出系统进行了准确的建模，以上工作可以极大程度地保证仿真计算结果的准确性。本文根据工程实际，设计了1000 MW、1600 MW、2000 MW三种容量情况下，海上风电场及其送出系统的五种不同工况运行时，海缆的容升效应、单相接地故障、无故障突然甩负荷、单相接地故障突然 甩负荷和两相接地故障甩负荷时的工频过电压，并结合理论分析对其进行比较，以系统地归纳海上风电送出系统工频过电压的影响因素及其规律。 Table 1 Parameters of submarine cabl 1600 mm 2 海缆参数 项目 数值 海床参考载流量/A 1203 滩涂参考载流量/A 1117 20℃导体最大直流电阻/Ω/km 0.0113 90℃导体最大交流电阻/Ω/km 0.0188 参考传输容量/MVA 967 电容/uF/km 0.162 电缆近似外径/mm 172.4 敷设时最小弯曲半径/mm 3448 表1. 海底电缆参数 Table 2 The main parameters of the simulatio 风电机组容量(MW) 1000/1600/2000 风电机组额定风速(m/s) 10.1 海缆长度(km) 70 (双回) 对端系统阻抗(Ω) Z 0 = 1.46652 + j9.19116 Ω， Z 1 = 0.63888 + j4.81096 Ω 500 kV升压站 主变参数 额定容量SN (MVA) 820/1000 额定电压UN (kV) 550 阻抗电压Uk (%) 14 短路损耗Pk (kW) 813.58 220 kV升压站 主变参数 额定容量SN (MVA) 300 额定电压UN (kV) 230 阻抗电压Uk (%) 14 短路损耗Pk (kW) 385 表2. 仿真主要参数 4.1. 海上风电场容量的影响 在正常工况下，即初期两回70 km海缆及风电场内所有风力发电机均投入运行时，1000 MW、1600 MW、2000 MW三种装机容量系统产生工频过电压的幅值情况如下表3。 由表3可知，随着风电场装机容量的增大，五种故障情况下线路上工频电压的最大幅值都有一定程度的减小，其中以甩负荷情况下的幅值变化最为明显，无故障甩负荷下降了0.18~0.42 p.u.，两相接地故障甩负荷下降了0.25~0.28 p.u.，两相接地故障甩负荷下降了0.37~0.58 p.u.。由前式(2) (4) (5) (6) (10)的推导可知，工频过电压与海上风电场的容量有关，这是由于风电场容量越小，等效于电源的漏抗越大，线路电容电流流过电源漏抗时会使电压升高，使线路首端电压高于电源的电势，电源漏抗相当于使线路的变长。同时，由于甩负荷及线路电压的升高，风电场的电流增大，使工频过电压进一步增大。 Table 3 Maximum power frequency overvoltage of each fault under normal operating conditions/p.u 工频过电压 2000 MW装机方案 1600 MW装机方案 1000 MW装机方案 容升效应 1.0466 1.1733 1.2019 单相接地故障 1.338 1.3497 1.3581 无故障甩负荷 1.6797 2.0995 2.2793 单相接地故障甩负荷 1.7158 1.9989 2.2497 两相接地故障甩负荷 1.9297 2.2904 2.8831 表3. 正常工况下各故障工频过电压最大值/p.u. 4.2. 海上风电场运行方式的影响 仿真考虑了海上风电场及其送出系统装机容量为2000 MW时的五种不同工况，包括： 1) 正常运行工况：初期两回70 km海缆及风电场内所有风力发电机均投入运行； 2) 故障工况1：一回70 km海缆退出运行，风电场内所有风力发电机均投入运行： 3) 故障工况2：两回70 km海缆均正常运行，220 kV升压站内一半变压器停运； 4) 故障工况3：一回70 km海缆退出运行，且220 kV升压站内一半变压器停运； 5) 风电场投运初期情况：在风电场投运初期情况下，500 kV升压站内只有一台主变运行，220 kV升压站内只有两台主变运行，且海上风电场仅有一个400 MW风场运行。 其仿真结果如下表4。 Table 4 The maximum power frequency overvoltage/p.u of each fault under five different working conditions when the system installed capacity is 2000 M 工频过电压 正常工况 工况1 工况2 工况3 风电场投运初期 容升效应 1.0466 1.0130 1.2076 1.2081 1.2085 单相接地故障 1.338 1.3236 1.3511 1.3421 1.3607 无故障甩负荷 1.6797 1.7319 2.2810 1.4020 1.4020 单相接地故障甩负荷 1.7158 1.7887 2.4971 1.4166 1.4056 两相接地故障甩负荷 1.9297 1.8302 2.6931 1.4316 1.4120 表4. 