考慮抑制DFIG機群脫網(wǎng)的風電場無功補償配置新方法

馬瑞，王柯懿，吳剛

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙市 410076；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，長沙市 410008；3.國家電網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春市 130021)

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考慮抑制DFIG機群脫網(wǎng)的風電場無功補償配置新方法

馬瑞1，王柯懿2，吳剛3

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙市 410076；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，長沙市 410008；3.國家電網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春市 130021)

隨著大規(guī)模風電并網(wǎng)，電網(wǎng)故障情況下風電機群連鎖脫網(wǎng)事故嚴重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。為此，從抑制DFIG機群脫網(wǎng)的角度，提出了一種考慮抑制雙饋異步風力發(fā)電機(doubly-fed induction generator，DFIG)機群脫網(wǎng)的風電場無功補償配置新方法。該方法首先以風電場為中心進行無功平衡初步分析，通過無功需求和有功傳輸之間的定量關系，確定風電場所需要配置的低壓電抗器組和低壓電容器組容量。然后通過不同負荷方式下風電出力波動和線路N-1運行時的風電場母線電壓無功分析，校核初步配置方案對系統(tǒng)靜態(tài)安全的適應能力。最后，在分析電網(wǎng)故障情況下DFIG機群無功需求特征基礎上，通過加入一定容量的靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)來抑制機群脫網(wǎng)，從而使無功補償方案能滿足系統(tǒng)安全運行的要求。該方法已應用到了某省網(wǎng)大容量風電接入220 kV的無功配置專題研究中，在經(jīng)濟和技術上是可行的和有效的。

無功補償; 風電場; 電網(wǎng)故障; 電容器組;STATCOM

0 引 言

目前，風電場無功補償?shù)呐渲靡话愀鶕?jù)風電場設計標準來進行粗略地估算，極少考慮到無功需求和有功傳輸之間的定量關系[1]，而對電網(wǎng)故障情況下配置方案是否能夠滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求，一般未充分考慮。電網(wǎng)故障情況下，風電機組向系統(tǒng)吸收大量無功[2]，若此時的無功配置無法滿足系統(tǒng)需求，最終可能導致風場機組因電壓瞬時跌落而群體脫網(wǎng)，從而威脅整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，因此，亟需對電網(wǎng)故障情況下風電場的無功補償配置是否滿足運行要求進行研究。

雙饋異步風力發(fā)電機(doubly-fed induction generator，DFIG)以其調(diào)速范圍廣和有功功率和無功功率控制解耦等優(yōu)勢成為主流風電機。通過對DFIG機組連鎖脫網(wǎng)事故[3-5]的典型過程分析發(fā)現(xiàn)，在因DFIG撬棒保護動作導致的異常脫網(wǎng)事故中，機組脫網(wǎng)前存在短時鼠籠異步運行狀態(tài)而向系統(tǒng)吸收大量無功，導致局部電壓降低，進而引起相鄰機組低電壓保護動作停機，該過程可能呈雪崩式發(fā)展，即使停機前電網(wǎng)電壓可能處于較高水平，最終仍會導致全場所有機組因電壓瞬時跌落而脫網(wǎng)。這就要求風力發(fā)電系統(tǒng)具有較強的低電壓穿越能力[6-11]，同時也應充分考慮抑制機群脫網(wǎng)的動態(tài)無功支持。

學者對風電場的無功補償配置進行了相關研究[12-15]。如應用并聯(lián)電容器組加靜止無功補償器(static var compensator，SVC)對風電場進行聯(lián)合無功補償策略[12]、在風電場不同類型的無功需求基礎上制定了風電場的靜態(tài)和動態(tài)無功補償?shù)娜萘颗渲煤蛢?yōu)化配合運行方法[13]、利用鼠籠機與雙饋風機的容量比和臨界容量的關系來確定無功補償裝置的容量[14]，研究了機會約束規(guī)劃的無功補償度模型[15]，但從抑制風電機群脫網(wǎng)角度對風電場無功補償配置進行研究的尚未見報道，且風機的不脫網(wǎng)運行研究方面則多為電氣量控制策略[16-19]。

