動態(tài)無功補償裝置在酒泉地區(qū)風(fēng)電場的優(yōu)化應(yīng)用

楊勇，秦睿，拜潤卿，楊俊，鄭晶晶

（甘肅電力科學(xué)研究院蘭州730050）

酒泉風(fēng)電基地建設(shè)在甘肅電網(wǎng)的末梢，其特點是距主系統(tǒng)和負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對薄弱，所發(fā)電能主要通過新建成的750 kV輸電通道集中外送。由于目前投運的絕大多數(shù)風(fēng)電機組不具備低電壓穿越功能，當(dāng)酒泉地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動時，電網(wǎng)電壓變化劇烈，使得整個酒泉風(fēng)電基地的風(fēng)電機組發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)事故的風(fēng)險加劇。

由于風(fēng)電場有功出力具有隨風(fēng)波動的特點，并網(wǎng)線路或送電通道上潮流變化頻繁，大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)運行會引起電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性問題[1]，尤其風(fēng)電場通過長距離接入電網(wǎng)，其無功補償對局部電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)作用更加重要[2-5]。

1 問題的提出

對近來發(fā)生在酒泉風(fēng)電基地的幾次風(fēng)電機組大規(guī)模脫網(wǎng)事故進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電裝機容量占比較大的酒泉電網(wǎng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)電壓通常會出現(xiàn)如下的變化：電壓跌落（事故發(fā)生）－故障切除－電壓升高（產(chǎn)生過電壓）。圖1為酒泉地區(qū)發(fā)生風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)事故時某750 kV變電站2號主變330 kV側(cè)電壓變化。

圖1 相電壓在風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)事故前后的變化Fig.1 Phase voltage changes before and after the large-scale off-grid wind power accident

事故發(fā)生前，各風(fēng)電場出力正常，大部分風(fēng)場均投入了動態(tài)無功補償裝置所配置的濾波電容器組，用以維持母線電壓。同時，因設(shè)備故障或運行管理的原因，部分風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置的自動調(diào)節(jié)支路并未有效投入。故障發(fā)生時，大量風(fēng)電機組因不具備低電壓穿越功能在電壓驟降時迅速脫網(wǎng)。從圖1中可以看出，在故障切除后，電網(wǎng)電壓迅速恢復(fù)，但并沒有穩(wěn)定在正常范圍，相反，在過剩無功的作用下電壓繼續(xù)上升，最終導(dǎo)致過電壓的發(fā)生。其中某750 kV變電站2號主變330 kV側(cè)電壓最高達(dá)到了380 kV。導(dǎo)致相當(dāng)一部分風(fēng)電機組因過電壓而脫網(wǎng)，事故進(jìn)一步惡化。

動態(tài)無功補償裝置的配置思路主要是用來補償風(fēng)電場變壓器及線路負(fù)載時的感性無功損耗、送出線路的充電無功功率等。由于酒泉風(fēng)電基地各風(fēng)電場選用的無功補償裝置，無論在型式、控制策略、控制模式以及參數(shù)設(shè)置方面沒有形成規(guī)范管理，因此，在發(fā)生上述的暫態(tài)過程時，各風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置對抑制故障切除后出現(xiàn)過電壓的能力也有所差異。

要規(guī)范風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置的運行，盡可能充分發(fā)揮穩(wěn)定風(fēng)電場電壓的能力，就必須開展風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置涉網(wǎng)性能的測試工作，從而全面掌握各類動態(tài)無功補償裝置的相關(guān)特性[4]，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

2 動態(tài)無功補償裝置在風(fēng)電場的應(yīng)用情況

以經(jīng)由330 kV接入系統(tǒng)的風(fēng)電場為例，配置的動態(tài)無功補償裝置型式主要有3種，即靜止型無功補償裝置（SVC）和靜止無功發(fā)生器（SVG），其中SVC又包括包括晶閘管控制電抗器（TCR型）和磁控電抗器（MCR型）2種。具體配置情況見表1。

表1 酒泉330 kV系統(tǒng)接入風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置配置表Tab.1 Dynamic reactive power compensation device configuration table for connecting Jiuquan wind 330 kV system to wind power farm

酒泉地區(qū)風(fēng)電場無功補償容量配置的原則為：容性無功容量除能夠補償并網(wǎng)點以下匯集系統(tǒng)及主變的無功損耗外，還應(yīng)能夠補償風(fēng)電場滿發(fā)時送出線路的全部無功損耗；感性無功補償能夠補償風(fēng)電場送出線路的全部充電功率。

目前，經(jīng)330 kV并網(wǎng)的200 MW風(fēng)電場集中無功補償容量占裝機容量的比例在17%～46%，動態(tài)補償容量占全部無功補償容量的比例在35%～56%。容量配置能夠滿足風(fēng)電場運行要求。

3 三種動態(tài)無功補償裝置性能及運行特點分析

3.1 TCR型SVC

單臺容量較大，響應(yīng)速度較快。由于晶閘管設(shè)備的使用，會造成3、5、7次諧波電壓電流較大，對電能質(zhì)量有較明顯的影響，圖2、圖3顯示了某風(fēng)電場TCR型SVC的諧波電壓電流含量。為降低諧波含量，TCR支路應(yīng)與濾波電容捆綁運行，不允許自動投切電容器組。

