張磊，陳道君，王燦，咼虎，李晨坤

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力對(duì)110 kV電網(wǎng)的影響研究

張磊1，陳道君2，王燦2，咼虎2，李晨坤2

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

在介紹雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組及低電壓穿越能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖南郴州地區(qū)實(shí)際并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，仿真分析風(fēng)電機(jī)組具備/不具備低電壓穿越能力對(duì)110 kV電網(wǎng)的影響。結(jié)果表明:并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力非常必要，可以盡量減少故障對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)面影響。

雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越能力；系統(tǒng)安全穩(wěn)定

近年來(lái)，隨著全球能源安全和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，風(fēng)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)模化開(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) (doubly fed induction generators，DFIG)的變速風(fēng)電機(jī)組技術(shù)日益成熟，逐步取代恒速風(fēng)電機(jī)組成為世界風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)上的主流機(jī)型。國(guó)內(nèi)外對(duì)雙饋式風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn) 〔1〕 研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT的控制策略；文獻(xiàn) 〔2〕分析和總結(jié)了雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)LVRT功能的實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。目前研究主要涉及發(fā)電機(jī)本體或控制策略本身，很少涉及電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的LVRT要求。

對(duì)地區(qū)電網(wǎng)，接入的風(fēng)電場(chǎng)是否必須具備LVRT能力，風(fēng)電場(chǎng)有無(wú)LVRT能力對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定產(chǎn)生什么影響，這些問(wèn)題都需要進(jìn)一步研究。文中結(jié)合湖南郴州地區(qū)實(shí)際并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，在典型的系統(tǒng)故障 (線路三相接地)下，仿真分析了風(fēng)電場(chǎng)具備/不具備LVRT能力對(duì)110 kV電網(wǎng)的影響。

1 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)屬于變速恒頻風(fēng)機(jī)范疇，包括氣動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4個(gè)部分，DFIG的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。雙饋?zhàn)兯佼惒斤L(fēng)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過(guò)AC－DC－AC變換器與電網(wǎng)相連，其勵(lì)磁通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器提供，實(shí)現(xiàn)了PQ(有功、無(wú)功)解耦控制，具有獨(dú)立的調(diào)節(jié)無(wú)功的能力。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)借助變換器還可以改善并優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行條件，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的柔性連接，且在系統(tǒng)無(wú)功功率不足的情況下，可以向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，以維持電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。一般具有兩種控制模式:定功率因數(shù)控制、定電壓控制〔3〕。目前，風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用較為廣泛的是定功率控制模式。

圖1 雙饋?zhàn)兯佼惒斤L(fēng)電機(jī)組

2 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力

2.1 低電壓穿越的概述

風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越是指當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行〔4〕。

通常情況下電網(wǎng)發(fā)生電壓突降時(shí)機(jī)端電壓難以建立，若風(fēng)電機(jī)組繼續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行，將會(huì)影響到電網(wǎng)電壓無(wú)法恢復(fù)。因此，這種情況一般切除風(fēng)電機(jī)組。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量占電網(wǎng)總裝機(jī)容量比日益增大，其切機(jī)情況對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成的影響也就日益嚴(yán)重。國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)表明當(dāng)這個(gè)數(shù)值達(dá)到3%～5%時(shí)，高風(fēng)速期間如果出現(xiàn)大面積切機(jī)將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力 (LVRT)也就顯示出其重要性。

由電網(wǎng)電壓跌落造成的風(fēng)機(jī)大面積切機(jī)不但會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，還會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組本身造成很大危害。在這個(gè)過(guò)程中風(fēng)電機(jī)組會(huì)出現(xiàn)機(jī)械輸入和電氣輸出功率不平衡，暫態(tài)過(guò)程導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中出現(xiàn)過(guò)流，造成電氣器件損壞，同時(shí)由不平衡帶來(lái)的附加轉(zhuǎn)矩、應(yīng)力還有可能損壞機(jī)械部件。因此須采取有效的低電壓穿越措施，以維護(hù)風(fēng)場(chǎng)電網(wǎng)的穩(wěn)定。

