海上風(fēng)電集群與火電打捆外送系統(tǒng)低電壓穿越特性

余浩，王盼盼，段瑤，田書新，陳武暉

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東省廣州市 510080；2.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西省太原市 030024）

0 引言

隨著全球一次能源的不斷減少以及“雙碳”目標(biāo)的提出，提升新能源在電力系統(tǒng)中的比例，逐步形成以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略要求。風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電當(dāng)中發(fā)展比較成熟的一種。相比陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電具有更豐富的風(fēng)能資源、年利用小時數(shù)高、節(jié)省土地資源等優(yōu)點(diǎn)。海上風(fēng)電在廣東、江蘇、山東等省份迅速發(fā)展，目前在電力系統(tǒng)當(dāng)中占據(jù)相當(dāng)規(guī)模。廣東電網(wǎng)海上風(fēng)電發(fā)展迅速，截止2021年7月底，廣東海上風(fēng)電裝機(jī)1472 MW。但海上風(fēng)電依賴于天氣與氣候的變化，因此具有間歇性、波動性與不確定性，這對電能質(zhì)量與電網(wǎng)穩(wěn)定性都是巨大的挑戰(zhàn)。

為平抑海上風(fēng)電的波動性和間歇性對輸電通道及系統(tǒng)功率平衡的影響，海上風(fēng)電通常與火電打捆外送。為確保海上風(fēng)電與火電打捆外送系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，相關(guān)學(xué)者在外送系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，其中風(fēng)、火配置比例與方案，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)次同步振蕩以及風(fēng)、火打捆調(diào)控策略等方面進(jìn)行了較多的研究。文獻(xiàn)[1-2]從風(fēng)、火打捆直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，研究對比了不同風(fēng)、火配比下的影響，提出最優(yōu)風(fēng)、火容量配置比例；文獻(xiàn)[3]綜合考慮了輸電成本與火電機(jī)組的影響，結(jié)合風(fēng)電場持續(xù)出力曲線給出了最優(yōu)的風(fēng)、火配置方案；文獻(xiàn)[4-5]分別基于風(fēng)、火打捆系統(tǒng)風(fēng)機(jī)與直流輸電的動態(tài)交互問題和線路串補(bǔ)度等，進(jìn)一步研究了風(fēng)、火打捆系統(tǒng)的次同步振蕩產(chǎn)生機(jī)理與抑制措施；文獻(xiàn)[6]從系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性角度，研究了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器與靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器對風(fēng)、火打捆系統(tǒng)低頻振蕩的削弱作用；文獻(xiàn)[7]基于擴(kuò)展等面積定則，分析了風(fēng)電場選址與火電機(jī)組出力等因素對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)[8-9]針對目前風(fēng)、火打捆系統(tǒng)存在的有功控制問題，結(jié)合中國風(fēng)電輸送調(diào)度現(xiàn)狀，給出了風(fēng)、火打捆有功控制系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)策略。盡管風(fēng)、火打捆技術(shù)研究發(fā)展迅速，但低電壓穿越問題在風(fēng)、火打捆系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行當(dāng)中作為關(guān)鍵性技術(shù)，目前研究仍然很少涉及。

