基于短路試驗(yàn)的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力驗(yàn)證方法研究

戈陽陽，蔡志遠(yuǎn)，馬少華，董鶴楠

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110023；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

基于短路試驗(yàn)的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力驗(yàn)證方法研究

戈陽陽1,2，蔡志遠(yuǎn)1，馬少華1，董鶴楠2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110023；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的不斷增大，風(fēng)電場(chǎng)是否具有低電壓穿越功能直接影響風(fēng)電并網(wǎng)安全。目前風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越測(cè)試的方法主要以設(shè)備測(cè)試為主，即對(duì)單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行抽檢測(cè)試，驗(yàn)證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)具備低電壓穿越能力。采用單臺(tái)測(cè)試設(shè)備檢驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力效率較低，且不能驗(yàn)證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)其他設(shè)備的低電壓穿越能力。通過短路試驗(yàn)方式來驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力，并在通遼地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明采用短路試驗(yàn)的方法能夠更好、更快地開展低電壓穿越測(cè)試工作，確保大規(guī)模風(fēng)電接入后的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)電場(chǎng)；低電壓穿越；短路試驗(yàn)

2006年1月1日，《中華人民共和國可再生能源法》正式頒布實(shí)施，在該法的引導(dǎo)和鼓勵(lì)下，中國風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展。截止2015年底全國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量1.29億kW，占全部裝機(jī)容量的8.6%；風(fēng)電發(fā)電量1 863億kWh，占全部發(fā)電量的3.3%。受地區(qū)風(fēng)力資源分布、負(fù)荷分布和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，我國風(fēng)電發(fā)展和運(yùn)行體現(xiàn)了規(guī)?；l(fā)展和大風(fēng)電融入小電網(wǎng)兩種趨勢(shì)，具體有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)。

a.集中接入超高壓電網(wǎng)并遠(yuǎn)距離外送。

b.地區(qū)系統(tǒng)風(fēng)電裝機(jī)比重較大。

c.目前風(fēng)機(jī)、風(fēng)場(chǎng)技術(shù)裝備水平難以滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需要。

隨著風(fēng)電大規(guī)模的發(fā)展，越來越多的風(fēng)電運(yùn)行安全問題顯露出來，其中風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力缺失成為目前風(fēng)電運(yùn)行最突出的問題。2011年初發(fā)生了多起由于風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力而造成的大面積脫網(wǎng)事故[1]。

目前我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在著機(jī)型繁雜、數(shù)量龐大的問題，大量新機(jī)型建成投產(chǎn)也需要并網(wǎng)性能檢測(cè)，檢測(cè)工作量巨大，且普遍存在單機(jī)檢測(cè)時(shí)間過長的問題。目前采用低電壓穿越測(cè)試設(shè)備開展抽檢工作存在主要問題如下[2]。

a.移動(dòng)式低電壓穿越測(cè)試設(shè)備(如西班牙Dipgen)測(cè)試周期較長，測(cè)試設(shè)備重量較大，一般超過10 t以上(見圖1)，運(yùn)輸比較困難，并且測(cè)試周期較長。

圖1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試設(shè)備

b.對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力不能同時(shí)驗(yàn)證。

c.不能驗(yàn)證無功補(bǔ)償裝置等其它電氣設(shè)備低電壓穿越能力。

d.不能考核風(fēng)電場(chǎng)整體無功輸出情況。

針對(duì)目前采用低電壓穿越測(cè)試設(shè)備進(jìn)行抽檢存在的問題，為了快速掌握并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力，本文提出了采用現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)方式來輔助驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力。該方法能夠在沒有低電壓穿越測(cè)試設(shè)備的情況下，采用現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)的方法驗(yàn)證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力[3-4]。

1 工作原理及方案設(shè)置

采用現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)方法來輔助驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力基本原理為：根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況，一般在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)集電線路上(35 kV)進(jìn)行人工短路試驗(yàn)，通過合理選擇短路點(diǎn)，即選擇合理的集電線路阻抗來控制35 kV母線的電壓跌落深度，從而達(dá)到考核風(fēng)電場(chǎng)其他并列集電線路上運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的目的。具體的短路試驗(yàn)基本原理如圖2所示。

