鄭晶晶，楊 勇，陳 新，杜培東

(1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730050；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州730050）

0 引言

酒泉風(fēng)電基地建設(shè)在甘肅電網(wǎng)的末梢，距主系統(tǒng)和負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，加之風(fēng)電機(jī)組的短路特性與常規(guī)水、火電機(jī)組的短路特性差異很大，因此大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)引起明顯的電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)接納能力、風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)無(wú)功和電能質(zhì)量的影響、風(fēng)電機(jī)組對(duì)配網(wǎng)保護(hù)的影響以及低電壓穿越等問(wèn)題開(kāi)展了較多研究[3-8]。但對(duì)風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中的運(yùn)行特性研究還缺乏實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的支持。本文通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)330kV匯集站出線(xiàn)處進(jìn)行短路試驗(yàn)，對(duì)直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行能力進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。

如圖1所示，某330kV風(fēng)電場(chǎng)匯集站為四個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)公用，總裝機(jī)容量為600MW。每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)各自的主變（330kV/35kV）接入?yún)R集站330kV母線(xiàn)，經(jīng)由一條330kV出線(xiàn)送至750kV變電站的330kV系統(tǒng)。本次試驗(yàn)選擇第二風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行，主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

1 試驗(yàn)情況介紹

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及主要設(shè)備參數(shù)

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表1 第二風(fēng)電場(chǎng)主變壓器參數(shù)

表2 測(cè)試風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)一：330kV出線(xiàn)單相瞬時(shí)性接地故障

330kV線(xiàn)路近端圖1的k1點(diǎn)A相瞬時(shí)接地，保護(hù)動(dòng)作后跳開(kāi)A相，經(jīng)延時(shí)后線(xiàn)路重合閘成功，風(fēng)電機(jī)組保持在網(wǎng)運(yùn)行。

試驗(yàn)二：330kV出線(xiàn)單相永久性接地故障

330kV線(xiàn)路遠(yuǎn)端圖1的k2點(diǎn)C相永久接地，保護(hù)動(dòng)作后跳開(kāi)C相，經(jīng)延時(shí)后線(xiàn)路重合閘于故障，出線(xiàn)三相跳閘切除故障，風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。

2 暫態(tài)過(guò)程中的系統(tǒng)電壓及風(fēng)電機(jī)組電氣量變化實(shí)測(cè)分析

2.1 330kV送出線(xiàn)路近端發(fā)生A相瞬時(shí)性接地故障

試驗(yàn)前系統(tǒng)運(yùn)行工況：西北電網(wǎng)骨干網(wǎng)架全接線(xiàn)運(yùn)行。西北電網(wǎng)大型火電廠(chǎng)均壓制小方式運(yùn)行，河西地區(qū)主要火電廠(chǎng)大型火電機(jī)組均單機(jī)運(yùn)行。試驗(yàn)地區(qū)風(fēng)電均衡開(kāi)機(jī)約500MW。電網(wǎng)主要無(wú)功補(bǔ)償裝置均處于健康水平，具備隨時(shí)投入和退出的條件。

圖1所示系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行工況，某時(shí)刻在k1點(diǎn)發(fā)生A相瞬時(shí)性接地故障，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的機(jī)組各電氣參數(shù)變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 單相瞬時(shí)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組出口電氣參數(shù)變化

如圖2所示，系統(tǒng)發(fā)生A相瞬時(shí)接地故障。風(fēng)電機(jī)組出口線(xiàn)電壓Ubc由608V最低降到279V，故障切除后最高升到627V。機(jī)組B相電流Ib由1320A最高升至1902A后，故障切除后最低降至421A，故障切除后2s內(nèi)恢復(fù)至故障前電流值的90%左右。有功功率由1380kW降至1144kW，故障切除后最低降至431kW，故障切除后2s內(nèi)恢復(fù)至故障前有功功率的90%左右。無(wú)功功率由90kVar增至最高523kVar，故障切除后2s內(nèi)恢復(fù)至100kVar左右。

2.2 330kV送出線(xiàn)路遠(yuǎn)端發(fā)生C相永久性接地故障

試驗(yàn)前系統(tǒng)運(yùn)行工況：電網(wǎng)骨干網(wǎng)架全接線(xiàn)運(yùn)行。西北電網(wǎng)大型火電廠(chǎng)均壓制小方式運(yùn)行，河西地區(qū)主要火電廠(chǎng)大型火電機(jī)組均單機(jī)運(yùn)行。試驗(yàn)地區(qū)風(fēng)電均衡開(kāi)機(jī)約800MW。電網(wǎng)主要無(wú)功補(bǔ)償裝置均處于健康水平，具備隨時(shí)投入和退出的條件。