2.2 低電壓穿越的規(guī)定要求

文獻(xiàn) 〔5〕中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越提出了如圖2所示的要求:風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線以下時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。此外，對(duì)于目前尚不具備低電壓穿越能力且已投運(yùn)的風(fēng)電場(chǎng)，應(yīng)積極開(kāi)展機(jī)組改造工作，以具備低電壓穿越能力。因此，規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求為:

圖2 低電壓穿越能力曲線

1)風(fēng)電場(chǎng)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；

2)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行。

3 實(shí)例分析

3.1 電網(wǎng)數(shù)據(jù)

采用包含婁底、邵陽(yáng)、懷化、湘西、衡陽(yáng)、郴州和永州7個(gè)地區(qū)110 kV網(wǎng)架的2016年度方式計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算分析。

預(yù)計(jì)截止到2016年底，湖南并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)共32座，其中郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)12座，總裝機(jī)容量676 MW，占湖南省風(fēng)電裝機(jī)容量的31.8%。因此，選取郴州作為典型實(shí)例。郴州西南部分布有9座風(fēng)電場(chǎng)，其局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 2016年郴州地區(qū)局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.2 三永故障設(shè)置參數(shù)

220 kV線路三永故障繼電保護(hù)、斷路器及安全自動(dòng)裝置操作時(shí)序見(jiàn)表1。220 kV主變220 kV或者110 kV側(cè)發(fā)生三相故障，0.12 s跳主變?nèi)齻?cè)。

閱讀一個(gè)民族的歷史小說(shuō)是了解這個(gè)民族歷史和精神氣質(zhì)的有效途徑。這也符合蘇格蘭文學(xué)的傳統(tǒng)，即通過(guò)小說(shuō)來(lái)講述歷史。然而，蘇格蘭歷史小說(shuō)浪漫化的特點(diǎn)并不能真正展示蘇格蘭歷史的全貌。正如蘇格蘭歷史研究專家科林·基德（Colin Kidd）指出的，盡管蘇格蘭的過(guò)去生動(dòng)而獨(dú)特，卻因其濃重的地方色彩和演義性質(zhì)，無(wú)法為現(xiàn)代蘇格蘭社會(huì)提供一個(gè)可供參考、邏輯完整的意識(shí)形態(tài)。（轉(zhuǎn)引自Craig 1999：118）蘇格蘭人留給蘇格蘭的歷史如同《蘭納克》中的“時(shí)光隧道”，沒(méi)有時(shí)間的流動(dòng)，完全處于真實(shí)的歷史因果之外。這種狀況在蘇格蘭進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)之后也未得到改善，它成功抹去了浪漫化的過(guò)去，卻仍未架起通往現(xiàn)在的橋梁。

表1 220 kV線路三永故障操作時(shí)序 s

3.3 LVRT能力對(duì)電網(wǎng)的影響

考慮2016年夏小方式風(fēng)電場(chǎng)滿額出力方式，在風(fēng)電機(jī)組具備/不具備低電壓穿越能力兩種情況下，計(jì)算分析風(fēng)電場(chǎng)近區(qū)220 kV系統(tǒng)故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的影響。其中，風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越參數(shù)根據(jù)圖2設(shè)置，風(fēng)電機(jī)組低電壓保護(hù)定值設(shè)置為風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓低于0.8 p.u.時(shí)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。以郴州地區(qū)220 kV蘇耽—蓉城線和220 kV蘇耽—福沖線路蘇耽側(cè)三永故障為例研究電網(wǎng)故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的影響。

2016年夏小方式，郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)滿額出力，220 kV蘇耽—蓉城線路蘇耽側(cè)發(fā)生三永故障，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力時(shí)，郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)全部穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)生脫網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力時(shí)，郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)全部脫網(wǎng)，脫網(wǎng)容量合計(jì)676 MW。風(fēng)電機(jī)組具備/不具備低電壓穿越能力時(shí)，系統(tǒng)均可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。蘇蓉線蘇耽側(cè)三永故障導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。蓉城110 kV母線電壓恢復(fù)對(duì)比曲線如圖4所示。風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力時(shí)，蓉城110 kV母線電壓約在1.46 s恢復(fù)至額定電壓；而當(dāng)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力時(shí)，蓉城110 kV母線電壓約在1.79 s恢復(fù)至額定電壓。