在風(fēng)電場低電壓穿越方面，文獻(xiàn)[10]基于6臺1.5 MW永磁直驅(qū)式風(fēng)機(jī)研究了單相與三相短路故障下，風(fēng)電機(jī)組通過降低有功功率，增大無功功率維持電網(wǎng)電壓；文獻(xiàn)[11]采用12臺0.989 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，分析了靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)控制策略在低電壓穿越當(dāng)中的正確性。但單臺或小容量風(fēng)機(jī)研究在風(fēng)、火打捆實(shí)際場景中缺少適用于我國風(fēng)電集中開發(fā)并網(wǎng)的場景。文獻(xiàn)[12]基于150臺2 MW變速風(fēng)機(jī)，對電壓故障下不同接入方案進(jìn)行比較，分析了系統(tǒng)接入方案與風(fēng)電場接入方案對低電壓穿越的影響；文獻(xiàn)[13]在80臺1.5 MW風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上，利用變異系數(shù)法對風(fēng)電場進(jìn)行性能評估，進(jìn)而調(diào)整各臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功出力，故障發(fā)生時支撐電網(wǎng)電壓；文獻(xiàn)[14-15]側(cè)重考慮打捆系統(tǒng)中雙饋風(fēng)機(jī)的影響，證明了撬棒保護(hù)在故障穿越中的作用。以上風(fēng)電場低電壓穿越研究僅考慮了風(fēng)電場低電壓穿越，更加側(cè)重風(fēng)電場本身，未考慮大規(guī)模風(fēng)電場集群之間動態(tài)耦合對故障風(fēng)電場低電壓穿越的影響，也沒有計及風(fēng)電集群與打捆火電之間的相互耦合對低電壓穿越的影響。

由上述分析可知，當(dāng)前研究主要針對單個風(fēng)電場的低電壓穿越問題，而隨著“十四五”規(guī)劃的提出，基地式集中連片開發(fā)成為我國海上風(fēng)電開發(fā)的主流模式，多個風(fēng)電場集中并網(wǎng)故障期間各風(fēng)電場之間的動態(tài)特性耦合、各風(fēng)電場故障期間的相互影響、低電壓穿越過程特性復(fù)雜等問題，亟需進(jìn)一步研究。而且風(fēng)電集群與打捆火電之間的相互耦合對低電壓穿越的影響也需要進(jìn)一步研究。

本文在總結(jié)國內(nèi)外風(fēng)電場低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用風(fēng)、火打捆系統(tǒng)的短路比和火電機(jī)組的無功調(diào)整機(jī)理，從理論角度解釋了火電提升了海上風(fēng)電與火電打捆系統(tǒng)電壓的支撐能力，進(jìn)而指出火電對多風(fēng)電場的低電壓穿越能力也有一定程度的提升。并在PSCAD/EMTDC中搭建某實(shí)際規(guī)劃場景的海上風(fēng)電集群與火電打捆系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：火電機(jī)組提升了與其打捆的風(fēng)電集群的低電壓穿越能力。而在風(fēng)電集群單獨(dú)外送系統(tǒng)中，由于多風(fēng)電場之間動態(tài)相互作用導(dǎo)致故障風(fēng)電場的電壓、電流以及功率等發(fā)生振蕩，即使在電壓跌落至額定電壓75%的情況下也可能無法實(shí)現(xiàn)低電壓穿越；在故障風(fēng)電場電壓跌落嚴(yán)重的情況，可能導(dǎo)致非故障風(fēng)電場也無法正常運(yùn)行。這些研究結(jié)果驗(yàn)證了上述理論分析的合理性。

1 我國風(fēng)電場低電壓穿越

電力系統(tǒng)中電網(wǎng)短路故障是較為常見且后果也比較嚴(yán)重的一類故障，電網(wǎng)發(fā)生短路故障常常引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)母線不同程度的電壓跌落，風(fēng)機(jī)無法像火電機(jī)組一樣在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時對系統(tǒng)提供一定的無功與有功功率協(xié)助系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，嚴(yán)重時將使得風(fēng)電場無法正常運(yùn)行甚至脫網(wǎng)，進(jìn)而使電網(wǎng)產(chǎn)生電能缺額，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)，因此各國根據(jù)各自電網(wǎng)運(yùn)行需求，制訂了不同的風(fēng)電場低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 我國低電壓穿越要求

我國規(guī)定的風(fēng)電場低電壓穿越能力是指當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動引起電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行的能力[16]。在《GB∕T 19963.1—2021風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中給出了風(fēng)電場低電壓穿越的具體標(biāo)準(zhǔn)，要求即使在電壓跌落很嚴(yán)重的情況下，發(fā)電設(shè)備也應(yīng)該保持并網(wǎng)并持續(xù)運(yùn)行，只有在電壓跌落至標(biāo)準(zhǔn)線下，才允許風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。

