程 彧，周歧斌，邊曉燕

（1.上海電力學院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615）

海上風電場集電系統(tǒng)拓撲結構對重燃過電壓影響

程 彧1，周歧斌2，邊曉燕1

（1.上海電力學院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615）

海上風電場內(nèi)部真空斷路器開斷時易發(fā)生重燃，產(chǎn)生重燃過電壓危害其安全運行。海上風電場集電線路拓撲結構會影響斷路器重燃過電壓。比較幾種常見拓撲結構優(yōu)缺點,分析斷路器重燃機理，利用ATP-EMTP搭建海上風電場系統(tǒng)模型，討論拓撲結構對重燃過電壓的影響。結果表明斷路器發(fā)生重燃的線路末端產(chǎn)生過電壓最大；對于不同拓撲結構的系統(tǒng)參數(shù)，星形拓撲結構產(chǎn)生的過電壓更小。研究結果可從過電壓防護角度為海上風電場集電系統(tǒng)設計提供參考。

海上風電場；拓撲結構；真空斷路器；重燃過電壓；ATP-EMTP

0 引言

隨著清潔能源需求不斷增加，風能日益受到重視。相比于陸上風電場，海上風電場單機容量大，風速高且穩(wěn)定，不占用土地資源，對環(huán)境影響較小[1-3]。與此同時，海上風電場的安全運行也不容忽視。風電場內(nèi)部真空斷路器分閘后易發(fā)生重燃，產(chǎn)生重燃過電壓，會危害風電場內(nèi)電氣設備的安全。

國內(nèi)外學者對海上風電場過電壓問題已展開相關研究。文獻[4-5]通過仿真詳細分析在不同運行條件下，斷路器合閘過電壓對海上風電場的影響。文獻[6-7]計算了風電場集電系統(tǒng)不同運行條件下操作過電壓大小。文獻[8-10]表明斷路器重燃產(chǎn)生的過電壓是風電場操作過電壓的主要來源。海上風電場正常運行時內(nèi)部電壓等級比普通電廠高，斷路器重燃使風電場遭受到的過電壓比普通電廠嚴重，內(nèi)部電氣設備面臨更大的過電壓危害[11-12]。風電場集電系統(tǒng)設計結構會影響重燃過電壓大小[13-14]。然而針對海上風電場集電系統(tǒng)拓撲結構與斷路器重燃過電壓關系的研究還比較少。

筆者從幅值與陡度兩方面分析斷路器重燃產(chǎn)生的過電壓。通過搭建海上風電場系統(tǒng)模型，對比不同情況下重燃過電壓大小，分析風電場集電系統(tǒng)拓撲結構對重燃過電壓的影響。

1 海上風電場集電系統(tǒng)常用拓撲結構

海上風電場單臺風機與升壓變相連，通過集電系統(tǒng)將電能匯聚至海上換流站，經(jīng)海底電纜送至岸上換流站。因此海上風電場電氣系統(tǒng)包含集電系統(tǒng)、海上換流站、輸電線路及岸上換流站四部分[15-17]。筆者將重點研究集電系統(tǒng)拓撲結構對風電場操作過電壓的影響。

海上風電場的規(guī)模、離岸距離等因素會引起集電系統(tǒng)拓撲結構的變化。常見海上風電場集電系統(tǒng)拓撲結構有：鏈型、單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形、復合環(huán)形及星形[18-20]。

1.1 鏈型結構

鏈型結構首先將一定數(shù)量的風機串接在一條電纜上，再將這些串有風機的電纜并聯(lián)接至匯流母線，如圖1所示。由于該方式結構簡單，成本較低，目前大多數(shù)在建或正在運行的海上風電場集電系統(tǒng)均采用這種接線。但如果某一條電纜線路發(fā)生故障，整條電纜線路上的風機都將被切除，因此該接線方式可靠性不高。

圖1 集電線路鏈型拓撲結構Fig.1 The radial topology of the collection network

1.2 環(huán)形結構

環(huán)形結構在鏈型結構的基礎上，將兩條電纜尾部相連，與匯流母線共同構成環(huán)形回路。兩條電纜互為冗余，提高供電的可靠性，減小電纜故障時風機出力損失。主要有單邊環(huán)形，雙邊環(huán)形兩種接線方式。本文以雙邊環(huán)形結構為例進行仿真，其拓撲結構如圖2所示。此接線方式較鏈型結構使用的電纜長度較長，電器元件較多，成本也相對較高。

1.3 星形結構

星形結構將幾臺風機集中接于電纜末端，如圖3所示。由于每臺風機只與電纜末端一點連接，因此該結構可靠性高于鏈型結構，但低于環(huán)形結構。

圖2 雙邊環(huán)形結構Fig.2 The double ring topology

圖3 星形結構Fig.3 The star topology

2 真空斷路器重燃機理及對過電壓的影響

2.1 真空斷路器重燃機理

真空斷路器分閘時，觸頭間可能會發(fā)生電弧重燃，機理如圖4所示。當加在斷路器兩端的電壓u超過斷路器兩端能承受的電壓uz（t）時，斷路器氣隙會被擊穿，發(fā)生重燃。