表2 風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)數(shù)據(jù) (夏小風(fēng)電滿額出力)

圖4 蓉城110 kV電壓恢復(fù)對(duì)比曲線

2016年夏小方式，郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)滿額出力，220 kV蘇耽—福沖線路蘇耽側(cè)發(fā)生三永故障，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力時(shí)，郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)除水源、太平里全部脫網(wǎng)外 (脫網(wǎng)容量合計(jì)125 MW)，其余風(fēng)電場(chǎng)均穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)生脫網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力時(shí)，郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)全部脫網(wǎng)，脫網(wǎng)容量合計(jì)676 MW。風(fēng)電機(jī)組具備/不具備低電壓穿越能力時(shí)，系統(tǒng)均可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。蘇福線蘇耽側(cè)三永故障導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。福沖110 kV母線電壓恢復(fù)對(duì)比曲線如圖5所示。風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力時(shí)，福沖110 kV母線電壓約在1.57 s恢復(fù)至額定電壓；而當(dāng)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力時(shí)，福沖110 kV母線電壓約在1.82 s恢復(fù)至額定電壓。

圖5 福沖110 kV電壓恢復(fù)對(duì)比曲線

4 結(jié)論

1)2016年夏小方式，在郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)滿額出力方式下，風(fēng)電機(jī)組具備/不具備低電壓穿越能力時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生故障，系統(tǒng)均可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。

2)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，具備低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行能力較無(wú)低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)強(qiáng)。如果風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，電網(wǎng)故障會(huì)導(dǎo)致郴州地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)大范圍脫網(wǎng)。

4)隨著各地區(qū)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量的逐步增加，為了維持整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力非常必要，可以盡量減少故障對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)面影響。

〔1〕張永斌，袁海文.雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越主控系統(tǒng)控制策略〔J〕.電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32(8):106-112.

〔2〕蘇平，張靠社.基于主動(dòng)式IGBT型Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT仿真研究 〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38 (23):164-171.

〔3〕陳道君，王燦，李晨坤，等.分散式風(fēng)電接入對(duì)110 kV地區(qū)電網(wǎng)無(wú)功電壓特性的影響研究 〔J〕.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2015，3:188-191.

〔4〕付鵬武，朱鍇，歐陽(yáng)惠，等.STATCOM在雙饋風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越中的應(yīng)用研究 〔J〕.湖南電力，2014，34(4):12-16.

〔5〕風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定:GB/T 19963－2011〔S〕.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

Research on influences of wind turbines low voltage ride through capability on 110 kV grid

ZHANG Lei1，CHEN Daojun2，WANG Can2，GUO Hu2，LI Chenkun2
(1.Hunan Xiangdian Boiler＆Pressure Vessel Test Center Co.，Ltd.，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Based on the introduction of doubly fed induction wind turbine and low voltage ride through capability，combining with Chenzhou actual grid－connected wind farms，simulation and analysis on influences of wind farms have/does not have low voltage ride through capability on 110 kV grid.The results show that the low voltage ride through capability of grid－connected wind turbines is necessary to minimize the negative impact of failures on the system security and stability.

doubly fed induction wind turbine；low voltage ride through capability；system security and stability

TM712

A

1008－0198(2016)06－0018－03

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.005

張磊(1991)，男，碩士，助理工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析方面的生產(chǎn)和科研工作。

陳道君(1986)，男，博士，工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析方面的生產(chǎn)和科研工作。

王燦(1986)，男，博士，工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析方面的生產(chǎn)和科研工作。

咼虎(1983)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行分析與仿真工作。

李晨坤(1988)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行分析與仿真工作。

2016－04－01