風(fēng)電場的主接線、并網(wǎng)和運行方式分析

袁靜蔚

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

南匯地區(qū)地處上海東郊沿海，年平均風(fēng)速高，風(fēng)能密度大，氣候溫和無嚴寒酷暑，濕度適中，灘涂資源十分豐富，為風(fēng)力發(fā)電提供了廉價和廣闊的用地。該地區(qū)地勢平坦，對外交通方便，便于建設(shè)和安裝單機容量較大的風(fēng)電機組，同時也降低了風(fēng)電場的的運輸和安裝成本。上海電網(wǎng)容量大而且技術(shù)先進，有利于風(fēng)電的吸收和利用，非常適合建設(shè)大型風(fēng)電場［1］。

1 風(fēng)電場的主接線方式

南匯風(fēng)電場的電壓等級為35kV，原方案的風(fēng)電場主接線采用2個主變，在3個風(fēng)電場中可靠性和靈活性最高，但是送電損失較大，為此對南匯風(fēng)電場的接線方式進行了調(diào)整，改用“一用一備”方式運行。改造后雖然降低了輸電損失，但是犧牲了風(fēng)電場運行的可靠性和靈活性。臨港新城風(fēng)電場的電壓等級為35kV，風(fēng)電場的主接線只能通過一路出線與大電網(wǎng)相連，在3個風(fēng)電場中最薄弱。東海大橋風(fēng)電場的電壓等級為110kV，運行方式完全發(fā)揮主接線的優(yōu)點，但是采用了線路變壓器組接線，當風(fēng)電場某一出線回路檢修時，只能通過單主變、單出線與大電網(wǎng)相連，限制了風(fēng)電場運行的靈活性。

1.1 南匯風(fēng)電場

南匯風(fēng)電場于2005年1月投運，目前共有11臺風(fēng)電機組，單機額定功率為1.5MW，總?cè)萘繛?6.5MW，采用三相變速恒頻雙饋異步發(fā)電機（DFIG）。送電線路參見圖1。

11臺風(fēng)電機組被分為風(fēng)機一線到風(fēng)機四線，共4組。1—3號風(fēng)電機組為第1組；4，5，8號風(fēng)電機組為第2組；6，7，11號風(fēng)電機組為第3組；9，10號風(fēng)電機組為第4組。風(fēng)電機組的輸出分為兩組，分別與站用變并聯(lián)，通過公用10kV母線接入主變（20MVA），升壓到35kV后由兩路35kV母線通過治風(fēng)3992和治風(fēng)3993線路與大電網(wǎng)相連。35kV母線之間和10kV母線之間都通過分段開關(guān)連接，但前者不設(shè)“自切”裝置，后者設(shè)“自切”裝置，正常運行時處在“自切”狀態(tài)。10kV母線和35kV母線都采用單母分段接線方式，治風(fēng)3992和治風(fēng)3993為架空線—電纜混合線路。

圖1 南匯風(fēng)電場送電線路

2005年6月對送電線路的運行方式進行了調(diào)整。調(diào)整工作把1號主變和線路治風(fēng)3993改成熱備用狀態(tài)，由2號主變承擔(dān)風(fēng)電場輸出電力的全部升壓工作。一旦2號主變發(fā)生故障或者需要停運檢修，通過切換讓1號主變迅速投入運行。由于單臺主變?nèi)萘繛?0MVA，整個風(fēng)電場總發(fā)電容量僅為16.5MW，因此由單臺主變帶全站容量是可行的，而且可以提高主變的負荷率，運行在最佳工況。不過在此運行方式下，如果2號主變發(fā)生故障，風(fēng)電場風(fēng)電機組就會全部解列，必須讓熱備用狀態(tài)的1號主變轉(zhuǎn)入運行后，風(fēng)電機組才能重新并列上網(wǎng)，也就是說運行方式調(diào)整后，系統(tǒng)的可靠性會受到影響。不過，南匯風(fēng)電場的主變故障率很低，風(fēng)電場投運6年多，僅發(fā)生1次主變故障，因此風(fēng)電場因主變故障而解列的風(fēng)險不大。