從圖1可以看出，我國要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓降至20%時仍能并網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行0.625 s，并且故障發(fā)生2 s內(nèi)并網(wǎng)點(diǎn)電壓能恢復(fù)至正常運(yùn)行時的90%。同時國標(biāo)上也對不同故障類型下風(fēng)電場未脫網(wǎng)風(fēng)機(jī)的有功功率恢復(fù)速率、動態(tài)無功支撐能力等做出了相應(yīng)要求。三相短路故障在所有類型的故障當(dāng)中最為嚴(yán)重，對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響更加顯著，因而規(guī)范中對三相短路故障時的動態(tài)無功支撐能力有著更加嚴(yán)苛的要求。

圖1 我國低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 The LVRT specified in CNS

風(fēng)電場動態(tài)無功電流增量應(yīng)響應(yīng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化，并應(yīng)滿足公式（1）[16]

式中：ΔIt為風(fēng)電場注入的動態(tài)無功電流增量；K1為風(fēng)電場動態(tài)無功電流比例系數(shù)，取值范圍應(yīng)不小于1.5、不大于3；Ut為風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；IN為風(fēng)電場額定電流。

除此之外，規(guī)范也要求風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓正序分量跌至額定電壓的80%及以下時，風(fēng)電場輸出的無功電流不能低于風(fēng)電場正常情況下并網(wǎng)額定電流的1.05倍，且要求風(fēng)電場故障切除后有功功率速率不小于0.2 PN/s 恢復(fù)至故障前的值，PN為風(fēng)電場額定有功功率。

1.2 風(fēng)電集群動態(tài)相互作用對故障穿越的影響

我國海上風(fēng)電目前呈現(xiàn)出大規(guī)模連片開發(fā)特點(diǎn)，大規(guī)模風(fēng)電集群集中并網(wǎng)成為典型場景之一，圖2所示為我國某地區(qū)實(shí)際海上風(fēng)電集群規(guī)劃項(xiàng)目。A區(qū)域7個風(fēng)電場與B區(qū)域4個風(fēng)電場并網(wǎng)外送，這些海上風(fēng)電場相互之間存在動態(tài)相互作用，包括同一區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場間相互作用，不同區(qū)域之間風(fēng)電場相互作用。假設(shè)風(fēng)電場Wind8送出線路發(fā)生短路故障時，故障風(fēng)場母線電壓下降，與此同時，非故障風(fēng)電場Wind9-11由于與故障風(fēng)電場之間存在電氣連接，電壓也會受到影響，不同區(qū)域的風(fēng)電場Wind1-7也會存在不同程度的電壓下降。與單獨(dú)風(fēng)電場接入相比，非故障風(fēng)電場的電壓下降，將吸收大量的無功，進(jìn)一步惡化故障風(fēng)電場故障穿越的電網(wǎng)環(huán)境，為協(xié)調(diào)控制所有風(fēng)電場電壓，需要向系統(tǒng)注入大量無功功率，造成多場站系統(tǒng)低電壓穿越所需無功功率比單獨(dú)風(fēng)電場大很多，若系統(tǒng)不能及時向風(fēng)電集群注入大量無功功率支撐電網(wǎng)電壓，風(fēng)電集群之間無功串動，可能遭受動態(tài)電壓振蕩失穩(wěn)，無法實(shí)現(xiàn)故障穿越。因此，與單個風(fēng)電場低電壓穿越相比，對多風(fēng)場系統(tǒng)低電壓穿越能力的要求更高，需要進(jìn)一步研究。

圖2 海上多風(fēng)場并網(wǎng)示意圖Fig.2 Sketch map of grid-connected multi offshore wind farms

