大規(guī)模集中接入條件下風(fēng)電涉網(wǎng)特性分析

顏力翔， 張小奇

（1.南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，江蘇南京 210044；2.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安 710048）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，全球能源需求量與日俱增，風(fēng)電以其清潔高效、資源豐富、成本低廉等特點(diǎn)從諸多新能源中脫穎而出。但具備規(guī)?；_發(fā)的大型風(fēng)電基地通常處于電網(wǎng)末端，風(fēng)電資源與負(fù)荷中心呈逆向分布，往往要通過遠(yuǎn)距離、高電壓等級(jí)輸送[1]，由此帶來一系列安全穩(wěn)定問題，2011年幾次大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故已始見端倪，因此大規(guī)模集中接入條件下風(fēng)電的涉網(wǎng)特性值得關(guān)注和研究。

本文分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理，并基于simulink仿真工具，搭建了大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)的模型，分析了電網(wǎng)短路故障下風(fēng)電的運(yùn)行特性及風(fēng)險(xiǎn)，并提出了相關(guān)解決措施。仿真表明，本文提出的解決措施可以為大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)運(yùn)行提供借鑒。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本原理

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（Doubly Fed Wind Thrbine Generator，DFIG）是目前應(yīng)用最為普遍的現(xiàn)代變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。其定子繞組與電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子通過交-直-交變頻器與電網(wǎng)相連，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功、無功的解耦控制，同時(shí)通過槳距角控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變速恒頻運(yùn)行[2]，雙饋風(fēng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理示意圖Fig.1 Operating principle of the DFIG

如圖1所示，風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，因此大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)子以非同步速在運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電流的頻率不斷調(diào)整，追蹤轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化，使得電樞合成磁場(chǎng)為同步速，因此定子感應(yīng)電流為工頻交流。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步速時(shí)，轉(zhuǎn)子吸收小部分電網(wǎng)能量，定子向電網(wǎng)輸出電能；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)饋電。轉(zhuǎn)子通過變頻器接到電網(wǎng)，通過交直交模塊（AC-DC-AC）對(duì)勵(lì)磁電流的頻率、幅值、相位進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率、以及機(jī)組無功和有功。變頻器的容量一般為機(jī)組額定容量的30%以下，機(jī)側(cè)變頻器的作用是調(diào)節(jié)機(jī)組的發(fā)電頻率、有功及無功，網(wǎng)側(cè)變頻器的作用是調(diào)節(jié)直流母線電壓在允許范圍內(nèi)，同時(shí)也可以在故障情況下向電網(wǎng)提供無功電流的支撐。

2 仿真模型設(shè)置

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

如圖2所示，地區(qū)電網(wǎng)和主網(wǎng)通過220 kV線路聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，集中接入的風(fēng)電通過220 kV/35 kV升壓變接入聯(lián)網(wǎng)通道。風(fēng)電基地包含4座風(fēng)電場(chǎng)，每座容量為200 MW，風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓為575 V，風(fēng)電場(chǎng)采用固定電容補(bǔ)償，風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)至升壓變主變低壓側(cè)為“△”形接線，即中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。

圖2 仿真模型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The simulation of power gird

2.2 初始方式

風(fēng)電機(jī)組恒功率因數(shù)為1運(yùn)行，既不發(fā)出無功，也不吸收無功；風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，其低電壓保護(hù)為0.9 pu、100 ms，過電壓保護(hù)為1.1 pu，100 ms；無功補(bǔ)償額定容量為250 Mvar，為恒電壓運(yùn)行方式。事故前地區(qū)電網(wǎng)為送端電網(wǎng)，主網(wǎng)受入，風(fēng)電基地為西電東送方式，風(fēng)電場(chǎng)出力為800 MW，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置滿出力。

2.3 故障設(shè)置

風(fēng)電場(chǎng)35 kV集電線路近匯集母線側(cè)發(fā)生三相短路故障，持續(xù)100 ms后，線路保護(hù)動(dòng)作將故障切除。按照國(guó)標(biāo)GB/T19963《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，本文定義風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)為升壓變的高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)，仿真工具采用simulink平臺(tái)。