1.2 臨港新城風(fēng)電場

臨港新城風(fēng)電場建于2010年9月，站內(nèi)共有6臺采用三相變速雙饋異步發(fā)電機的風(fēng)電機組，總?cè)萘繛?3.7MW。其中1號和2號單機額定功率為1.25MW；3號和6號單機額定功率為3.6MW；4號和5號單機額定功率為2MW。

臨港新城風(fēng)電場的輸電線路結(jié)構(gòu)比較簡單，6臺風(fēng)電機組分為兩組，輸出電力經(jīng)過主變升壓后，通過架空線—電纜接入電網(wǎng)。但是這種接線方式一旦開關(guān)和母線發(fā)生故障或者需要檢修，整個風(fēng)電場只能停運，所以可靠性和靈活性較低。至2011年3月，因計劃檢修停役1次。

1.3 東海大橋風(fēng)電場

東海大橋風(fēng)電場于2009年7月投運，站內(nèi)共有34臺三相變速雙饋異步發(fā)電機組，單機額定功率為3MW，總?cè)萘繛?02MW。東海大橋風(fēng)電場的送電線路參見圖2。

圖2 東海大橋風(fēng)電場的送電線路

34臺風(fēng)電機組被分為風(fēng)機一線到風(fēng)機四線，共4組：風(fēng)機一線、風(fēng)機二線與1號站用變并聯(lián)，通過35kV一段母線接入1號主變，經(jīng)過主變升壓到110kV，再通過洋電1567線路并網(wǎng)；風(fēng)機三線、風(fēng)機四線與2號站用變并聯(lián)，通過35kV二段母線接入2號主變，經(jīng)過主變升壓到110kV，再通過洋電1571線路并網(wǎng)。其中洋電1567和洋電1571均為純電纜線路。單臺主變的容量為120MVA，并設(shè)有載調(diào)壓開關(guān)。35kV一段與二段母線通過分段開關(guān)連接，35kV分段開關(guān)正常運行時為熱備用，投入“自切”裝置。1號和2號主變均設(shè)有載調(diào)壓裝置，正常運行時投入“自動”。當110kV一個回路停役時，單主變帶全站容量是可行的。

在設(shè)計初期，考慮到單主變能帶全站容量，綜合其他因素，節(jié)約投資，采用了線路變壓器組接線方式。不過這種方式雖然接線簡單、設(shè)備少、投資省，但是由于線路和變壓器被“綁定”運行，在線路檢修時變壓器必須停運，反之變壓器檢修時要停運線路。當單主變單線路帶全站負荷時，只要線路、主變、主變對應(yīng)的35kV母線有一個故障，就會導(dǎo)致風(fēng)電場全面停運，因此可靠性和靈活性較差。

2 并網(wǎng)的低壓側(cè)運行方式

隨著風(fēng)電機組單機容量的增大，風(fēng)電機組在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也增加，這種沖擊不僅可能造成電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的大幅度下降，還可能造成發(fā)電機和機械部件（塔架、槳葉、增速器等）的損壞。如果并網(wǎng)沖擊時間持續(xù)過長，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機組的正常運行。因此，采用合理的并網(wǎng)技術(shù)是一個不容忽視的問題。

南匯地區(qū)3個風(fēng)電場均使用雙饋異步感應(yīng)風(fēng)電機組，風(fēng)電機組并網(wǎng)和解列都通過變頻器控制單元，實時自動監(jiān)控風(fēng)電機組溫度、電壓、電流、功率及電網(wǎng)參數(shù)等。如果電壓和頻率超過或低于事先設(shè)定的極限值，風(fēng)電機組變頻器保護動作，斷開電網(wǎng)連接。反之，當風(fēng)電機組達到并網(wǎng)的條件，即會自動合上風(fēng)電機組開關(guān)，同期并網(wǎng)。在風(fēng)電場正常停役、復(fù)役操作、事故處理等情況下，都會涉及到風(fēng)電機組的切出、投入問題。