2 火電機(jī)組對與其打捆的海上風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越性能的提升作用

我國海上風(fēng)電目前呈現(xiàn)出大規(guī)模連片開發(fā)而且集中并網(wǎng)的特點(diǎn)，由于風(fēng)電場間的動態(tài)耦合，大規(guī)模風(fēng)電集群集中并網(wǎng)的低電壓穿越問題嚴(yán)重。目前海上風(fēng)電與火電打捆系統(tǒng)發(fā)展迅速，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)低電壓穿越問題還有待研究。本文從系統(tǒng)短路比和火電機(jī)組勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供無功支持原理2個方面來闡述火電機(jī)組對海上風(fēng)電集群低電壓穿越的提升作用。

2.1 風(fēng)、火打捆提高風(fēng)電場短路比對電壓支持作用

火電的接入可以改善新能源系統(tǒng)并網(wǎng)的抗擾性能，增大系統(tǒng)阻尼提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[17-18]。短路比作為工程實(shí)際中衡量電網(wǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)，可以為電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行提供一定程度的參考，當(dāng)風(fēng)、火打捆系統(tǒng)短路比過低時，系統(tǒng)會存在寬頻振蕩風(fēng)險；短路比越高，系統(tǒng)強(qiáng)度越大，可以應(yīng)對的嚴(yán)重故障的能力越強(qiáng)。火電的接入對系統(tǒng)短路比具有提升作用，具體如下：

通常將單獨(dú)風(fēng)電場接入交流系統(tǒng)用戴維南等值方法簡化為一個理想電壓源串聯(lián)電阻的形式[19]，以受端系統(tǒng)為例，如圖3所示。

圖3 單獨(dú)風(fēng)電場示意圖Fig.3 Sketch map of grid-connected individual wind farm

將系統(tǒng)三相短路容量與送出額定有功功率的比值作為衡量電網(wǎng)強(qiáng)度的短路比指標(biāo)，計算單獨(dú)風(fēng)電場的短路比

式中： Zeq1=ZW+ZX， ZW為風(fēng)電場送出線路等值電抗；ZX為 打捆系統(tǒng)輸電線路等值電抗；SN為系統(tǒng)三相短路容量；PN為新能源系統(tǒng)送出有功功率；UN為風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓。

進(jìn)一步將單獨(dú)風(fēng)電場戴維南等值方法推廣至風(fēng)、火打捆系統(tǒng)，同樣可以將其簡化為一個電壓源串聯(lián)電阻的形式，圖4為風(fēng)、火打捆系統(tǒng)接入受端電網(wǎng)示意圖。

圖4 風(fēng)、火打捆系統(tǒng)示意圖Fig.4 Sketch map of bundled system composed of offshorewind power cluster and thermal power units

考慮到火電機(jī)組在風(fēng)、火打捆系統(tǒng)中能夠像交流系統(tǒng)一樣提供短路電流，增大交流系統(tǒng)的短路容量，故將火電機(jī)組并入受端電網(wǎng)，機(jī)組阻抗與受端電網(wǎng)阻抗并聯(lián)得到新能源風(fēng)電場短路比計算公式為

式中： Zeq2=ZW1+ZX//ZF2，為風(fēng)、火打捆系統(tǒng)等值阻抗；ZF2為同步電機(jī)電抗與線路阻抗的和。一般情況下火電接入后，系統(tǒng)網(wǎng)架會因傳輸功率上升而進(jìn)一步加強(qiáng)，ZX也會減小。顯然，由式（2）（3）可以看出，當(dāng)風(fēng)電場傳輸容量相同，輸電線路阻抗同樣保持不變的情況下，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)短路比要大于單獨(dú)風(fēng)電場短路比：