2.4 風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

1）額定功率/MVA：Sn=200

2）額定電壓/V：Un=575

3）定子電阻及漏抗/pu:Rs=0.00706，Lls=0.171

4）轉(zhuǎn)子電阻及漏抗/pu:Rr′=0.005，Llr′=0.156

5）變頻器容量/pu：α=0.5

6）直流母線電容/F：C=6*10000e-6

7）直流母線額定電壓/V：Vdc=1200

8）最大槳距角/（°）：pitch_angle=50

9）槳距角控制增益：Kp=100

10）額定風(fēng)速/（m/s）：Vc=12

3 涉網(wǎng)特性分析

3.1 功角特性

為研究風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后的功角特性，我們采用同樣容量的火電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)的同一位置來對(duì)比分析。

圖3 火電機(jī)組接入后并網(wǎng)點(diǎn)功角曲線（pu,度）Fig.3 Voltage and rotor angle curves after thermal power units interconnected to the grid

圖4 雙饋風(fēng)機(jī)接入后并網(wǎng)點(diǎn)電壓及功角曲線（pu,度）Fig.4 Voltage and rotor angle curves after DFID interconnected to the grid

由圖3和圖4可見，常規(guī)機(jī)組接入情況下，電網(wǎng)故障過程中并網(wǎng)點(diǎn)電壓約3 s內(nèi)恢復(fù)到故障前水平，而功角在7 s內(nèi)衰減至新的穩(wěn)定值，相比故障前，功角增大了5°。接入雙饋風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)情況下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓和功角均在0.5 s內(nèi)恢復(fù)到故障前水平，功角相比故障前增大了5°。這是因?yàn)殡p饋機(jī)組在電網(wǎng)故障情況下，由于變頻器的快速調(diào)節(jié)，迅速追蹤電網(wǎng)電壓相位并實(shí)現(xiàn)鎖相運(yùn)行，減少了功角振蕩的時(shí)間，因而功角穩(wěn)定問題不突出，也可以認(rèn)為雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行不受功角穩(wěn)定的制約。

3.2 功率及機(jī)械量特性

圖5 故障期間雙饋風(fēng)機(jī)有功、無功、轉(zhuǎn)速及槳距角的變化曲線（pu）Fig.5 Real and reactive power，rotor speed and pitch angle of the DFIG power plant during the fault

假設(shè)風(fēng)機(jī)具備低電壓穿越能力（Low Voltage Ride-Through，LVRT），但故障情況下不提供無功支撐，則由圖5可見，風(fēng)電機(jī)組的電氣量和機(jī)械量在故障期間具有如下特性：回槳避免低電壓后的轉(zhuǎn)速飛逸，確保機(jī)組安全運(yùn)行，而在電壓恢復(fù)后，風(fēng)機(jī)控制根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速給定風(fēng)機(jī)力矩，因此風(fēng)機(jī)按照較高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的有功指令增發(fā)出力，在原動(dòng)機(jī)功率未變化的情況下，風(fēng)機(jī)消耗了葉輪中儲(chǔ)存的動(dòng)能維持較高的扭矩，隨著葉輪速度的回落，主控發(fā)出扭矩指令亦減小，風(fēng)機(jī)輸出有功功率也減小。

②無功特性。不考慮風(fēng)機(jī)crowbar電阻的作用，在電網(wǎng)低電壓突變瞬態(tài)（系統(tǒng)電壓降低或恢復(fù)的瞬間）由于磁鏈不能突變，從而在定子側(cè)感應(yīng)出直流分量電流，該電流與穩(wěn)態(tài)短路后的交流分量疊加，使定子輸出電流波形發(fā)生畸變，從而造成雙饋風(fēng)機(jī)瞬態(tài)與電網(wǎng)的無功交換。由仿真曲線可見，故障恢復(fù)瞬間，機(jī)組吸收了接近1 pu的無功功率，若集中接入的風(fēng)機(jī)規(guī)模較大，且故障特性的同時(shí)率較高，則低電壓穿越過程中風(fēng)機(jī)吸收的無功功率可能惡化電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定條件。

③機(jī)械特性。系統(tǒng)電壓降低時(shí)，風(fēng)機(jī)機(jī)械力矩與電磁力矩的不平衡導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速飛升，風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)開始動(dòng)作，迅速增大槳距角，抑制轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下降后，槳距角調(diào)整至正常運(yùn)行水平。