針對抑制DFIG機群脫網(wǎng)風電場無功配置問題，本文首先通過有功傳輸和無功需求之間的對應關系計算出初步的低壓無功補償裝置容量。其次，在不同負荷方式下，通過考慮風電出力波動的風電場N-1校核來驗證初步配置方案適應風電場不同運行方式和靜態(tài)安全的能力。最后，在電網(wǎng)故障情況下觀察風電場的無功缺額變化情況，在已有的無功補償裝置基礎上加入一定容量的靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)來抑制機群脫網(wǎng)。從而提出一種考慮抑制機群脫網(wǎng)的風電場無功補償配置新方法。

1 考慮抑制DFIG機群脫網(wǎng)的風電場無功補償配置方法

1.1 風電場無功補償容量初步分析

在設計階段，有功潮流比較確定，而無功潮流的不確定性卻相對較大，為了簡化計算，假設線路和變壓器的容性無功損耗均為流經(jīng)元件有功潮流的平方乘以元件電抗(均為標幺值)，隱含元件的功率因數(shù)為1。

根據(jù)上述假設，無功需求在工程上可采用下述公式近似，即

(1)

(2)

因此，在相應的潮流方式下，通過計算無功平衡可得需補償?shù)娜菪詿o功為

Qr=(Qdemand.out+Qdemand.t)-Qc,t

(3)

感性無功需求在工程上可采用下述公式近似，即

(4)

風電場主要的感性無功補償是低壓電抗補償，但補償容量受主變壓器容量限制。因此，在相應的潮流方式下，通過計算無功平衡可得需要補償?shù)母行詿o功為

Qg=Qdemand.out-Ql,t

(5)

式中Ql,t為風電場已裝設感性無功補償。

1.2 不同負荷方式下考慮風電出力波動的風電場無功補償N-1校核

風電場無功補償N-1校核是為了檢驗初步配置方案對風電場不同運行方式下靜態(tài)安全的適應能力。對不同負荷方式下(最大負荷和最小負荷方式)網(wǎng)內(nèi)主要線路進行N-1運行，同時從0到90%的比例逐步改變風電出力，觀察風電場無功電壓的變化情況，判斷所配置的低壓無功補償裝置是否能滿足系統(tǒng)靜態(tài)安全運行；若不能滿足，應該重新考慮補償方案，在N-1狀態(tài)下再次進行有功潮流計算，得到N-1狀態(tài)下相應的風電場感性、容性無功需求，適當調(diào)整低壓無功補償裝置的容量。

1.3 電網(wǎng)故障情況下考慮抑制機群脫網(wǎng)的風電場無功分析

1.3.1 對稱故障下的DFIG無功分析

在以同步角速度w1旋轉的dq坐標系中DFIG磁鏈方程為

(6)

式中：ψs、ψr分別為定、轉子磁鏈矢量；Is、Ir分別為定、轉子繞組中電流矢量[20]；Ls和Lr分別是定子和轉子的總的自感系數(shù)。

電壓方程為

(7)

式中：Us、Ur分別為定、轉子端電壓矢量；w1是同步轉速；wr是轉子角速度；Rr和Rs分別是定子和轉子電阻。

若不考慮因磁場變化引起而向電網(wǎng)輸出的無功，則DFIG從電網(wǎng)吸收的無功功率為

(8)

1.3.2 不對稱故障下的DFIG無功分析

定義正轉同步速旋轉dq+坐標系以w1逆時針旋轉。則正轉同步速旋轉坐標系中分別由正、負序分量表示的DFIG定轉子電壓、磁鏈方程及DFIG從電網(wǎng)吸收的無功功率為

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：上標的“+”表示正轉同步速旋轉坐標系，下標的“dq+、dq-”分別表示正、反轉同步旋轉坐標系[21]。

DFIG定子從電網(wǎng)吸收無功功率為

(14)

上述針對電網(wǎng)故障時DFIG產(chǎn)生的瞬時無功缺額易導致機端電壓持續(xù)下降，進而造成連鎖脫網(wǎng)事故的發(fā)生。因此，在連續(xù)無功補償適應系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和靜態(tài)安全基礎上，通過對風電場低壓母線設置不同類型的短路故障，確定是否加入相應容量動態(tài)無功補償裝置STATCOM來改善補償效果，從而抑制DFIG機群脫網(wǎng)。

