風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響分析

趙洲　高雅潔

一、緒論

隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展改革的不斷深入，尋找新能源被提上了日程，在電力方面，風(fēng)電能源成為了我國(guó)主要研究領(lǐng)域，通過近幾年的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的成就，在規(guī)模上也實(shí)現(xiàn)了突破，連續(xù)五年成倍增長(zhǎng)。由于我國(guó)得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件，到如今，我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)成為了世界第一。但由于風(fēng)電的不穩(wěn)定性導(dǎo)致風(fēng)電時(shí)高時(shí)低，當(dāng)風(fēng)電較低時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)呈分散式接入電網(wǎng)中，控制較方便，一旦發(fā)生故障能及時(shí)停止運(yùn)行，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來較大影響；而當(dāng)風(fēng)電較高時(shí)，影響會(huì)越來越顯著。為了使電網(wǎng)穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，就應(yīng)提高風(fēng)電開發(fā)技術(shù)，相關(guān)專家研究出了更為嚴(yán)密的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的能力要求也越來越高，例如低電壓穿越能力（Low Voltage Ride-though簡(jiǎn)稱LVRT）、輸出穩(wěn)定性、可控能力等。其中風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力是并網(wǎng)發(fā)電的基本能力，維持著并網(wǎng)發(fā)電的運(yùn)行。

二、低電壓穿越能力

低電壓穿越能力是維持風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)電電壓較低時(shí)能夠并網(wǎng)運(yùn)行的基本能力，即使電網(wǎng)出現(xiàn)故障，也能保持電力的輸出，維持電網(wǎng)穩(wěn)定，帶故障排出后使電力輸出功率在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到正常水平。技術(shù)支持的情況下，風(fēng)電場(chǎng)還可以具有無功支撐能力，為電網(wǎng)輸出無功電流，加快電網(wǎng)恢復(fù)速度。風(fēng)電場(chǎng)能夠在電網(wǎng)電壓低于20%時(shí)維持電網(wǎng)運(yùn)行0.625秒，并且在此后3秒內(nèi)網(wǎng)絡(luò)電壓低于正常水平90%的情況下維持并網(wǎng)運(yùn)行。這就是其低電壓穿越能力。

三、風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)電場(chǎng)類型的不同導(dǎo)致了實(shí)現(xiàn)低電壓穿越能力的方法不同。目前，風(fēng)電場(chǎng)主要有兩種，異步電機(jī)為發(fā)電機(jī)的固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電場(chǎng)和雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電場(chǎng)，在雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電場(chǎng)電壓為690伏特，經(jīng)過變壓器后，輸出電壓為110伏特或220伏特。

1.異步電機(jī)為發(fā)電機(jī)的固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電場(chǎng)

（1）安裝無功補(bǔ)償器，使其在靜態(tài)條件下對(duì)不同功率電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償輸出；（2）安裝同步補(bǔ)償器，在靜態(tài)條件下使風(fēng)電場(chǎng)具備低電壓穿越能力。

2.雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電場(chǎng)

（1）短路保護(hù)技術(shù)；（2）正確的控制方法；（3）加裝新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于外界原因造成的電網(wǎng)電壓急劇下降時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用其低電壓穿越能力維持并網(wǎng)運(yùn)行。

3.同步直驅(qū)式風(fēng)電場(chǎng)

（1）減少風(fēng)電場(chǎng)輸出功率，保持電網(wǎng)的功率平衡；（2）加裝保護(hù)電路。

四、電力系統(tǒng)模型分析

1.系統(tǒng)仿真模型

以我國(guó)某地區(qū)為例，如下圖所示。

圖中的每一個(gè)風(fēng)電群都包含數(shù)量不等的風(fēng)電場(chǎng)，這些風(fēng)電廠內(nèi)部都得到了定量的功率補(bǔ)償。該模型的建立用到了我國(guó)電力研究院研發(fā)的軟件，模型中用到了百分之四十的恒阻抗，百分之六十的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。在設(shè)計(jì)時(shí)，使該風(fēng)電場(chǎng)輸出功率為60%，設(shè)置的故障為站點(diǎn)4與電廠二之間電路（550k伏特）發(fā)生短路，在兩種情況下進(jìn)行研究，（1）所有風(fēng)電場(chǎng)都具有低電壓穿越能力；（2）所有風(fēng)電場(chǎng)都沒有低電壓穿越能力。

2.故障分析

根據(jù)計(jì)算得出，當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)沒有發(fā)生脫網(wǎng)；而沒有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)則出現(xiàn)了變電站低電壓的狀況，部分風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)，總量為570MW。

3.系統(tǒng)頻率分析

對(duì)于沒有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)，電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)有部分機(jī)組停止運(yùn)行，共計(jì)容量是570MW，而由于容量的缺損造成電網(wǎng)頻率下降；而對(duì)于具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)則不會(huì)出現(xiàn)機(jī)組停工的情況。此外，具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)，電網(wǎng)出現(xiàn)故障10秒后頻率即可恢復(fù)正常；而沒有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)則恢復(fù)不到初始頻率（會(huì)低0.02赫茲），這表明有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)能更好的維持電網(wǎng)穩(wěn)定性。

4.常規(guī)機(jī)組特性

在該模型中，已知電廠三的初始功角為86.9度，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，經(jīng)過30秒恢復(fù)穩(wěn)定，之后進(jìn)行測(cè)量，具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)功角為87.55度，相差0.65度；而沒有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)功角為84.57度，相差﹣2.33度，由此看出，具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)能夠幫助電廠三盡快恢復(fù)至初始水平，而沒有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)由于與初始值相差過大，已經(jīng)形成了新的穩(wěn)定狀態(tài)。

五、結(jié)論

通過對(duì)該模型的計(jì)算分析，我們了解到了低電壓穿越功能對(duì)電網(wǎng)中電網(wǎng)電壓、輸出頻率和機(jī)組特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有低電壓穿越能力的電網(wǎng)穩(wěn)定性更強(qiáng)，風(fēng)電場(chǎng)不僅能維持低電壓下電網(wǎng)的運(yùn)行，也有助于電網(wǎng)的恢復(fù)。正常運(yùn)行時(shí)，具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)起到的作用是積極的，并且會(huì)減輕電網(wǎng)故障造成的影響；而沒有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)則很容易在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)，造成功率缺失，影響電網(wǎng)正常帶來不利影響。

（作者單位：1.國(guó)網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲(chǔ)示范電站有限公司；2.國(guó)網(wǎng)冀北張家口供電公司）