直驅型風電機組在系統暫態過程中的運行分析

鄭晶晶，楊 勇，陳 新，杜培東

(1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730050；2.國網甘肅省電力公司，蘭州730050）

0 引言

酒泉風電基地建設在甘肅電網的末梢，距主系統和負荷中心較遠，網絡結構相對薄弱，加之風電機組的短路特性與常規水、火電機組的短路特性差異很大，因此大規模風電場并網運行會引起明顯的電網穩定性問題[1-2]。目前，國內外對風電機組并網接納能力、風電機組對系統無功和電能質量的影響、風電機組對配網保護的影響以及低電壓穿越等問題開展了較多研究[3-8]。但對風電機組在系統暫態過程中的運行特性研究還缺乏實際測試數據的支持。本文通過在風電場330kV匯集站出線處進行短路試驗，對直驅型風電機組在系統發生大擾動時的暫態過程進行了測試，對其穩定運行能力進行了試驗和分析。

如圖1所示，某330kV風電場匯集站為四個大型風電場公用，總裝機容量為600MW。每個風電場通過各自的主變（330kV/35kV）接入匯集站330kV母線，經由一條330kV出線送至750kV變電站的330kV系統。本次試驗選擇第二風電場的風電機組進行，主要設備參數見表1和表2。

1 試驗情況介紹

1.1 試驗系統及主要設備參數

圖1 試驗系統示意圖

表1 第二風電場主變壓器參數

表2 測試風電機組主要參數

1.2 試驗內容

試驗一：330kV出線單相瞬時性接地故障

330kV線路近端圖1的k1點A相瞬時接地，保護動作后跳開A相，經延時后線路重合閘成功，風電機組保持在網運行。

試驗二：330kV出線單相永久性接地故障

330kV線路遠端圖1的k2點C相永久接地，保護動作后跳開C相，經延時后線路重合閘于故障，出線三相跳閘切除故障，風電機組脫網。

2 暫態過程中的系統電壓及風電機組電氣量變化實測分析

2.1 330kV送出線路近端發生A相瞬時性接地故障

試驗前系統運行工況：西北電網骨干網架全接線運行。西北電網大型火電廠均壓制小方式運行，河西地區主要火電廠大型火電機組均單機運行。試驗地區風電均衡開機約500MW。電網主要無功補償裝置均處于健康水平，具備隨時投入和退出的條件。

圖1所示系統處于穩定運行工況，某時刻在k1點發生A相瞬時性接地故障，試驗過程中測得的機組各電氣參數變化曲線如圖2所示。

圖2 單相瞬時故障時風電機組出口電氣參數變化

如圖2所示，系統發生A相瞬時接地故障。風電機組出口線電壓Ubc由608V最低降到279V，故障切除后最高升到627V。機組B相電流Ib由1320A最高升至1902A后，故障切除后最低降至421A，故障切除后2s內恢復至故障前電流值的90%左右。有功功率由1380kW降至1144kW，故障切除后最低降至431kW，故障切除后2s內恢復至故障前有功功率的90%左右。無功功率由90kVar增至最高523kVar，故障切除后2s內恢復至100kVar左右。

2.2 330kV送出線路遠端發生C相永久性接地故障

試驗前系統運行工況：電網骨干網架全接線運行。西北電網大型火電廠均壓制小方式運行，河西地區主要火電廠大型火電機組均單機運行。試驗地區風電均衡開機約800MW。電網主要無功補償裝置均處于健康水平，具備隨時投入和退出的條件。

圖1所示系統處于穩定運行工況，某時刻在k2點發生C相永久性接地故障，試驗過程中測得的機組各電氣參數變化曲線見圖3。

圖3 單相永久故障時風電機組出口電氣參數變化

如圖3所示，在發生C相永久接地故障后，風電機組出口線電壓由611V最低降到230V，線路重合于故障跳開后，最高升至901V，線路跳開8s后降為0。機組B相電流Ib在故障發生瞬時由660A升高至1309A，出線開關重合后最大達到1434A。有功功率由702kW降至267kW，線路再次跳開約1s后降為0。無功功率由54kVar升至最高388kVar，線路再次跳開后最高超過1900kVar，持續時間達1.5s左右。

2.3 直驅型風電機組在系統暫態過程中的運行特性分析

通過對風電機組在兩次暫態過程中的監測分析發現，當匯集站出線發生不同類型接地故障時，風電機組電氣參數變化差異較大。出線發生單相瞬時性接地故障時，機組能夠實現整個暫態過程中的低電壓穿越，保持連續在網運行。接地故障發生時機組出口電壓瞬時跌落，故障切除后迅速恢復至額定并略微升高。故障瞬間機組出口最大相電流超出額定值，出現短時過負荷。

當出線發生單相永久性接地故障時，機組在實現一次低電壓穿越后，最終由于出線跳閘而脫網。脫網后的機組各電氣參數變化較為劇烈。其中機組出口電壓升高至額定值的1.1倍以上持續的時間達到3s。出口電流有明顯增大，從功率變化曲線上可以看出，這部分電流增量主要是提供了機組的無功輸出。

比較兩次暫態過程發現，機組出口電壓跌落幅度越大，無功輸出增加越多。說明在系統發生接地故障時，風電機組具有發出無功的能力，從而避免電壓跌落過深，對系統電壓提供了一定支持[9-11]。同時，機組的這種暫態過程也有一定的消極作用，在一定程度上增加了系統恢復后出現過電壓的幾率。尤其是當系統發生永久性故障，導致出現風電機組的二次穿越并脫網時，無功功率急劇增大，機端出現明顯的持續數秒的過電壓情況，最高達到了額定值的1.45倍，如圖3（a）所示。直接導致Q匯集站330kV母線相電壓升高，最高達到了274.55kV，如圖4所示，這對機組和站內其他設備的安全運行及使用壽命造成了不利影響。

圖4 出線單相永久性接地故障時Q匯集站330kV母線電壓變化曲線

3 結語

經過近年來對風電機組低電壓穿越能力的檢測及相應改造，風電場在系統發生大擾動時的穩定運行能力得到了大幅提升。在單相瞬時接地短路試驗過程中，大部分機組未發生因低電壓而造成的脫網，風電場動態無功補償裝置也能夠快速正確地動作于對系統電壓的跟蹤調節，很大程度上保證了風電場的穩定運行，同時也確保了電網的安全穩定運行。但是因系統故障導致脫網后，機組出口會出現較高的過電壓，這對機組本身及相關設備會造成一定的威脅，還需對機組無功控制部分進行研究優化。

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