圖2 短路試驗(yàn)基本原理

電力系統(tǒng)的故障一般分為對(duì)稱故障及不對(duì)稱故障，系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，各電氣元件承受的三相電壓和通過的三相電流都將不對(duì)稱，此時(shí)可運(yùn)用對(duì)稱分量法來處理不對(duì)稱故障，具體為將不對(duì)稱的電壓和電流分解，分解成三組對(duì)稱分量，同時(shí)對(duì)每一組分量可按對(duì)稱三相系統(tǒng)來進(jìn)行計(jì)算[5-6]。

以兩相接地故障為例，具體為BC相接地短路故障，如圖3所示。

圖3 B、C兩相接地故障圖

B、C相短路邊界條件用相量表示為

(1)

故障處序電流為

(2)

故障處序電壓根據(jù)式(1)計(jì)算如下：

(3)

驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力采用短路試驗(yàn)的方法可解決很多問題，如抽檢時(shí)間長、測(cè)試設(shè)備少、費(fèi)用高等。同時(shí)，這種方法相對(duì)簡單、易行，能夠檢測(cè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)整體低電壓穿越能力，并能為繼電保護(hù)設(shè)置的合理性提供校核。

2 風(fēng)電機(jī)組短路模型建立及計(jì)算方法

風(fēng)電機(jī)組短路模型建立的流程如下。

a.風(fēng)電機(jī)組阻抗確定

目前很多風(fēng)電廠家無法提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，短路試驗(yàn)過程中最大的誤差就是風(fēng)機(jī)模型的誤差。在進(jìn)行短路試驗(yàn)過程中風(fēng)電機(jī)組在故障期間的無功出力情況直接影響電壓跌落過程中的風(fēng)電場(chǎng)主變低壓側(cè)的電壓跌落情況。

雙饋風(fēng)電機(jī)組電機(jī)等值電路如圖4所示。

該模型沒有將變流器的控制模型加入其中，因此其無功輸出誤差較大。但是由于目前我國變流器主要依賴進(jìn)口，對(duì)于變流器的控制模型掌握有限，因此很難擁有完整的變流器數(shù)學(xué)模型[7-8]。目前絕大部分廠家均開展了低電壓穿越短路試驗(yàn)，本文所應(yīng)用的雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越測(cè)試曲線如圖5、圖6所示。

圖4 雙饋風(fēng)電機(jī)組電機(jī)等值電路

圖5 雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越測(cè)試曲線(線電壓有效值)

圖6 雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越測(cè)試曲線(有功及無功功率)

依據(jù)該風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越型式試驗(yàn)報(bào)告，可以修改風(fēng)電機(jī)組電機(jī)模型，給出在電壓跌落過程中雙饋風(fēng)電機(jī)組的新阻值，從而使其在低電壓穿越過程中的無功輸出特性與測(cè)試報(bào)告相同。通過該方法修正后的模型能夠提高短路試驗(yàn)計(jì)算精度，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

b.系統(tǒng)阻抗建立

依據(jù)收集的資料建立系統(tǒng)至短路點(diǎn)的阻抗圖(見圖7)，其中阻抗包括系統(tǒng)阻抗、線路阻抗、變壓器阻抗和風(fēng)機(jī)自身阻抗等。

圖7 阻抗模型

c.繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的接入情況繪制風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并編寫網(wǎng)絡(luò)關(guān)系矩陣。通過網(wǎng)絡(luò)關(guān)系矩陣建立阻抗矩陣，為短路計(jì)算做好準(zhǔn)備。

(4)

d.短路計(jì)算

依據(jù)網(wǎng)絡(luò)阻抗矩陣開展短路計(jì)算，計(jì)算過程中需要計(jì)算的結(jié)果主要包括系統(tǒng)短路電流、風(fēng)電場(chǎng)短路電壓、系統(tǒng)短路電壓、風(fēng)電機(jī)組短路電壓等。

e.繪制短路試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)短路試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果繪制風(fēng)電場(chǎng)電壓矢量圖、系統(tǒng)電壓矢量圖，同時(shí)評(píng)估短路試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并做好相應(yīng)的調(diào)度預(yù)案。