當(dāng)增大火電廠容量時，火電機(jī)組等效電抗由ZF變 為Zf

式中： Zeq3=ZW+ZX//Zf，由于火電廠容量增大導(dǎo)致Zf＜ZF，故 Zeq3＜Zeq2，代入式（3）和（5）可以得到如下關(guān)系

從短路比角度來看，上述分析可以歸納為：風(fēng)、火打捆系統(tǒng)由于火電廠的接入，短路比相對變大，且隨著火電廠容量增大，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)短路比提高，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度大于單獨(dú)風(fēng)電場電網(wǎng)強(qiáng)度。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓保持能力也進(jìn)一步增強(qiáng)，系統(tǒng)在電壓跌落故障時受擾能力也相應(yīng)增強(qiáng)。

2.2 火電機(jī)組對風(fēng)、火打捆系統(tǒng)的動態(tài)無功支撐

火電廠通過勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流，原理如圖5所示。測量環(huán)節(jié)采集到的機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)機(jī)端電流經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)與電壓參考值Uref比較后，再經(jīng)過綜合放大與移相觸發(fā)環(huán)節(jié)等控制發(fā)電機(jī)勵磁繞組的勵磁電壓uf。

圖5 交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)Fig.5 Transfer function of AC exciter excitation system

由于發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢與發(fā)電機(jī)勵磁電流成正比 E0=kfIf。根據(jù)圖5，發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)勵磁電壓uf可以改變勵磁電流If，從而改變發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢，保持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓恒定，同時控制同步機(jī)輸出的無功功率，如圖6所示。E0、E0′、分別表示發(fā)電機(jī)正常勵磁、欠勵和過勵時的激磁電動勢。

圖6 勵磁調(diào)節(jié)原理圖Fig.6 Schematic diagram of Excitation regulation

正常運(yùn)行時，勵磁電動勢與機(jī)端電壓和電流的關(guān)系E˙0=U˙t+j I˙tXa。為保持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓恒定不變，當(dāng)機(jī)端電壓降低時，發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器會增大勵磁電流，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在過勵磁狀態(tài)，向電網(wǎng)輸出無功功率；當(dāng)系統(tǒng)電壓升高時，發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器減小勵磁電流，發(fā)電機(jī)運(yùn)行于欠勵磁狀態(tài)，發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收無功功率。

風(fēng)電場在正常運(yùn)行期間，只向電網(wǎng)發(fā)出有功功率而幾乎不發(fā)出無功功率，功率因數(shù)接近1。發(fā)生短路故障時，短路點(diǎn)電壓會瞬間跌落，形成較大的無功功率缺口，因而需要系統(tǒng)中的無功功率電源發(fā)出一定的無功功率填補(bǔ)缺額，阻止短路點(diǎn)電壓進(jìn)一步跌落，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的低電壓穿越。系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，火電機(jī)組發(fā)出的有功功率和無功功率為恒定值。當(dāng)風(fēng)電場發(fā)生短路故障時，電網(wǎng)電壓跌落，火電機(jī)組機(jī)端電壓下降，機(jī)組為保持機(jī)端電壓恒定，通過勵磁調(diào)節(jié)器自動增大勵磁電流，為系統(tǒng)提供動態(tài)無功功率，在一定程度上也會減少風(fēng)、火打捆系統(tǒng)的電壓跌落，提升風(fēng)電場低電壓穿越能力。

綜上分析，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)中火電機(jī)組對風(fēng)電場的低電壓穿越能力有一定的提升作用，主要表現(xiàn)在2個方面：一方面火電接入可以提高系統(tǒng)短路比，增強(qiáng)系統(tǒng)電壓抗擾能力；另一方面火電在系統(tǒng)故障時可以提供動態(tài)無功功率，幫助電網(wǎng)電壓更快恢復(fù)至穩(wěn)定值。

3 火電接入對風(fēng)電場低壓穿越的影響

3.1 某實(shí)際規(guī)劃海上風(fēng)電集群與火電打捆場景及參數(shù)