2.1 自切投入

采用35kV南匯風(fēng)電場初期采用的低壓側(cè)運行方式或110kV東海大橋風(fēng)電場低壓側(cè)運行方式，當某一段低壓母線因出線或者主變永久性故障失電后，經(jīng)過一定延時后低壓分段都會采取自切保護動作，合上分段開關(guān)，跳開失電母線電源開關(guān)。但是，由于低壓母線曾失電，風(fēng)電機組已經(jīng)解列（自切動作時間遠大于風(fēng)電機組低電壓跳閘時間），分段合上后只是對失電母線恢復(fù)供電。

根據(jù)風(fēng)電場現(xiàn)場運行規(guī)程，當電網(wǎng)發(fā)生系統(tǒng)故障造成斷電或線路開關(guān)跳閘時，運行人員應(yīng)檢查線路斷電或跳閘原因（若逢夜間應(yīng)首先恢復(fù)主控室用電），必須待系統(tǒng)恢復(fù)正常才能重新啟動機組并通過計算機并網(wǎng)。因此，風(fēng)電場的運行一般不會在失電母線恢復(fù)供電后立即通過IGBT控制讓風(fēng)電機組自動并網(wǎng)，而是由現(xiàn)場運行人員手動啟動風(fēng)電機組并網(wǎng)，實踐中目前風(fēng)電場的低壓側(cè)的自切功能并沒有發(fā)揮很大的作用。

2.2 并列和解列

對于南匯風(fēng)電場初期運行方式和東海大橋風(fēng)電場運行方式來說，當風(fēng)電場某臺主變或者某回高壓側(cè)出線需要檢修時，都需要在風(fēng)電場低壓側(cè)進行并列或者解列操作（簡稱并解列操作），由于低壓側(cè)兩段母線電壓、頻率等值均不盡相同，無法滿足風(fēng)電機組同期并網(wǎng)條件，會使正常的并解列操作步驟變得很復(fù)雜。其中“分段改運行”操作是把某臺（1號或者2號）主變的低壓側(cè)開關(guān)改為熱備用，要求風(fēng)電機組必須先行解列，同時停用自切裝置，然后合低壓側(cè)分段開關(guān)。拉開該主變低壓側(cè)開關(guān)，才能讓風(fēng)電機組再行并網(wǎng)?！胺侄胃臒醾溆谩辈僮魇前涯撑_主變的低壓側(cè)開關(guān)改為運行，要求風(fēng)電機組必須先行解列，然后合上該主變的低壓側(cè)開關(guān)，同時拉開低壓側(cè)分段開關(guān)，最后投入自切裝置，才能讓風(fēng)電機組再行并網(wǎng)。由于風(fēng)電機組并網(wǎng)要求，目前的操作方式必須在風(fēng)電機組停役后進行并解列，并在并解列結(jié)束后重新投入風(fēng)電機組，增加了很多操作步驟，不利于風(fēng)電場運行方式的快速調(diào)整。

從運行角度而言，如果能在分段開關(guān)、主變低壓側(cè)開關(guān)上裝設(shè)同期裝置，那在風(fēng)電場低壓側(cè)單母分段并解列操作時，就不會引起風(fēng)電機組解列，可以有效簡化操作步驟。