圖2 某風(fēng)電場TCR諧波電壓相對值Fig.2 Relative values of TCR harmonic voltage in some wind power farm

圖3 某風(fēng)電場TCR諧波電流絕對值Fig.3 Absolute value of TCR harmonic voltage in some wind power farm

3.2 MCR型SVC

單臺容量較大，響應(yīng)速度慢于SVG、TCR。調(diào)節(jié)過程中，電能質(zhì)量表現(xiàn)較好，諧波含量無明顯變化。裝置具備自動投切電容器的功能。

3.3 SVG

單臺容量較小（最大僅為12 MW），響應(yīng)速度最快，調(diào)節(jié)支路可以實現(xiàn)快速連續(xù)的最大容性與最大感性之間的調(diào)節(jié)；電能質(zhì)量方面表現(xiàn)良好，調(diào)節(jié)過程中無明顯的諧波含量變化。在控制策略中考慮了自動投切電容器的功能，目前運行正常。

綜上所述，3種型式的動態(tài)無功補償裝置在綜合性能方面各有優(yōu)劣。3種補償裝置性能特點見表2。

表2 3種型式的動態(tài)無功補償裝置的性能特點Tab.2 Performance characteristics of three types of dynamic reactive power compensation device

4 風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置的應(yīng)用優(yōu)化

4.1 不同型式補償裝置的運行建議

TCR在響應(yīng)時間、補償容量等方面可以滿足電網(wǎng)要求，但是對電能質(zhì)量影響較大。在較大的諧波含量下長時間運行，會對設(shè)備絕緣造成不同程度的損傷，縮短使用壽命。嚴(yán)重時還會導(dǎo)致諧振過電壓發(fā)生，直接損壞設(shè)備。因此，TCR型的補償設(shè)備應(yīng)和其配置的濾波電容器組同時投入或退出運行。

MCR在電能質(zhì)量和補償容量方面表現(xiàn)較好。因為其諧波影響很小，較為適合投入自動投切電容器組的功能，且快速切除電容器可以一定程度上彌補磁控電抗器固有的調(diào)節(jié)速度較慢的缺點。從暫態(tài)過程中限制過電壓方面考慮，這一點有較強的實際意義。

SVG的響應(yīng)時間是最快的，電能質(zhì)量較好，但由于技術(shù)原因，單臺補償容量較小，在穩(wěn)態(tài)運行時可以實現(xiàn)對電壓波動的補償。但是在電壓迅速飆升時，其能夠提供的感性容量太小，對這種極端情況調(diào)節(jié)能力有限。這成為限制SVG在大容量風(fēng)電場推廣應(yīng)用的最大障礙。因此，SVG必須配合電容器組的自動投切功能，這樣才有可能快速有效地抑制母線過電壓。

4.2 與風(fēng)電機組及繼電保護(hù)的配合

目前風(fēng)電場配置的動態(tài)無功補償設(shè)備均設(shè)置了自身的過壓、欠壓保護(hù)，定值由生產(chǎn)廠家自行給定。而風(fēng)電機組與電容器也配置有相關(guān)的過壓、欠壓保護(hù)，其中風(fēng)電機組的保護(hù)定值由機組制造廠家設(shè)定，電容器的過壓、欠壓保護(hù)定值則由風(fēng)電場通過整定計算給出。三者之間缺乏統(tǒng)一合理的計算，未考慮配合。在風(fēng)電場發(fā)生短路故障到故障切除這個過程中，系統(tǒng)電壓通常會存在電壓驟降驟升的情況，為了使保護(hù)動作達(dá)到最優(yōu)效果，建議采用以下配合關(guān)系。

4.2.1 欠壓保護(hù)定值

風(fēng)電機組＞動態(tài)無功補償裝置（不小于100 ms延時）＞電容器繼電保護(hù)（不小于100 ms延時）

以上配合關(guān)系可以保證在發(fā)生低電壓時，由于電容器繼電保護(hù)的定值最低，可以維持動態(tài)無功補償裝置的正常調(diào)節(jié)策略。而動態(tài)無功補償裝置低壓退出定值居中，可以保證只有在風(fēng)電機組脫網(wǎng)后無功補償裝置才能退出，這樣就可以最大限度地支持風(fēng)電機組機端電壓。

風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力后，其低壓保護(hù)可以不按此方案配合。4.2.2 過壓保護(hù)定值

風(fēng)電機組＜動態(tài)無功補償裝置（不小于100 ms延時）＜電容器繼電保護(hù)（不小于100 ms延時）

這樣的設(shè)置，可以保證在系統(tǒng)電壓跌落，風(fēng)電機組還未脫網(wǎng)時，動態(tài)無功補償裝置在此時能夠?qū)⒏行匀萘堪l(fā)到最小，將容性容量發(fā)到最大，從而在一定程度上實現(xiàn)對母線電壓的支撐作用，降低風(fēng)電機組脫網(wǎng)的危險或減少脫網(wǎng)的機組數(shù)量。當(dāng)電壓跌落到更低時，動態(tài)無功補償裝置退出，之后由繼電保護(hù)裝置將所有支路切除，實現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)。