圖4 斷路器開斷重燃原理圖Fig.4 The principle diagram of the circuit breaker tripping reignition

設斷路器在A點斷開，系統(tǒng)發(fā)生RLC振蕩，斷路器兩端的電壓差不斷升高。在B點，斷路器兩端電壓超過其所能承受的電壓，斷路器發(fā)生重燃。隨著電弧燃燒釋放能量，斷路器中流過的電流慢慢減小，當流過斷路器電流i幅值過零且電流陡度小于閾值時，斷路器再次開斷，電弧熄滅。如圖4中C點。D點時，斷路器兩端電壓再次達到重燃條件，則斷路器再次被擊穿，發(fā)生重燃[21]。

2.2 真空斷路器重燃對過電壓的影響

斷路器開斷后，系統(tǒng)發(fā)生RLC振蕩是產(chǎn)生過電壓的主要原因。過電壓的幅值為兩部分之和，一是斷路器開斷時刻的系統(tǒng)電壓，二是振蕩電路產(chǎn)生的過電壓。開斷時刻的系統(tǒng)電壓取決于開斷時刻的電源角度，當電源角度為90°時，開斷時系統(tǒng)電壓最大。振蕩電路產(chǎn)生的過電壓不僅與系統(tǒng)參數(shù)相關，還與斷路器的截流值有關。斷路器開斷時，電弧電流在自然過零前將會突然截斷降至零，截斷時刻的電流稱為截流。截流值越大，則說明系統(tǒng)中的感性元件儲存的能量越大，產(chǎn)生的過電壓幅值也越大。斷路器截流值的大小與真空斷路器觸頭材料及整個系統(tǒng)參數(shù)有關。

斷路器發(fā)生重燃時，其兩端的電壓差瞬間降至0，將在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的電壓陡度，這對于海上風電場系統(tǒng)中電氣設備的安全性和可靠性是一個嚴峻考驗。由于斷路器兩端可承受的電壓uz（t）隨著時間的變化不斷升高，因此發(fā)生重燃的次數(shù)越多，重燃時產(chǎn)生的電壓陡度越大。

3 海上風電場重燃過電壓仿真分析

不同拓撲結構海上風電場模型如圖1至圖3所示，風機微觀選址已確定，該系統(tǒng)包含24臺風機、升壓變壓器、海底電纜、真空斷路器、35 kV母線等。由于海底電纜的容性效應，在海底電纜末端會有一定電壓抬升，因此可能出現(xiàn)較大過電壓。斷路器發(fā)生重燃的線路稱為重燃線路，計算重燃線路L1末端（A點）與非重燃線路末端（B點）電壓幅值與陡度大小。由于環(huán)形結構兩條相鄰電纜構成回路，需要考慮整個回路遭受過電壓情況，增選圖2中C點作為電壓測量點。

3.1 不同拓撲結構下重燃過電壓分析

斷路器重燃時，過電壓波形如圖5所示，由于系統(tǒng)發(fā)生LC震蕩，過電壓幅值與陡度均較正常情況明顯增大。

圖5 斷路器重燃時過電壓情況Fig.5 The restrike overvoltage of circuit breaker

集電線路拓撲結構不同，所用海底電纜長度不一。設其他條件相同，當線路L1發(fā)生重燃時，過電壓的最大幅值與陡度在不同拓撲結構下對風電場產(chǎn)生的影響如下表所示。

表1 過電壓幅值與拓撲結構的關系Table 1 The relationship between the amplitude of overvoltage and the topology

表2 過電壓陡度與拓撲結構的關系Table 2 The relationship between the steepness of overvoltage and the topology

由以上兩表可知，當斷路器重燃時，對于整個風電場而言，無論是重燃線路還是非重燃線路，星形結構的過電壓幅值與陡度都較其他兩種結構偏低。雙邊環(huán)形結構將兩條電纜接成回路，因此當一條電纜線路上的斷路器發(fā)生重燃時，另一條線路也會明顯受到過電壓影響。

集電系統(tǒng)采用相同拓撲結構，A點過電壓幅值與陡度均最大，對于整個風電場而言，重燃線路末端受過電壓影響最嚴重。因此，下文討論重燃過電壓影響因素時，選取A點作為電壓測量點。

3.2 電源角度與重燃過電壓幅值的關系

斷路器重燃在系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓的大小與電源初始角度有關。不同拓撲結構，A點過電壓幅值與電源初始角度的關系如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，3種拓撲結構下過電壓幅值與電源角度均近似呈正弦關系，其中，鏈型結構與星形結構在電源角度為90°時過電壓達到最大值。雙邊環(huán)形在電源角度為120°時過電壓有最大值。星形結構的最大過電壓幅值為48.28 kV，較其他兩種稍小。

圖6 電源角度與過電壓幅值的關系Fig.6 The relationship between the power angle and the amplitude of overvoltage

