鄭宇明，鄭惠萍，劉愈倬

（1.山西省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西 太原 030002；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

安全、清潔、經(jīng)濟(jì)、高效的能源供應(yīng)是人類經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的基本保證。發(fā)展風(fēng)電等新能源是國家的重大戰(zhàn)略決策，近年來，中國風(fēng)電發(fā)展取得了令人矚目的成就，“十一五”期間，中國風(fēng)電開發(fā)規(guī)模實(shí)現(xiàn)重大突破，連續(xù)5 a實(shí)現(xiàn)翻番式增長，目前，中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已經(jīng)位居世界第一[1]。當(dāng)風(fēng)電在電力系統(tǒng)中所占的比例較低時(shí)，風(fēng)電場分散接入電網(wǎng)，被視作分布式電源，在系統(tǒng)故障時(shí)可立刻退出運(yùn)行。因此，風(fēng)電并網(wǎng)問題并不明顯，不會對電網(wǎng)的運(yùn)行造成重大影響，但風(fēng)電在電力系統(tǒng)中所占的比例越來越大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的自身特性將會對系統(tǒng)運(yùn)行帶來一定的影響。為維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，除要求提高風(fēng)電機(jī)組自身的技術(shù)水平外，各國電網(wǎng)公司都相繼對風(fēng)電場/風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)提出了更嚴(yán)格的技術(shù)要求，包括低電壓穿越LVRT（LowVoltage Ride-though）能力、無功控制能力以及輸出功率控制能力等。風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力是保證風(fēng)電場在系統(tǒng)故障情況下不解列，能持續(xù)并網(wǎng)發(fā)電的必備特性。

1 低電壓穿越能力

低電壓維持能力是指風(fēng)電場／風(fēng)電機(jī)組在電壓降低時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行的能力。按照相關(guān)并網(wǎng)準(zhǔn)則的規(guī)定，風(fēng)電廠應(yīng)具備低電壓穿越能力，在電網(wǎng)故障期間，保持規(guī)定時(shí)間不脫網(wǎng)，支持電網(wǎng)的穩(wěn)定；故障清除后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有功功率快速恢復(fù)到故障前的水平。必要時(shí)，還應(yīng)具備動態(tài)無功支撐能力，按照要求的響應(yīng)速度，向電網(wǎng)提供所要求的無功電流，支持電網(wǎng)恢復(fù)。不同國家或機(jī)構(gòu)對此的要求不盡相同，圖1所示為國家電網(wǎng)公司于2009年12月發(fā)布的Q/GDW392—2009《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定的風(fēng)電機(jī)組/風(fēng)電廠低電壓穿越能力曲線。風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力；風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行。

2 風(fēng)電機(jī)組LVRT功能的實(shí)現(xiàn)

不同類型的風(fēng)電機(jī)組可采取不同技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)其LVRT功能[2-3]。對于采用普通異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)的固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組，一是通過安裝一個(gè)靜態(tài)無功補(bǔ)償器來對各種功率等級無功進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償；二是通過采用靜態(tài)同步補(bǔ)償器調(diào)節(jié)電壓，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能。雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組可以依靠三種方法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能：一是采用轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，二是采用合理的控制策略，三是引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在外部系統(tǒng)故障引起風(fēng)電機(jī)組端電壓跌落時(shí)，風(fēng)電場仍然維持運(yùn)行，滿足風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對于風(fēng)電機(jī)組LVRT能力的要求。同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能有兩種：一是減小風(fēng)力機(jī)輸入的功率，使系統(tǒng)獲得功率平衡；二是增加Crowbar的保護(hù)電路。現(xiàn)階段風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)是制約風(fēng)力發(fā)電進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電機(jī)組LVRT能力的要求進(jìn)一步增加了風(fēng)電機(jī)組造價(jià)。

圖1 風(fēng)電機(jī)組/風(fēng)電廠低電壓穿越能力曲線

3 電力系統(tǒng)仿真分析

3.1 系統(tǒng)仿真模型

某區(qū)域電網(wǎng)中電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，見圖2。圖中“風(fēng)電群”是由一個(gè)或幾個(gè)風(fēng)電場組成，接入同一個(gè)點(diǎn)，各風(fēng)電場內(nèi)部均按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了一定容量的無功功率補(bǔ)償。

圖2 某區(qū)域電網(wǎng)電力系統(tǒng)仿真模型

目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般有兩種類型，一種是采用異步發(fā)電機(jī)的固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組，另一種是采用雙饋電機(jī)或通過變頻器并網(wǎng)的變速風(fēng)電機(jī)組?？紤]風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按雙饋風(fēng)電機(jī)組考慮，運(yùn)行中保持機(jī)端功率因數(shù)為1.0。風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓690V，經(jīng)兩級升壓后通過110kV或220 kV線路送出。

仿真采用中國電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所電力系統(tǒng)軟件完成，負(fù)荷模型采用40%恒阻抗，60%感應(yīng)電動機(jī)模型。該地區(qū)風(fēng)電場考慮在額定容量的60%出力方式運(yùn)行，考慮站點(diǎn)4到電廠二一回500 kV線路發(fā)生三相短路故障，保護(hù)動作切出故障線路。本次研究考慮比較極端的兩種情況，一是所有風(fēng)電機(jī)組具有LVRT功能；二是所有機(jī)組不具有LVRT功能，即不能實(shí)現(xiàn)低電壓穿越而跳機(jī)。