當(dāng)故障切除后，電壓迅速升高，風(fēng)電機組還未脫網(wǎng)時，動態(tài)無功補償裝置在此時能夠?qū)⒏行匀萘堪l(fā)到最大，將容性容量發(fā)到最小，同時輔助以對電容器組的切除，最終達(dá)到對母線電壓最大的抑制作用，最大可能地降低風(fēng)電機組因過電壓保護(hù)動作而脫網(wǎng)。

方案中不小于100 ms的延時是考慮到目前酒泉風(fēng)電基地的主力風(fēng)機（華銳、金風(fēng)、東汽）在過、欠壓保護(hù)中都有100～200 ms的延時，為了保證動態(tài)無功補償裝置自身的保護(hù)在發(fā)生暫態(tài)過程時，不會先于風(fēng)電機組脫網(wǎng)。

4.3 暫態(tài)時自動切除電容器組的策略問題

結(jié)合前期發(fā)生的幾次較大事故可以發(fā)現(xiàn)，暫態(tài)過程都是基本一致的：（事故發(fā)生）電壓跌落－故障切除－電壓升高（產(chǎn)生過電壓）。為了快速抑制過電壓，避免風(fēng)電機組因過電壓脫網(wǎng)，建議MCR與SVG在控制策略中加入自動切除電容器組的控制邏輯。圖4為酒泉風(fēng)電基地330 kV升壓站動態(tài)無功補償裝置典型接線圖。

圖4 酒泉風(fēng)電基地330 kV升壓站動態(tài)無功補償裝置典型接線圖Fig.4 Typical wiring diagram of dynamic reactive power compensation device in Jiuquan wind power base 330 k V step-up station

4.3.1 方案一：由無功補償裝置判斷暫態(tài)特征作為判據(jù)來切除電容器組

考慮到整組時間的存在（動態(tài)無功補償裝置的采樣、運算、切除指令發(fā)出以及開關(guān)分閘的固有時間），當(dāng)無功補償裝置檢測到過電壓后再切除電容器組，部分風(fēng)機可能已經(jīng)因過電壓而脫網(wǎng)了。因此，建議在過電壓切除電容器組的判據(jù)設(shè)計中考慮加入具有暫態(tài)過程特點的參數(shù)判據(jù)：

1）檢測到母線電壓突然跌落且低于90%額定電壓，主變負(fù)荷發(fā)生變化但未降至零。說明電網(wǎng)發(fā)生事故或大擾動，本場出現(xiàn)部分機組脫網(wǎng)，但尚未完全脫網(wǎng)。

2）連續(xù)若干個采樣周期檢測到母線電壓變化率均為正，說明電壓已開始恢復(fù)。

3）當(dāng)以上2個條件滿足后，可以考慮進(jìn)行一輪電容器組的切除，這樣可以保證在出現(xiàn)過電壓之前就將部分多余的容性無功切除。

4.3.2 方案二：由電容器組繼電保護(hù)設(shè)置的過電壓保護(hù)直接切除電容器組（此方案要求對保護(hù)配合方案進(jìn)行修改）

考慮將電容器組過電壓保護(hù)定值整定為1.08～1.1額定電壓，階梯延時動作。例如，某風(fēng)電場裝設(shè)了兩組電容器組，則設(shè)定1組電容器保護(hù)定值在1.08倍額定電壓時瞬時出口跳開，2組則可以定為1.08倍額定電壓，50～100 ms延時動作。這樣，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過電壓至1.08倍額定電壓時，1組電容器保護(hù)首先出口切除該組電容。如系統(tǒng)電壓得到有效抑制，2組電容器保護(hù)在延時階段返回，系統(tǒng)仍可以正常運行。如果電壓在1組電容器組切除后繼續(xù)上升至1.08倍額定電壓，則經(jīng)延時2組電容器保護(hù)動作切除。此時，母線電壓應(yīng)能夠得到一定程度的抑制。

此方案要求在對以往事故發(fā)生時，系統(tǒng)電壓在故障切除后的恢復(fù)速率進(jìn)行分析統(tǒng)計后，配合開關(guān)分閘固有時間，最終確定保護(hù)定值。

5 結(jié)語

動態(tài)無功補償裝置在大規(guī)模集群并網(wǎng)的風(fēng)電場應(yīng)用已有一段時間。近來發(fā)生的多起風(fēng)電場大規(guī)模脫網(wǎng)事故，暴露出目前絕大多數(shù)風(fēng)電場在電網(wǎng)暫態(tài)過程中的不穩(wěn)定性，同時也對動態(tài)無功補償設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和運行管理提出了新的要求。在按照相關(guān)要求進(jìn)行了運行管理、控制策略以及保護(hù)配合等方面的優(yōu)化后，整個酒泉風(fēng)電基地在2011年下半年的運行中，各風(fēng)電場母線電壓明顯有所改善，對避免大規(guī)模脫網(wǎng)事故的發(fā)生有一定的積極作用。

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