海上风电应急电源探析

海上风电应急电源探析
摘要：目前海上风电处于近海浅水区，无法提供10kV站外备用电源，当2台接地兼站用变同时检修或海上升压站送出海底电缆故障时，风力发电机、升压站处于孤岛模式，其重要设备除湿系统、通信系统、消防系统、应急照明系统、导航系统、检修系统、应急生活系统等设备将无法正常使用，为了保障人生和设备安全，此时要求应急电源系统可靠地自动切换至柴油发电机供电系统。

关键词：海上风电；自动切换；应急电源
为了保证其供电的可靠性，孤岛运行模式面临着设备切换、运行操作方式等诸多问题，文章分析了孤岛运行电源切换的实用性，提出了孤岛运行模式恢复正常供电的方案，可为后期海上风电场运维提供指导。

海上风电升压站的送出海底电缆遭遇故障或台风造成陆上连接电网的架空输电线路短路接地故障导致海上风电脱网而长时间停运，这时海上风电场处于孤岛状态。

当海上风电场长期处于停机状态时，风力发电机内各类机械部件都可能出现疲劳损伤，海上盐雾腐蚀比较重且长时间脱离电网的条件下，海上升压站内及塔筒、机舱内的除湿装置不能工作，整个升压站及风力发电机的环境条件劣化，将直接影响设备及元器件的使用寿命。

中国船级社《海上风力发电机组认证规范》规定了海上风力发电机组在长时期不运行（如无法并网等）时所采取的措施：停机周期以3个月为限，如超过3个月则应采取如下措施：锁定叶片变将系统或安装一个备用电源。

对于运行环境较为恶劣的海上升压站，人生及设备安全可靠性需要在孤岛情况下配置合适可靠的应急电源作为保证。

因此，对其在孤岛模式下运行的研究十分必要。

应急电源系统通常配置一套备自投装置，运行于两种模式：
1、正常自动模式
风电场正常发电，所发电能通过35kV海底电缆送至海上升压站35kV母线，接地兼站用变通过连接35kV母线降压至400V，供应急电源母线段供电。

正常情下，应急MCC要由工作A(段)供电即K1(K2) 处于合闸状，K2(K1) 分闸状态K3处于合闸状态，K0处于分闸状态。

当备自投检测到应急MCC段母线失压后，K1，K2进线开关由备自投装置实现电源自动切换，若切换不成功，或切换后母线仍然失压，则先由备自投装置跳开K1（K2) 开关，同时由备自投装置发出启动油发电机的命令，待油发电机电压稳定后，出柴油发电机控制柜发出合K0开关命令，如图1所示
图1 正常自动模式
由于海上气象条件恶劣，一旦发生孤岛运行，应急电源系统如何快速切换柴油发电机，以保证重要设备能够及时供电，满足重要负荷的供电要求，特别是除湿，加热，导航，通信，照明灯等设备，因此需要考虑海上升压站在孤岛运行状态下运行的安全问题。

1）K1开关失电
应急MCC段装设一套备自投装置，对应MCC段的2个进线开关K1、K2进行跳、合闸控制。

如由K1供电时，当备自投检测到应急MCC段母线失压K1失电，则备自投分K1开关、再合闸K2开关；如再检测到K2失电，则备自投分K2开关同时启动柴油发电机合闸K0开关，备自投延时40S合闸K3开关。

2）K2开关失电
如MCC电源由K2供电时，当备自投检测到应急MCC段母线失压K2失电，则备自投分K2开关、再合闸K1开关；如再检测到K1失电，则备自投分K1开关同时启动柴油发电机合闸K0开关，备自投延时40S合闸K3开关。

2、正常工作电源恢复模式
应急MCC段正常工作电源恢复前。

应急MCC段由柴油发电机供电、即K1和K2处于分闸状态、K3处于合闸状态、KO处于合闸状态、柴油机运行中。

当柴油发电机控制柜得A段(B段)电源恢复正常后、由公用测控屏向柴油发电机并网柜发出选择回切到K1(K2)的指令。

柴油机并网柜收到指令后，由柴油发电机控制柜进行同期判断，同期电压取自K1、K2开关正常工作电源侧电压取样和K3开关应急MCC段母线侧电压取样，当同期条件足时，发同期合K1(K2)断路器的指令。

K1(K2)断路器处于来电合闸状态后、柴油发电机控制柜发出跳K0开关命令、手动关停柴油发电机组。

如图2所示
图2 正常工作电源恢复模式
柴发控制系统并网条件：
当站用工作电源恢复时，为了保障应急MCC母线不失压，则需要将柴油发电系统与站用电源系统进行并网，而并网需满足三个条件：
A、检测到电源电压恢复，
B、并网反馈信号，
C、满足同期条件
1）站用电压恢复
柴发柴发控制系统通过采集K1或K2开关上口电压信号判断站用电源电压是否恢复。

2）反馈信号
柴油发电系统与正常工作站用电源系统进行并网需要接收到反馈信号，也就是从后台监控系统应急电源分画面手动遥控K1或K2电源恢复，通过公用测控装
置发送给柴油发电机控制系统，当控制系统接收到并网信号后，将进行逻辑判断，即K1电源恢复信号对应K1电压已恢复、K2电源恢复对应K2电压已恢复。

3）检测同期
当前面讲到的两个条件都满足时，柴发控制系统将进行同期判断，同期电压
取U1或U2开关正常工作电源侧电压取样与应急MCC母线侧电压U3取样，这里
以K1开关U1为例，U1和U3电压同期检测主要从三个参数进行判断：1、电压伏值，2、频率，3、相位，如检测到U1和U3电压同期超过设置的误差范围，则柴
发控制系统将自动调节柴油发电机的输出电压以满足并网要求，且在几秒钟之内
完成电压自动调节。

当高压出线海缆故障、电网断电故障、主变故障停运等情况发生时，均可能
出现孤岛运行模式。

此时海上升压站与陆上的连接断开时，风电机组不发电，风
电场不对外送电，海上升压站内设备由平台柴油机组供电运行，升压站与风机组
串之间的连接断开。

由于海上气象条件严苛，对风机运行工况会有较强的要求，即当风机不发电时，风机内部的辅助设备，特别是导航、除湿、加热、照明灯设备，一般不能超
过设定的最大允许断电时间。

通常风机内部都会自带蓄电池用于应急，但是时间
很短，因此需要考虑风机在孤岛运行状态下运行的安全问题。

当升压站有工作人
员正在进行作业或检修设备时突然停电，对其人生及设备安全受到较大的威胁，
需应急电源能够快速、及时的切换保证供电的可靠性。

结论：对于风机台数较少的风电场，可以采取在紧急状况下由运维船只提供
单独柴油机组本地供电的方式。

但随着海上风电朝着大容量、远距离方向发展，
建设方需要更多的考虑风电场的整体通用性，以及风电场规模。

结合欧洲海以及
国内海上风电建设、运维情况，综合评估后，对于规模较大、离岸较远的海上风
电场，在海上升压站平台安装柴油机组使风电场具备大孤岛运行能力，是更可靠
和经济的选择方案。

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