3.2 故障分析

經(jīng)計(jì)算，500 kV線路跳閘故障發(fā)生后，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組具有LVRT功能，則風(fēng)電機(jī)組沒有脫網(wǎng)現(xiàn)象出現(xiàn)；如風(fēng)電機(jī)組不具備LVRT功能，由于動態(tài)過程中部分變電站母線電壓偏低，無低電壓穿越能力風(fēng)電機(jī)組的低壓保護(hù)動作，出現(xiàn)部分風(fēng)電場群體脫網(wǎng)現(xiàn)象，脫網(wǎng)容量共計(jì)為570 MW。

3.3 區(qū)域電網(wǎng)電壓分析

短路故障后，該地區(qū)220 kV站點(diǎn)2、站點(diǎn)3電壓數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。由表1的數(shù)據(jù)可以看出，站點(diǎn)2的電壓跌幅較站點(diǎn)3要大（0 s和0.2 s值之差），站點(diǎn)2離脫網(wǎng)風(fēng)電群距離較近，站點(diǎn)3離脫網(wǎng)風(fēng)電群相對較遠(yuǎn)，說明離脫網(wǎng)風(fēng)電群電氣距離越近的站點(diǎn)跌幅越大；從表1中0.2 s值可以看出，站點(diǎn)2、站點(diǎn)3的電壓值，有LVRT功能的標(biāo)幺值為0.505、0.573，無LVRT功能的標(biāo)幺值為0.497、0.566，明顯前者電壓跌幅小于后者。從站點(diǎn)2的電壓曲線圖的穩(wěn)態(tài)值及站點(diǎn)2、站點(diǎn)3的0 s值和10 s后值比較看出，故障后，有LVRT功能的站點(diǎn)電壓經(jīng)過一段時(shí)間后恢復(fù)到故障前的狀態(tài)，而無LVRT功能的站點(diǎn)電壓略高于故障前的電壓，說明有LVRT功能更有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。無LVRT功能比有LVRT功能的站點(diǎn)電壓略高，這主要是因?yàn)轱L(fēng)電場在正常運(yùn)行時(shí)需要從電網(wǎng)吸收一定的無功功率，風(fēng)電場根據(jù)需要適當(dāng)進(jìn)行無功容量補(bǔ)償，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組大量脫網(wǎng)后，一方面風(fēng)電場從電網(wǎng)吸收無功減少，另一方面無功補(bǔ)償容量依然掛網(wǎng)運(yùn)行，因此，故障后電網(wǎng)站點(diǎn)電壓要偏高于故障前的電壓水平。

表1 區(qū)域電網(wǎng)站點(diǎn)2和站點(diǎn)3電壓值

3.4 系統(tǒng)頻率分析

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組沒有LVRT功能時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生低電壓故障部分風(fēng)電機(jī)組退出運(yùn)行，電網(wǎng)共計(jì)切除風(fēng)電機(jī)組容量為570 MW，切除的容量造成功率缺額，使系統(tǒng)頻率降低；而有低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障動態(tài)過程中無機(jī)組切除。通過仿真分析，風(fēng)電機(jī)組具有LVRT功能時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生故障后，在10 s后系統(tǒng)頻率恢復(fù)到初始狀態(tài)；而風(fēng)電機(jī)組不具有LVRT功能時(shí)，在10 s后系統(tǒng)頻率較初始狀態(tài)仍低0.02 Hz，說明在系統(tǒng)頻率恢復(fù)方面，有LVRT功能要明顯優(yōu)于無LVRT功能。

3.5 常規(guī)機(jī)組特性

圖2中，電廠三功角曲線初始功角86.9°，500 kV線路跳閘故障發(fā)生后，30 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組具有LVRT功能，電廠三相對功角為87.55°與初始角的偏差為0.65°，風(fēng)電機(jī)組無LVRT功能，電廠三相對功角為84.57°與初始角的偏差為－2.33°，有LVRT功能更有助于常規(guī)機(jī)組恢復(fù)至原有水平，而無LVRT功能使常規(guī)機(jī)組偏離原水平較大，達(dá)到了新的穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過系統(tǒng)仿真計(jì)算，從電網(wǎng)電壓、頻率及常規(guī)機(jī)組特性三方面分析了在大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組LVRT功能對電網(wǎng)的影響，通過仿真結(jié)果的比較，證明風(fēng)電機(jī)組具有LVRT功能的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)要優(yōu)于風(fēng)電機(jī)組無LVRT功能的電網(wǎng)，風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能不僅對處于低電壓故障時(shí)的機(jī)組起到保護(hù)作用，而且對電網(wǎng)故障后恢復(fù)正常運(yùn)行也有積極的作用。

電網(wǎng)在正常狀態(tài)下，風(fēng)電機(jī)組具有LVRT功能能夠?qū)ο到y(tǒng)起到積極的作用，不會進(jìn)一步加重系統(tǒng)故障的影響；風(fēng)電機(jī)組無LVRT功能，風(fēng)電機(jī)組抗干擾能力較差極易脫網(wǎng)，脫網(wǎng)造成了有功缺額，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量級時(shí)，可對電網(wǎng)的頻率構(gòu)成沖擊，將給電網(wǎng)帶來運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

［1］ 國網(wǎng)能源研究院，維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)（中國）有限公司.風(fēng)電與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展綜合解決策略［M］.北京：中國電力出版社，2011：38-40.

［2］ 張興，張龍?jiān)?，楊淑英，?風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述［J］.電力系統(tǒng)及其自動化，2008，20（2）：22-26.

［3］ 關(guān)宏亮，趙海翔，遲永寧，等.電力系統(tǒng)對并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組承受低電壓能力的要求［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（7）：78-82.