本文研究的算例為某海上風(fēng)電集群與火電打捆接入系統(tǒng)的實(shí)際規(guī)劃項(xiàng)目，風(fēng)、火容量配比為1：1.35，其中海上風(fēng)電集群包括11個風(fēng)電場，海上風(fēng)電場分布在2個地區(qū)，總?cè)萘?320 MW，A區(qū)7個風(fēng)電場總?cè)萘繛?600 MW；B區(qū)4個風(fēng)電場總?cè)萘繛?720 MW，其中的500 MW風(fēng)電場為該區(qū)容量最大的風(fēng)電場。打捆外送火電廠2個，總?cè)萘?480 MW，而2個火電廠只分布在C市與D市，總?cè)萘糠謩e為2480 MW與2000 MW。

風(fēng)電場均采用額定容量為5.5 MW的永磁半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)接背靠背脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變流器后連接0.69 kV/35 kV變壓器，經(jīng)11回路傳輸線(A區(qū)7回路、B區(qū)4回路)匯集到35 kV母線，再經(jīng)過2次集控站升壓到500 kV接入電網(wǎng)。另一側(cè)火電機(jī)組也經(jīng)22 kV/500 kV變壓器將電能輸送到遠(yuǎn)端受電系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)、火打捆。海上風(fēng)電場集中并網(wǎng)場景如圖2所示，與火打捆場景如圖7所示，場景詳細(xì)規(guī)劃參數(shù)見表1—4。

表1 線路參數(shù)Table 1 Line parameters

圖7 風(fēng)、火打捆系統(tǒng)場景圖Fig.7 Scene of bundled system composed of offshorewind power cluster and thermal power units

本文在PSCAD仿真的基礎(chǔ)上搭建上述實(shí)際規(guī)劃的風(fēng)、火打捆的場景，通過在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置三相接地短路故障進(jìn)行對比，探究多風(fēng)電場與多火電機(jī)廠的打捆外送對風(fēng)電場低電壓穿越產(chǎn)生的影響。如圖7所示，B區(qū)容量為500 MW的風(fēng)電場在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相經(jīng)電感接地故障，通過改變電感大小控制電壓跌落程度。故障起始時間4 s，持續(xù)時間0.625 s。

3.2 火電廠對故障穿越能力提升作用分析

1)系統(tǒng)短路比變化對低電壓穿越影響。

由圖8可以看出，隨著系統(tǒng)阻抗從0.02 H提升到0.06 H，系統(tǒng)短路比逐漸減小，相同故障下風(fēng)機(jī)電壓跌落程度也逐漸從0.785 pu變化到0.776 pu。同樣，由圖9可以看出，隨著火電接入阻抗從0 H提升到0.1 H，系統(tǒng)短路比減小，相同故障下風(fēng)機(jī)電壓跌落程度也逐漸從0.781 pu變化到0.752 pu。綜合圖8—9，說明風(fēng)、火打捆系統(tǒng)

圖8 改變外送線路阻抗時風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓示意圖Fig.8 Voltage at grid-connected point of wind farm when impedance of outwardsdelivery transmission line ischanged

圖9 改變火電廠接入阻抗時風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓示意圖Fig.9 Voltage at grid-connected point of wind farm when grid-connected impedanceof thermal power plant ischanged

低電壓穿越能力與短路比正相關(guān)，火電的接入使系統(tǒng)短路比增強(qiáng)，維持系統(tǒng)電壓保持能力也增強(qiáng)，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)故障穿越能力也同時提升。

表2 變壓器參數(shù)Table 2 Transformer parameters

表3 風(fēng)機(jī)參數(shù)Table3 Parametersof wind-driven generator

表4 同步機(jī)參數(shù)Table 4 Parametersof synchronousgenerator

2)火電機(jī)組勵磁調(diào)節(jié)器對低電壓穿越的作用。

為探究火電機(jī)組提升風(fēng)電場低電壓穿越能力的運(yùn)行機(jī)理，給出火電機(jī)組3種程度故障時勵磁電流與無功功率曲線，如圖10所示。

從圖10可以看出，風(fēng)電場發(fā)生故障引起電壓跌落后，火電機(jī)組的勵磁電流會相應(yīng)上升，過勵磁的火電機(jī)組會向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率支撐電網(wǎng)電壓。并且跌落程度越嚴(yán)重，勵磁電流上升的越多，火電機(jī)組發(fā)出的無功功率也越多。