1.3.3 STATCOM對機群脫網(wǎng)的抑制作用

STATCOM作為動態(tài)無功補償設備，可實現(xiàn)對無功的快速補償和對電壓的平滑調(diào)整。圖1為STATCOM工作原理的等效電路圖。

圖1 STATCOM工作原理的等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of STATCOM working principle

經(jīng)計算，STATCOM可以提供的無功為

(15)

由此可以看出，使用STATCOM來快速補充風機發(fā)生故障時的無功缺額并且平滑地調(diào)整電壓，可以有效抑制機端電壓持續(xù)下降導致的連鎖脫網(wǎng)。

2 考慮抑制DFIG機群脫網(wǎng)的風電場無功補償配置步驟

(1)計算風電場的出線以及風電場主變壓器的有功潮流。

(2)根據(jù)有功潮流和無功潮流的定量關系計算感性、容性無功需求。

(3)根據(jù)無功初步分析配置一定容量的低壓電容器組和低壓電抗器組。

(4)在不同負荷方式下，改變風電出力，對風電場主要線路進行N-1運行，觀察風電場無功電壓。

(5)判斷已配置的低壓無功補償裝置是否可以滿足N-1運行時的靜態(tài)安全運行要求，若不能滿足，計算N-1狀態(tài)下的風電場出線以及風電場主變壓器的有功潮流，再進行步驟(2)。

(6)對風電場內(nèi)的低壓母線進行短路故障設置，觀察系統(tǒng)無功缺額的變化，在不滿足機組無功缺額時配置一定容量的STATCOM。

3 工程實例分析

EQ地區(qū)的A風電基地的主導風向與主風能方向一致，年有效風速利用小時數(shù)達8 000 h，風能資源較為豐富，具備開發(fā)百萬千瓦級風電基地的條件。A風電基地建有8座風電場(BQH、JH1、JH2、YHT1、TPZ、YHT2、WLJ、XJJ)。從地理位置上來看，BQH、JH1、JH2、WLJ、XJJ風電場位于A地區(qū)北部；YHT1、YHT2、TPZ風電場位于A地區(qū)西北部。圖2為A風電基地地理接線圖。

圖2 A風電基地地理接線圖Fig.2 Geographical connection diagram of A wind power base

3.1 風電場無功補償容量的初步分析

A—BQH線路長為18 km；A—JH1線路長為22 km；A—JH2線路長為31 km；A—WLJ線路長為68 km；A—XJJ線路長為30 km；A—YHT1線路長為35 km；A—YHT2線路長為27 km；A—TPZ線路長為34 km，線路導線型號都為LGJ-400。利用電力系統(tǒng)仿真軟件BPA，對風電場無功補償容量進行初步分析后可得各風電場無功補償容量，如表1所示。

表1 接入A風電匯集站各風電場低壓無功補償配置容量

Table 1 Low-voltage reactive power compensation configuration capacity of each wind farm connected to A wind power base

3.2 不同負荷方式下考慮風電出力波動的風電場無功補償N-1校核

以JH1風電場為例進行說明，該風電場的感性、容性無功補償容量按表1進行配置。A—JH1線路受風電場出力影響比較大，對A—JH1線路進行N-1校核，未發(fā)現(xiàn)該線路出現(xiàn)過載情況，相關母線的電壓水平稍受影響，但未越限，已有的無功補償設備能夠滿足系統(tǒng)靜態(tài)安全運行的要求。

以YHT1風電場為例進行說明，該風電場的感性、容性無功補償容量按表1進行配置。A—YHT1線路受風電場出力影響比較大，對A—YHT1線路進行N-1校核，發(fā)現(xiàn)線路過載，無功缺額較大，初步分析時所得出的低壓無功補償裝置容量無法滿足無功需求。在此情況下，對N-1狀態(tài)下的有功潮流重新進行計算，得到N-1狀態(tài)下相應的無功缺額，調(diào)整低壓無功補償裝置的容量，調(diào)整后的結果如表2所示。

表2 YHT1風電場低壓無功補償配置容量

Table 2 Low-voltage reactive power compensation configuration capacity of YHT1 wind farm