圖1所示系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行工況，某時(shí)刻在k2點(diǎn)發(fā)生C相永久性接地故障，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的機(jī)組各電氣參數(shù)變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 單相永久故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組出口電氣參數(shù)變化

如圖3所示，在發(fā)生C相永久接地故障后，風(fēng)電機(jī)組出口線(xiàn)電壓由611V最低降到230V，線(xiàn)路重合于故障跳開(kāi)后，最高升至901V，線(xiàn)路跳開(kāi)8s后降為0。機(jī)組B相電流Ib在故障發(fā)生瞬時(shí)由660A升高至1309A，出線(xiàn)開(kāi)關(guān)重合后最大達(dá)到1434A。有功功率由702kW降至267kW，線(xiàn)路再次跳開(kāi)約1s后降為0。無(wú)功功率由54kVar升至最高388kVar，線(xiàn)路再次跳開(kāi)后最高超過(guò)1900kVar，持續(xù)時(shí)間達(dá)1.5s左右。

2.3 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中的運(yùn)行特性分析

通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組在兩次暫態(tài)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)匯集站出線(xiàn)發(fā)生不同類(lèi)型接地故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組電氣參數(shù)變化差異較大。出線(xiàn)發(fā)生單相瞬時(shí)性接地故障時(shí)，機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)暫態(tài)過(guò)程中的低電壓穿越，保持連續(xù)在網(wǎng)運(yùn)行。接地故障發(fā)生時(shí)機(jī)組出口電壓瞬時(shí)跌落，故障切除后迅速恢復(fù)至額定并略微升高。故障瞬間機(jī)組出口最大相電流超出額定值，出現(xiàn)短時(shí)過(guò)負(fù)荷。

當(dāng)出線(xiàn)發(fā)生單相永久性接地故障時(shí)，機(jī)組在實(shí)現(xiàn)一次低電壓穿越后，最終由于出線(xiàn)跳閘而脫網(wǎng)。脫網(wǎng)后的機(jī)組各電氣參數(shù)變化較為劇烈。其中機(jī)組出口電壓升高至額定值的1.1倍以上持續(xù)的時(shí)間達(dá)到3s。出口電流有明顯增大，從功率變化曲線(xiàn)上可以看出，這部分電流增量主要是提供了機(jī)組的無(wú)功輸出。

比較兩次暫態(tài)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，機(jī)組出口電壓跌落幅度越大，無(wú)功輸出增加越多。說(shuō)明在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組具有發(fā)出無(wú)功的能力，從而避免電壓跌落過(guò)深，對(duì)系統(tǒng)電壓提供了一定支持[9-11]。同時(shí)，機(jī)組的這種暫態(tài)過(guò)程也有一定的消極作用，在一定程度上增加了系統(tǒng)恢復(fù)后出現(xiàn)過(guò)電壓的幾率。尤其是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生永久性故障，導(dǎo)致出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的二次穿越并脫網(wǎng)時(shí)，無(wú)功功率急劇增大，機(jī)端出現(xiàn)明顯的持續(xù)數(shù)秒的過(guò)電壓情況，最高達(dá)到了額定值的1.45倍，如圖3（a）所示。直接導(dǎo)致Q匯集站330kV母線(xiàn)相電壓升高，最高達(dá)到了274.55kV，如圖4所示，這對(duì)機(jī)組和站內(nèi)其他設(shè)備的安全運(yùn)行及使用壽命造成了不利影響。

圖4 出線(xiàn)單相永久性接地故障時(shí)Q匯集站330kV母線(xiàn)電壓變化曲線(xiàn)

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近年來(lái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的檢測(cè)及相應(yīng)改造，風(fēng)電場(chǎng)在系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行能力得到了大幅提升。在單相瞬時(shí)接地短路試驗(yàn)過(guò)程中，大部分機(jī)組未發(fā)生因低電壓而造成的脫網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置也能夠快速正確地動(dòng)作于對(duì)系統(tǒng)電壓的跟蹤調(diào)節(jié)，很大程度上保證了風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也確保了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是因系統(tǒng)故障導(dǎo)致脫網(wǎng)后，機(jī)組出口會(huì)出現(xiàn)較高的過(guò)電壓，這對(duì)機(jī)組本身及相關(guān)設(shè)備會(huì)造成一定的威脅，還需對(duì)機(jī)組無(wú)功控制部分進(jìn)行研究?jī)?yōu)化。

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