3 短路試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

短路試驗(yàn)在通遼地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)開展，依據(jù)事先制定的試驗(yàn)方案進(jìn)行，在風(fēng)電場(chǎng)集電線路30號(hào)桿塔BC兩相進(jìn)行接地短路線的連接。具體試驗(yàn)結(jié)果及前期試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表1，試驗(yàn)電流波形見圖8。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖8 短路試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)35 kV電壓有效值及短路試驗(yàn)電流波形

本次短路試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)方案的計(jì)算結(jié)果相符，驗(yàn)證了該風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力。在短路試驗(yàn)過程中，集電線路上所帶風(fēng)機(jī)能夠發(fā)出一定的無功功率。

4 結(jié)束語

采用短路試驗(yàn)方式來驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力，并以通遼某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)試驗(yàn)為例，通過前期收資、建模、計(jì)算到后期的試驗(yàn)，整個(gè)計(jì)算過程及短路方式采用人工短路方法。試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)可知，該方法可較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越。

目前該方法已經(jīng)在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)開展了相關(guān)測(cè)試工作，在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組箱變保護(hù)配置不合理、風(fēng)電場(chǎng)不平衡度保護(hù)設(shè)定不合理、風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組維護(hù)工作不到位等采用低電壓穿越測(cè)試設(shè)備不能發(fā)現(xiàn)的問題，彌補(bǔ)了采用低電壓穿越測(cè)試設(shè)備開展測(cè)試工作的缺點(diǎn)。該方法能夠解決風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越抽檢設(shè)備少、測(cè)試任務(wù)繁重的燃眉之急，彌補(bǔ)了采用低電壓穿越設(shè)備進(jìn)行抽檢存在的不足，可以作為輔助管理風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的有效手段。今后，希望能將短路試驗(yàn)方法與設(shè)備測(cè)試方法有效結(jié)合，為風(fēng)電健康有序發(fā)展提供切實(shí)有效的技術(shù)支撐。

[1] 向 異，孫驍強(qiáng)，張小奇，等．2·24 甘肅酒泉大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故暴露的問題及解決措施[J]．華北電力技術(shù)，2011,14(9):1-7.

[2] 徐海亮，章 瑋，賀益康，等．雙饋型風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)要點(diǎn)及展望[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013,37(20)：8-15.

[3] 董鶴楠，王 剛，邢作霞，等．風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越測(cè)試方法對(duì)比研究[J]．可再生能源，2013,31(7):25-28.

[4] 高 凱，李勝輝，黃 旭，等．風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試相關(guān)技術(shù)研究[J]．東北電力技術(shù)，2013,34(1):5-8．

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[7] 胡書舉，趙棟利，趙 斌，等．雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越特性的試驗(yàn)研究[J]．高電壓技術(shù),2010,36(3):789-795.

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Method Study on Low Voltage Ride Through Capability for Wind Farm Based on Short-circuit Test

GE Yangyang1,2，CAI Zhiyuan1，MA Shaohua1，DONG Henan2

(1.Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110023，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

With the continued large-scale wind power connected to the grid, grid security and stability is one of the elements that can not be ignored, especially if the wind farm has a low voltage ride through(LVRT)capabilities. Currently wind farm LVRT test methods based mainly on equipment testing, that a single wind turbines for sampling tests to verify the wind farm can be achieved. This method is simple but with limitations. This paper presents a new approach based on the short-circuit tests to verify the wind farm LVRT by the comparison of experiment in Tongliao. The results demonstrate that short-circuit test method can develop LVRT work better and faster, also ensure safe and stable operation of power grid.

wind farm; low voltage ride through; short-circuit test

TM614

A

1004-7913(2017)02-0011-04

戈陽陽(1983)，男,在讀博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍鍧嵞茉床⒕W(wǎng)與檢測(cè)技術(shù)。

2016-12-01)