3.3 抑制機群脫網(wǎng)的風電場無功分析

在電力系統(tǒng)仿真軟件BPA中，模擬JH1風電場風電大發(fā)時期某風機低壓母線發(fā)生單相接地短路和三相短路。觀察在35 kV處是否裝設STATCOM的有功、無功、電壓情況,仿真結果如圖3、4所示。

圖3 發(fā)生單相接地短路故障， B35 kV總線的 有功、無功及電壓情況Fig.3 Active power, reactive power and voltage of B35 kV Bus under single-phase grounding fault

圖4 發(fā)生三相短路，B35 kV總線的有功、無功及電壓情況Fig.4 Active power, reactive power and voltage of B35 kV Bus under three-phase ground short-circuit fault

由圖3、4可知：不同短路故障情況下，在風電場已經(jīng)裝設了一定容量的低壓無功補償裝置的基礎上，STATCOM可以迅速補充風機發(fā)生故障時的無功缺額以及平滑調(diào)整電壓，有效抑制了極端電壓持續(xù)下降導致的連鎖脫網(wǎng)。

由于STATCOM無功補償裝置的造價較高，從滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和節(jié)省投資的角度考慮，建議風電場采用STATCOM、電容器組及電抗器組聯(lián)合控制的方式進行無功補償。其中，STATCOM的配置容量為實現(xiàn)電壓平滑控制的最低容量。JH1風電場考慮DFIG機群不脫網(wǎng)的風電場動態(tài)無功補償配置方案如表3所示。

表3 JH1風電場補償配置方案

Table 3 Reactive power compensation schemes of JH1 wind farm

4 結 論

本文提出了一種考慮抑制DFIG機群脫網(wǎng)的風電場無功補償配置新方法。該方法已應用到了某省網(wǎng)220 kV風電場無功配置專題研究中，并驗證了其的有效性。工程實踐表明，該方法不僅能滿足風電場不同情況下的無功需求，還能有效抑制DFIG機群脫網(wǎng)事故的發(fā)生。值得指出的是：風電機組在電網(wǎng)故障時產(chǎn)生的瞬時無功缺額容易導致機端電壓持續(xù)下降，加入一定容量的STATCOM可有效抑制連鎖脫網(wǎng)事故的發(fā)生。

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(編輯：蔣毅恒)

A Novel Reactive Power Compensation Configuration of Wind Farms on Inhibiting DFIG Fleet Off-Grid

MA Rui1, WANG Keyi2, WU Gang3

(1. School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology,Changsha 410076, China; 2.Hunan Communications Planning Survey and Design Institute, Changsha 410008, China；3. State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130021, China)

Along with the increasing scale of wind power, the electric grid stability and safety problems in wind farms have become increasingly prominent due to the DFIG (doubly-fed induction generator) fleet off-grid under grid failure conditions. In order to inhibit DFIG fleet off-grid, this paper presented a wind farm reactive power compensation configuration method with considering the inhibition of DFIG. Firstly, the wind farms were taken as the center to analyze the reactive power balance. Using the quantitative relationship between reactive power demand and active transport, this paper calculated the needed capacity of low-voltage reactor bank and low-voltage capacitor bank in wind farm. Secondly, through the reactive analysis on the fluctuation of wind power output under different load modes and the bus voltage of wind farm duringN-1 line running, this paper checked the adaptability of initial configuration scheme to the system’s static security. Finally, based on the analysis on the reactive power demand characteristics of DFIG fleet under grid failure condition, this paper added a STATCOM (static synchronous compensator) with certain capacity to inhibit the fleet off-grid, which could make the reactive power compensation scheme meet the safe operation requirements of the system. The proposed method has been used to configure the reactive power compensation in 220 kV wind farm with large capacity in a province, which can prove its feasibility and effectiveness in economy and technology.

reactive power compensation; wind farm; power grid fault; capacitor bank; STATCOM

國家自然科學基金項目(51277015)。

TM 614

A

1000-7229(2015)05-0014-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.003

2015-02-15

2015-03-11

馬瑞(1971)，男，博士，教授，通信作者，主要研究方向為新能源接入電力系統(tǒng)安全分析、低碳電力、電力大數(shù)據(jù)；

王柯懿(1989)，女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；

吳剛(1976)，男，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運行及電網(wǎng)規(guī)劃工作。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51277015).