原文发表在《电瓷避雷器》2024年第6期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.16188/j.isa.1003-8337.2024.6.009
考虑极性效应的风机下行雷击风险的定量表征
汤翔1，郑智慧2，李炬添1，唐炬2，于懿兰2，陈小月2，鲁海亮2
(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510700；2.武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072)
一 内容简介
海上风电是国家风电发展的重要方向，深远海风能丰富，深远海的漂浮式风机已成为海上风电的研究之重。为验证现阶段开发的漂浮式风机的各项运行性能，助力深远海风电场的建立，同时不影响接入现有的大容量风场运行。文中基于漂浮式风机经过长海缆接入现有大容量风场工程，搭建漂浮式风机接入风场的电磁暂态仿真模型，计算其在接入时的操作工况以及故障工况、不同的接入位置、接入海缆长度等对大容量风场产生过电压，并对其产生的影响进行分析，结果表明：漂浮式风机经过27 km长海缆接入大容量风场后，不同工况下投切对大容量风场产生的过电压影响均不超过国家标准限值；漂浮式风机接入大容量风场中某条集电电路，其不同接入位置下产生的操作过电压波形和幅值差别不明显；接入大容量风场的长海缆自身合闸空载线路过电压大小与海缆长度成正相关关系，但对接入风场中的集电支路上产生的过电压呈现先增长后降低的趋势。本研究的计算内容和结论可为后续漂浮式试验风机接入风场运行试验提供一定的指导意义。
二 主要内容
风能资源作为一种可再生的清洁能源，具有巨大的开发潜力。我国的海上风能资源品质高、蕴藏丰富，是陆上风力资源的十倍以上，且工程建设不占用陆地用地和港口资源，使得海上风电成为我国沿海地区风电发展建设的重要方向。相较陆上风电场，海上风电场的服役环境更加恶劣，如海浪、台风、雷雨等都将加大运行维护难度，所以提高海上风电机组的可靠性和安全稳定性尤为重要。
相较于近海风能资源，我国深远海风资源储备量对于海上风电工程来说可谓是风电富矿，数据显示，我国深远海风能储量高达1 268 GW，远海风资源占比超过60%。同时，《“十四五”可再生能源发展规划》提出，要开展深远海海上风电规划，完善深远海海上风电开发建设管理，推动深远海海上风电技术创新和示范应用。其中，风电机组作为海上风电场建设的最主要的设备，为获取更多的风能，提高发电效率，其容量也在不断增加。现有的海上风力发电机组分为深海的漂浮式风电机组和浅海的固定式风电机组。为推动深远海海上风电开发建设，对漂浮式风机组的研究具有非常重要意义。
1972年Massachusetts大学Heronemus教授提出漂浮式风电机组，因其开发难度大，1990年后才有些许国家尝试，目前仍处于探索阶段。2021年7月，我国首台漂浮式海上风电试验样机在广东阳江海上风电场顺利安装，此台漂浮式海上风电机组（单机容量5.5 MW）及平台的交付将对我国海上风电迈向深远海、助力碳达峰、碳中和目标达成产生深远意义。
目前针对我国首台漂浮式风机接入系统后的各项运行性能还有待研究，且其后续的运行工况对接入现有的大容量风场运行的影响还无从确定。本文基于漂浮式风机接入系统方案，搭建漂浮式风机接入风电场集电线路电磁暂态仿真计算模型，研究漂浮式试验风机在接入大容量风场时的运行状态，计算其在接入时的操作工况以及故障工况、不同的接入位置、接入海缆长度等对大容量风场产生的过电压，并对其产生的影响进行分析，从仿真计算层面得到漂浮式风机接入系统后的运行情况，为后续漂浮式风机接入大容量风场提供指导建议，助力深远海风电场的建立。
1 风电场集电系统仿真建模
1.1海上风力发电机
1.2风机侧箱式变压器
1.335 kV海缆
1.4接地变压器
1.5避雷器模型
1.6受端系统等值建模
1.7计算模型
2 试验风机接入操作工况分析
2.1影响因素分析
2.2操作工况分析
2.3操作过电压分析指标
3过电压计算
3.1操作过电压
3.2不同接入位置过电压计算
3.3不同长度海缆接入过电压计算
三 结论
本研究基于搭建漂浮式风机接入大容量风场的电磁暂态仿真模型，研究漂浮式试验风机在接入大容量风场时的运行状态，考虑漂浮式风机接入时的操作工况以及故障工况、接入位置、接入海缆长度等因素，对大容量风场产生的操作过电压过电压进行计算，并对其结果进行分析，本次研究可得到结论。
1）对中国首台漂浮式风机接入系统进行仿真计算，其在接入系统3 s后输出功率逐渐上升至额定功率，可以正常稳定运行。当从系统中切除时，风机输出功率在2 s内分两次降低至零。
2）漂浮式风机经过27 km长海缆接入风场后，投切过程中对风场的过电压计算结果均不超过国家标准限值，且切除漂浮式风机正常运行线路和切除漂浮式风机侧正常运行箱变时，在风场第8串风机组线路和集电系统35 kV母线处不产生操作过电压，仅对浮式风机自身形成过电压，同时浮式风机换流器将会闭锁，不对外输送功率。在风场集电系统母线处无需配置电抗以抑制漂浮式风机投切过程中的过电压影响。
3）漂浮式风机接入到大容量风场中某串集电支路上，其接入位置对操作过电压的影响不大。
4）在合闸空载长线路时，其长海缆自身过电压随着长度呈现增长的趋势，但是接入的集电支路上产生的过电压，呈现先增长后降低的趋势。接入切除故障线路时，其接入海缆长度对过电压无影响。
作者简介
汤翔(1983—)，男，硕士，高级工程师，主要从事发电电气设计工作。E-mail：tangxiang@gedi.com.cn。
本文索引
汤翔，郑智慧，李炬添，等.考虑极性效应的风机下行雷击风险的定量表征[J]. 电瓷避雷器，2024(6):61-72.
TANG Xiang, ZHENG Zhihui, LI Jutian，et al.Influence of floating wind turbine connection on large-capacity wind farm[J]. Insulators and Surge Arresters，2024(6):61-72.
《电瓷避雷器》国际标准刊号： ISSN1003-8337， CODEN DBIIA4。国内统一刊号： CN61-1129/TM，《电瓷避雷器》由西安电瓷研究所主办，双月刊， 1958 年创刊， 2009年元月起改制后，由西安高压电器研究院有限责任公司主管。《电瓷避雷器》是我国绝缘子、避雷器行业唯一的一本国内外公开发行的期刊。主要报道国内外绝缘子、避雷器和相关行业的最新理论、科研成果及技术创新等方面的论文。2019年《电瓷避雷器》入选《能源电力领域高质量科技期刊分级目录》电工理论与装备专业T3级。
《电瓷避雷器》连续多年被评为中文核心期刊，是“中国学术期刊综合评价数据库”和“中国科学引文数据库”来源期刊。被美国《化学文摘》、《剑桥科学文摘：材料信息》以及波兰《哥白尼索引》收录。
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