3.3 電壓特性

故障導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低，部分風(fēng)電機(jī)組不具備LVRT能力將發(fā)生脫網(wǎng)，但由于電容器組仍然掛網(wǎng)運(yùn)行，且風(fēng)電送出的220 kV線路潮流變輕，整個(gè)局部系統(tǒng)的無功過剩，電網(wǎng)電壓飆升，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過其過壓保護(hù)限值，低電壓期間未脫網(wǎng)的機(jī)組將在高電壓時(shí)發(fā)生脫網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓進(jìn)一步升高，從而形成惡性循環(huán)。

本文仿真中設(shè)置了4臺(tái)風(fēng)機(jī)，假設(shè)2臺(tái)風(fēng)機(jī)低電壓脫網(wǎng)，一臺(tái)風(fēng)機(jī)高電壓脫網(wǎng)，如圖6所示，上半部分為電壓曲線，下半部分為風(fēng)電場(chǎng)出力曲線。仿真開始階段系統(tǒng)電壓為1 pu，風(fēng)電場(chǎng)出力為800 MW，均為正常運(yùn)行方式，1.1 s電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障后，系統(tǒng)電壓跌落至約0.17 pu，1.2 s后風(fēng)機(jī)欠壓保護(hù)觸發(fā)，400 MW容量脫網(wǎng)，隨后故障切除，風(fēng)電場(chǎng)有功出力短時(shí)穩(wěn)定至400 MW。由于兩臺(tái)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于1.1 pu的設(shè)定值，機(jī)組高電壓保護(hù)動(dòng)作，又導(dǎo)致200 MW風(fēng)電脫網(wǎng)，第1.6 s切除一組電容補(bǔ)償支路，并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)至1.05 pu，事故結(jié)束，剩余一座風(fēng)電場(chǎng)再未發(fā)生脫網(wǎng)。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓及上網(wǎng)有功曲線Fig.6 The voltage at the connecting point and activepower curve of the wind farm

為了明顯看出風(fēng)機(jī)的出力變化和保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文對(duì)風(fēng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作的電平進(jìn)行了標(biāo)示，綠色代表低電壓保護(hù)電平，紅色代表高電壓保護(hù)電平。圖7為實(shí)際事故中PMU錄波曲線，對(duì)比可見，本文仿真結(jié)果符合實(shí)際情況。

圖7 實(shí)際事故中風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓及有功PMU曲線Fig.7 The voltage and active power curve of the wind farm captured by PMU in accident

4 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 低電壓脫網(wǎng)分析

由于大規(guī)模風(fēng)電集中接入弱系統(tǒng)，電網(wǎng)短路容量較小，故障導(dǎo)致的電壓跌落程度較深，風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力將發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)，這也是制約風(fēng)電并網(wǎng)和發(fā)展的根本原因，圖8為國(guó)標(biāo)GB/T19963《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》所要求的風(fēng)電機(jī)組LVRT運(yùn)行曲線，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在紅色曲線以上時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保持并網(wǎng)運(yùn)行，并提供一定的無功支撐。

4.2 高電壓脫網(wǎng)分析

圖8 風(fēng)電場(chǎng)LVRT標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.8 The standard LVRT curve of the wind turbine

由于目前國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)普遍不具備無功調(diào)節(jié)能力，風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償設(shè)備在風(fēng)電大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)作為其無功電源支撐，當(dāng)風(fēng)機(jī)低電壓脫網(wǎng)后，電容器組繼續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行，向系統(tǒng)注入大量無功，加之系統(tǒng)潮流減輕造成的無功富裕，造成電壓飆升，而采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的情況下，因?yàn)槠淇烧{(diào)支路（TCR/MCR/SVG）容量往往較小，對(duì)過電壓調(diào)節(jié)能力不足，加之其響應(yīng)速度也難以保證，因此現(xiàn)階段限制過電壓效果并不理想。若開放風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)能力，則一方面部分機(jī)組低電壓脫網(wǎng)后，其無功出力也被帶走，另一方面可減少正常運(yùn)行時(shí)投入電容器組的數(shù)量，抑制電網(wǎng)電壓的上升。