系统装机容量为2000 MW时的五种不同工况下各故障工频过电压最大值/p.u. 由表4可知，随着运行的风电机组数量减少，各故障情况下最大工频电压的幅值都有一定程度的升高，其幅值升高的范围大多在0.12 p.u.以内，但当运行的电缆回数减少时，不仅需要考虑海底电缆的容量限值问题，其过电压幅值也会较大幅增加，例如工况二相较于其他工况下各故障工频过电压，其幅值有大幅度的增加，高达0.55~0.86 p.u.。由前式(2) (4) (5) (6) (10)的推导可知，工频过电压与海上风电场的运行工况有关，与风电场容量影响原理相似，这是由于风电场投运风机数越少，等效于电源的漏抗越大，线路电容电流流过电源漏抗时会使电压升高，使线路首端电压高于电源的电势，电源漏抗相当于使线路的变长。 4.3. 不对称短路故障发生时位置的影响 如前文所述，海上风电场的送出系统输电线路发生频率最高的故障形式是不对称短路故障，而在不对称短路故障中，以单相接地故障最为常见，且其引起的工频电压升高也最为严重。因此，本文以装机容量分别为1000 MW、1600 MW、2000 MW的系统正常工况下发生单相接地短路为例，其故障及测量节点位置如下图9，其过电压情况如下表5~7。 图9. 电气主接线示意简图 Table 5 Single-phase ground fault overvoltage amplitude/p.u. when installed capacity is 2000 MW/p.u 单相接地故障 故障点 测量点 节点1 节点3 节点4 节点5 节点7 节点1 1.1484 1.1172 1.0975 1.0069 1.0011 节点2 1.1579 1.1339 1.1132 1.0134 1.0164 节点3 1.1561 1.1341 1.1152 1.0285 1.0160 节点4 1.1611 1.1360 1.1175 1.0338 1.0201 节点5 1.1548 1.1388 1.338 1.1708 1.0343 节点6 1.1505 1.1293 1.1239 1.1844 1.0312 节点7 1.1498 1.1294 1.1239 1.1847 1.0358 表5. 装机容量2000 MW时单相接地故障过电压幅值/p.u. Table 6 Single-phase ground fault overvoltage amplitude/p.u. when installed capacity is 1600 MW/p.u 单相接地故障 故障点 测量点 节点1 节点3 节点4 节点5 节点7 节点1 1.1514 1.1184 1.1075 1.0129 1.0091 节点2 1.1593 1.1347 1.1158 1.0254 1.0273 节点3 1.1611 1.1352 1.1179 1.0485 1.0274 节点4 1.1678 1.1371 1.1197 1.0690 1.0351 节点5 1.1579 1.1422 1.3897 1.1912 1.0394 节点6 1.1520 1.1303 1.1285 1.1994 1.0372 节点7 1.1513 1.1304 1.1282 1.1989 1.0363 表6. 装机容量1600 MW时单相接地故障过电压幅值/p.u. Table 7 Single-phase ground fault overvoltage amplitude/p.u. when installed capacity is 1000 MW/p.u 单相接地故障 故障点 测量点 节点1 节点3 节点4 节点5 节点7 节点1 1.1537 1.1203 1.1129 1.0229 1.0107 节点2 1.1653 1.1387 1.1218 1.0371 1.0361 节点3 1.1771 1.1422 1.1240 1.0586 1.0478 节点4 1.1848 1.1471 1.1257 1.0718 1.0556 节点5 1.1779 1.1530 1.3925 1.2118 1.0692 节点6 1.1620 1.1403 1.1238 1.1986 1.0411 节点7 1.1617 1.1404 1.1234 1.1983 1.0408 表7. 装机容量1000 MW时单相接地故障过电压幅值/p.u. 由表5~7中数据可以得到，在节点4处即电缆所连500 kV/220 kV变压器高压侧发生单相接地故障时，节点5即220 kV/35 kV处过电压最大。这是由于海上风电场及其送出系统与陆上电网组成了一个双端电源的结构，当其中部发生不对称故障时，产生的工频过电压幅值最大。