圖10 火電廠穿越故障的無功支持作用Fig.10 Reactive power supporting action of thermal power plant under fault ride-through

為進(jìn)一步研究火電機(jī)組勵磁電流的變化對系統(tǒng)低電壓穿越能力的作用，本文選取電壓跌落至20%的場景，改變故障發(fā)生時勵磁電流的大小，測量故障點(diǎn)電壓變化情況，得出圖11。

如圖11所示，相同跌落程度下，隨著勵磁電流的上升，故障點(diǎn)電壓跌落程度有所減小，說明火電機(jī)組除了提高系統(tǒng)短路比，增強(qiáng)系統(tǒng)電壓保持能力外，還可以通過改變勵磁電流，增大故障時提供給系統(tǒng)動態(tài)的無功功率，故障結(jié)束后幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)至穩(wěn)定值，與前文分析一致。

圖11 不同勵磁電流時故障點(diǎn)電壓示意圖Fig.11 Voltage at faulty point under different exciting currents

3.3 風(fēng)電單獨(dú)外送與風(fēng)、火打捆系統(tǒng)的低電壓穿越性能對比

選擇接地電感為0.003、0.001和0.00025 H的場景，設(shè)置3種故障程度，分別為75%、50%、20%電壓跌落，數(shù)據(jù)測量點(diǎn)為35 kV并網(wǎng)點(diǎn)風(fēng)機(jī)側(cè)。本文給出了75%與20%跌落程度仿真圖，50%跌落程度與前2者相似。圖12—15給出了2組測試結(jié)果，包括風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、有功功率、無功功率。

通過觀察圖12—13中(a)、(b)、(c)和(d)，可以看出：當(dāng)風(fēng)電場故障點(diǎn)跌落至75%、20%時，無論是電壓、電流、有功功率還是無功功率，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)都比未接入火電的系統(tǒng)波動程度要小，故障后都能恢復(fù)穩(wěn)定，且符合國標(biāo)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。

圖12(a)中，當(dāng)風(fēng)場故障點(diǎn)電壓最低跌落至標(biāo)稱電壓的75%時，無打捆火電的系統(tǒng)的故障點(diǎn)電壓在120%與80%之間劇烈振蕩，且故障后電壓無法恢復(fù)至故障前狀態(tài)。而當(dāng)風(fēng)電集群與火電打捆后的系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓故障時能夠平穩(wěn)地維持在額定80%，且在故障后電壓很快恢復(fù)至初始的穩(wěn)定電壓。圖13(a)中，也同樣顯示，當(dāng)風(fēng)場故障點(diǎn)電壓最低跌落至標(biāo)稱電壓的20%時，無打捆火電的系統(tǒng)故障點(diǎn)電壓在120%與20%之間劇烈振蕩，且故障后電壓無法恢復(fù)至故障前狀態(tài)。而風(fēng)電集群與火電打捆后的系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓故障時能夠平穩(wěn)地維持在額定電壓的20%，且在故障后電壓很快恢復(fù)至初始的穩(wěn)定電壓。從圖12—13還可以看出，無火電打捆時，風(fēng)電場故障點(diǎn)的電流、有功和無功也發(fā)生劇烈振蕩，且無法恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

圖12 故障風(fēng)場電壓跌落至75%時的測試結(jié)果對比Fig.12 Comparison of test results when voltage of faulty wind farm dropsto 75%

圖13 故障風(fēng)場電壓跌落至20%時的測試結(jié)果對比Fig.13 Comparison of test results when voltage of faulty wind farm drops to 20%