5 解決措施

5.1 風(fēng)電機(jī)組LVRT改造

電網(wǎng)電壓跌落會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)變頻器直流母線升高，從而損壞電力電子設(shè)備[3]，本文采用串聯(lián)電阻（Series Dynamic Braking Resistors，SDBR）及風(fēng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)LVRT，即在電網(wǎng)故障情況下，風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變頻器增發(fā)無功電流，對(duì)電網(wǎng)提供無功支撐，同時(shí)投入SDBR，利用流經(jīng)該電阻的短路電流，抬升機(jī)端電壓。圖9為采用含SDBR的風(fēng)電場(chǎng)等值電路圖，通過風(fēng)機(jī)提供的短路電流在SDBR上產(chǎn)生的壓升，提高風(fēng)機(jī)端電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LVRT。圖10為SDBR在simulink軟件中的實(shí)現(xiàn)，即通過脈沖控制斷路器的開合，來進(jìn)行串聯(lián)電阻的投切，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.9 pu及以下且持續(xù)20 ms，同時(shí)風(fēng)機(jī)直流母線電壓升高至1.1pu且持續(xù)20ms后觸發(fā)脈沖，投入SDBR。

圖11為電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，LVRT實(shí)現(xiàn)前后機(jī)端電壓對(duì)比曲線，實(shí)現(xiàn)LVRT后機(jī)端電壓提升至約0.8 pu；圖12為變頻器直流母線電壓對(duì)比曲線，實(shí)現(xiàn)LVRT后，直流母線電壓升高幅值及持續(xù)時(shí)間均大為減少；圖13為L(zhǎng)VRT實(shí)現(xiàn)后網(wǎng)側(cè)風(fēng)機(jī)無功電流曲線，電網(wǎng)及風(fēng)機(jī)電壓降低期間，網(wǎng)側(cè)變頻器提供了無功電流的支撐。可見實(shí)現(xiàn)LVRT對(duì)降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

圖9 SDBR實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的電路圖Fig.9 Circuit for SDBR to realize LVRT

圖10SDBR模塊設(shè)計(jì)Fig.10 Interface of SDBR

圖11 低電壓穿越實(shí)現(xiàn)前后機(jī)端電壓對(duì)比曲線Fig.11 Comparisons of stator voltage before and after LVRT

圖12 低電壓穿越實(shí)現(xiàn)前后直流母線電壓對(duì)比曲線Fig.12 Comparisons of DC-BUS voltage before and after LVRT

5.2 開放風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)能力

圖14為本文仿真模型中不同有功及功率因數(shù)下風(fēng)電場(chǎng)無功出力，圖15為不同功率因數(shù)下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在事故過程中的變化曲線，可見，開放風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)能力即減小單機(jī)功率因數(shù)，可有效抑制脫網(wǎng)后的過壓程度。

圖13 并網(wǎng)點(diǎn)電壓及網(wǎng)側(cè)變頻器勵(lì)磁電流仿真曲線Fig.13 Grid voltage and reactive current of gird side converter

圖15 不同功率因數(shù)下風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化曲線Fig.15 Curve of voltage changes at the connecting point of the wind farm under different powers and power factors

6 結(jié)論

本文通過搭建仿真模型，分析了大規(guī)模集中接入條件下風(fēng)電場(chǎng)的涉網(wǎng)特性及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，主要結(jié)論如下：

1）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)無功角穩(wěn)定問題，僅受電壓穩(wěn)定約束；

2）風(fēng)電機(jī)組LVRT能力缺失是導(dǎo)致脫網(wǎng)事故頻發(fā)的根本原因，本文利用并網(wǎng)點(diǎn)電壓及風(fēng)機(jī)直流母線電壓越限實(shí)現(xiàn)LVRT是可滿足電網(wǎng)運(yùn)行需要；

3）風(fēng)電機(jī)組抗高壓擾動(dòng)能力不足是低電壓脫網(wǎng)后發(fā)生過壓連鎖反應(yīng)的主要原因，本文提出的開放風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)能力對(duì)解決高壓脫網(wǎng)行之有效。

此外，合理的源網(wǎng)規(guī)劃，如補(bǔ)強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)近區(qū)常規(guī)電源的支撐，發(fā)展高耗能等就地負(fù)荷，降低風(fēng)電并網(wǎng)集中度等也對(duì)大型風(fēng)電基地的安全穩(wěn)定運(yùn)行也具有積極的意義。

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