此外，鏈型結構在不同的電源角度下，過電壓最小值為50.00 kV，最大值為63.43 kV，最大過電壓與最小過電壓之比為1.27，其他兩種結構這個值與鏈型結構近似相等，這表明集電線路結構不會對電源角度引起的過電壓波動產(chǎn)生影響。

3.3 海底電纜對重燃過電壓的影響

海底電纜容抗大于感抗，表現(xiàn)出容性特征，因此過電壓幅值經(jīng)過電纜后會有抬升，與電纜長度成正比，升壓變高壓側遭受過電壓較大。經(jīng)過微觀選址的海上風電場系統(tǒng)電纜長度基本確定。然而不同型號的海底電纜單位長度的電阻R與電容C不盡相同，過電壓經(jīng)過電阻R有一定下降，而經(jīng)過電容C會有一定抬升。為了研究電纜的單位長度參數(shù)對過電壓的影響，選取單位長度海底電纜電阻與電容之比R/C作為衡量參數(shù)。選取某一型號海底電纜R/C=0.42 Ω/μF作為基準值，不同型號電纜產(chǎn)生的過電壓情況如表3所示。

表3 海底電纜單位長度電阻電容之比與過電壓幅值關系Table 3 The relationship between the amplitude of overvoltage and the ratio of resistance and capacitance per length of the submarine cable

鏈型結構中，過電壓幅值與R/C呈正相關，過電壓幅值隨R/C增大而增大。環(huán)形結構過電壓較鏈型結構相比會有一定波動，但總體呈正相關趨勢。星形結構下，R/C不同所引起的過電壓幅值變化不大。過電壓幅值方面，星形結構的過電壓幅值仍然較其他兩種結構明顯偏小。同種拓撲結構，R/C值較小，過電壓也較小。因此，實際設計在滿足容量需求情況下，可選取R/C較小的電纜。

4 結論

真空斷路器重燃是海上風電場主要的操作過電壓來源。斷路器發(fā)生重燃時，集電線路采用不同的拓撲結構會對風電場過電壓的幅值與陡度產(chǎn)生影響。筆者對比了幾種常見的海上風電場集電線路拓撲結構的優(yōu)缺點，介紹了真空斷路器重燃機理，在此基礎上搭建包含多臺風機的海上風電場系統(tǒng)，分析不同拓撲結構下，斷路器重燃過電壓對風電場的影響。得出如下結論：

1）斷路器發(fā)生重燃時，在重燃線路上會出現(xiàn)較大的過電壓，且在海底電纜末端會有電壓抬升，海底電纜末端最嚴重；斷路器重燃對非重燃線路影響較小。上述結論對鏈型，雙邊環(huán)形，星形拓撲結構均成立。

2）鏈型結構遭受的重燃過電壓最嚴重，雙邊環(huán)形結構較鏈型結構稍小，星形結構遭受的過電壓明顯小于其他兩種結構。鏈型結構與星形結構沒有提供冗余，因此斷路器發(fā)生重燃時遭受影響的風機數(shù)量較少。雙邊環(huán)形結構將兩條電纜接成回路，重燃過電壓會影響到與重燃線路相連的電纜線路。

3）電源初始角度會影響重燃過電壓的大小。兩者近似呈正弦關系。電源角度約為90°時，鏈型結構與星形結構過電壓幅值最大，電源角度約為120°時，雙邊環(huán)形結構過電壓幅值最大。

4）不同拓撲結構，海底電纜參數(shù)變化對重燃過電壓的影響不一。鏈型結構和雙邊環(huán)形結構下，過電壓幅值與海底電纜單位長度電阻與電容之比R/C總體呈正相關，星形結構下，R/C變化對過電壓幅值不敏感。同種結構R/C較小產(chǎn)生的過電壓也較小。

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Relationship between Topology of Collection Network and Restrike Overvoltage in Offshore Wind Farms

CHENG Yu1，ZHOU Qibin2，BIAN Xiaoyan1
（1.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China；2.Shanghai Lightning Protection Center,Shanghai 201615,China）

In the offshore wind farm,the safe operation will be seriously impacted by the restrike overvoltage from multiple re-ignition of vacuum circuit breakers.The topology of collection network in the offshore wind farm will influence the restrike overvoltage.To investigate this problem,some typical to?pology structures were compared and the reignition mechanism of the vacuum circuit breaker was ana?lyzed,and the system model of offshore wind farm was established by using ATP-EMTP to discuss the ef?fect of topology on re-ignition overvoltage.The result shows that the maximum overvoltage appears at the end of the cable when reignition happened.Moreover,among different topology’s parameters the star to?pology has the minimum overvoltage.The result can provide some references for the design of the collec?tion network of offshore wind farms from the angle of overvoltage protection.

offshorewindfarm；topology；vacuumcircuitbreakers；restrikeovervoltage；ATP-EMTP

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.001

2016-05-20

程彧（1992—），男，碩士，研究方向為風電場過電壓分析與防護。

上海市氣象局面上課題（編號：MS201602）。