3 風(fēng)電機組的低電壓穿越

變速恒頻雙饋異步發(fā)電機（DFIG）在結(jié)構(gòu)上不能分離與電網(wǎng)之間的聯(lián)系，導(dǎo)致機組對電網(wǎng)故障非常敏感，而且在故障情況下小功率變頻器對DFIG的控制能力也受到限制。隨著DFIG風(fēng)電機組在電力系統(tǒng)中所占容量的快速提高，發(fā)電機與局部電網(wǎng)之間的相互影響也越來越大，必須將風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)作為一個整體來實施運行控制。為此，電力公司及電網(wǎng)運營商紛紛提出了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)規(guī)范，并且從維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的角度出發(fā)，要求風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓跌落時能夠保持不脫網(wǎng)運行，即要求DFIG風(fēng)電機組具備低電壓穿越（LVRT）能力。

南匯地區(qū)3個風(fēng)電場均采用DFIG，由于結(jié)構(gòu)上的局限，對電網(wǎng)故障非常敏感，而且變頻器的控制能力也有限。35kV南匯風(fēng)電場投運近7年，因主變和35kV出線故障導(dǎo)致解列只有2次，但因電網(wǎng)電壓波動造成風(fēng)電機組解列事故多達數(shù)十次。35kV臨港新城風(fēng)電場由于投運時間尚短，至今還沒發(fā)生因低電壓穿越造成的風(fēng)電機組解列事故。110kV東海大橋風(fēng)電場由于所處電壓等級較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性要比35kV系統(tǒng)可靠，尚未發(fā)生低電壓穿越故障。

4 結(jié)語

分析南匯地區(qū)3個風(fēng)電場的運行方式，可以得出以下結(jié)論。

1）35kV南匯風(fēng)電場于2005年投運，為了減低線損而改變運行方式，由單主變帶全站負荷，降低了風(fēng)電場的運行可靠性和靈活性；110kV東海大橋風(fēng)電場和35kV臨港風(fēng)電場投運時間不長，雖然主接線可靠性和靈活性欠佳，但由于風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展和成熟，低電壓穿越等風(fēng)電場常見故障尚未發(fā)生。

2）由于異步風(fēng)電機組并網(wǎng)的要求，南匯風(fēng)電場和東海大橋風(fēng)電場低壓側(cè)單母分段運行方式，無論在正?；蛘呤鹿是闆r下進行并解列操作都需要先行解列某段母線上的所有風(fēng)電機組，增加了操作時間。設(shè)想在主變低壓開關(guān)和分段開關(guān)上裝設(shè)同期裝置，以達到風(fēng)電機組不解列而進行主變低壓側(cè)并解列操作，但其可行性尚待風(fēng)電場二期改造時同步試驗。

3）風(fēng)力發(fā)電機從電網(wǎng)吸收無功，相當于電網(wǎng)的一個無功負荷，而無功功率是影響電網(wǎng)電壓的主要因素。南匯地區(qū)3個風(fēng)電場雖然屬于兆瓦級甚至是百兆瓦級的中大型風(fēng)電場，但與南匯電網(wǎng)而言風(fēng)電場的容量很小，因此即便當風(fēng)力發(fā)電機的機端電壓下降導(dǎo)致風(fēng)電機組需要從電網(wǎng)中吸收更多的無功，對整個電網(wǎng)影響也不會很大，反倒是風(fēng)電場受電網(wǎng)故障影響較大，風(fēng)電機組因低電壓穿越問題已經(jīng)造成風(fēng)電機組多次解列。對于變速恒頻雙饋異步發(fā)電機雖然有多種控制低電壓穿越的方法，但都有一定局限性。

目前，35kV南匯風(fēng)電場正在對治風(fēng)3993回路進行柔性直流輸電技術(shù)改造，以后風(fēng)電場通過一回柔性直流輸電線路，一回交流線路，同時與系統(tǒng)并列運行，可為風(fēng)電場并網(wǎng)、孤島供電、交直流電網(wǎng)并列運行提供技術(shù)支撐和運行經(jīng)驗。

［1］法德超、池釗偉，上海地區(qū)開發(fā)風(fēng)力發(fā)電的必要性和南匯風(fēng)力發(fā)電示范場場址選擇［J］，風(fēng)力發(fā)電，2007（03）：25－28.