從圖12—13分析可知，當(dāng)風(fēng)電集群單獨(dú)并網(wǎng)時，由于系統(tǒng)短路比較小，一個風(fēng)電場發(fā)生三相電壓跌落時，故障風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓會瞬間跌落并產(chǎn)生劇烈波動，風(fēng)電場交流電壓支撐能力不足使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，最終導(dǎo)致風(fēng)電場低電壓穿越的失敗，其他參量如電流、有功功率和無功功率與電壓一樣，也發(fā)生劇烈振蕩，說明當(dāng)風(fēng)電集群容量較大或者故障程度較為嚴(yán)重時，單純依靠風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)的控制難以恢復(fù)穩(wěn)定。而當(dāng)風(fēng)電集群與火電打捆外送時，火電對風(fēng)電場的故障穿越性能有重要的提升作用。

如圖14(a)當(dāng)風(fēng)電場故障點(diǎn)電壓跌落至75%、時，非故障風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至86%，與風(fēng)、火打捆時并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、有功和無功曲線相比，風(fēng)電集群單獨(dú)并網(wǎng)系統(tǒng)的各量的曲線都有不同程度的振蕩。圖15(a)所示，當(dāng)風(fēng)電場故障點(diǎn)電壓跌落至20%時，非故障風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至71%，并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、有功和無功都發(fā)生劇烈振蕩，無法正常運(yùn)行。而風(fēng)、火打捆系統(tǒng)中，各非故障風(fēng)電場并網(wǎng)參數(shù)很快恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖15 非故障風(fēng)場電壓跌落至20%時的測試結(jié)果對比Fig.15 Comparison of test results when voltage of nonfaulty wind farm dropsto 20%

從圖14—15(a)來看，風(fēng)電集群集中并網(wǎng)系統(tǒng)在一個風(fēng)電場故障后，其他風(fēng)電場電壓也會有所下降，進(jìn)一步吸收大量無功，惡化故障風(fēng)電場故障穿越的電網(wǎng)環(huán)境，甚至在故障風(fēng)電場電壓跌落嚴(yán)重的情況（跌落至額定電壓20%時），非故障風(fēng)電場電壓、電流、有功和無功也發(fā)生劇烈振蕩，無法恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。這說明，風(fēng)電集群中各風(fēng)電場動態(tài)相互作用會降低風(fēng)電場故障穿越的能力。

圖14 非故障風(fēng)場電壓跌落至75%時的測試結(jié)果對比Fig.14 Comparison of test results when voltage of nonfaulty wind farm dropsto 75%

從圖12—15可以看出，風(fēng)電集群與火電打捆接入系統(tǒng)后，火電能夠提供無功，提升風(fēng)電集群低電壓穿越能力。

4 結(jié)論

1）風(fēng)電集群中各風(fēng)電場之間存在動態(tài)耦合，風(fēng)電場低電壓穿越時對電網(wǎng)支撐能力要求較高，風(fēng)電集群單獨(dú)并網(wǎng)（無打捆火電廠）時，故障風(fēng)電場很難實(shí)現(xiàn)故障穿越；在電壓跌落嚴(yán)重時，非故障風(fēng)電場也會發(fā)生劇烈的電壓、電流和功率振蕩，故障后無法恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2)當(dāng)海上風(fēng)電集群與火電打捆時，系統(tǒng)短路比提高，風(fēng)、火打捆系統(tǒng)低電壓穿越能力增強(qiáng)。而且，火電還能夠調(diào)節(jié)勵磁電流，增大無功功率支撐，降低系統(tǒng)電壓跌落程度，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電集群故障穿越，故障后穩(wěn)定運(yùn)行。

3）不同電壓跌落程度下，火電機(jī)組提供的無功功率有所不同，跌落程度越大，火電機(jī)組提供的無功功率越大。由于火電機(jī)組能提供的無功功率有限，在工程實(shí)際中，為提高風(fēng)、火打捆系統(tǒng)低電壓穿越能力，應(yīng)當(dāng)配合其他無功調(diào)節(jié)手段，根據(jù)實(shí)際情況需進(jìn)一步對多種無功支撐手段進(jìn)行仿真研究。