風電機組低電壓穿越能力對110 kV電網的影響研究

張磊，陳道君，王燦，咼虎，李晨坤

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南長沙410007；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

風電機組低電壓穿越能力對110 kV電網的影響研究

張磊1，陳道君2，王燦2，咼虎2，李晨坤2

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南長沙410007；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

在介紹雙饋感應風電機組及低電壓穿越能力的基礎上，結合湖南郴州地區實際并網風電場，仿真分析風電機組具備/不具備低電壓穿越能力對110 kV電網的影響。結果表明:并網風電機組具備低電壓穿越能力非常必要，可以盡量減少故障對系統安全穩定運行的負面影響。

雙饋感應風電機組；低電壓穿越能力；系統安全穩定

近年來，隨著全球能源安全和環境問題的日益突出，風電作為技術最成熟、最具規模化開發條件和商業化發展前景的可再生能源發電技術在全球范圍內得到了迅猛發展。隨著風力發電技術的快速發展，基于雙饋感應發電機 (doubly fed induction generators，DFIG)的變速風電機組技術日益成熟，逐步取代恒速風電機組成為世界風力發電市場上的主流機型。國內外對雙饋式風電場低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力的實現進行了大量研究。文獻 〔1〕 研究了雙饋風電機組LVRT的控制策略；文獻 〔2〕分析和總結了雙饋式風電系統LVRT功能的實現方案，并對雙饋式風力發電系統LVRT技術的發展趨勢進行了展望。目前研究主要涉及發電機本體或控制策略本身，很少涉及電力系統對風電機組的LVRT要求。

對地區電網，接入的風電場是否必須具備LVRT能力，風電場有無LVRT能力對地區電網的運行穩定產生什么影響，這些問題都需要進一步研究。文中結合湖南郴州地區實際并網風電場，在典型的系統故障 (線路三相接地)下，仿真分析了風電場具備/不具備LVRT能力對110 kV電網的影響。

1 雙饋感應發電機簡介

雙饋感應發電機屬于變速恒頻風機范疇，包括氣動系統、機械系統、電氣系統和控制系統4個部分，DFIG的結構示意見圖1。雙饋變速異步風電機定子直接與電網相連，轉子通過AC－DC－AC變換器與電網相連，其勵磁通過轉子側變換器提供，實現了PQ(有功、無功)解耦控制，具有獨立的調節無功的能力。雙饋風力發電機借助變換器還可以改善并優化機組的運行條件，實現與電網的柔性連接，且在系統無功功率不足的情況下，可以向電網提供一定的無功功率，以維持電網的電壓穩定。一般具有兩種控制模式:定功率因數控制、定電壓控制〔3〕。目前，風電機組中應用較為廣泛的是定功率控制模式。

圖1 雙饋變速異步風電機組

2 風電機組低電壓穿越能力

2.1 低電壓穿越的概述

風電機組的低電壓穿越是指當電網故障或擾動引起的風電場并網點的電壓跌落時，在一定電壓跌落范圍內，風電機組能夠不間斷并網運行〔4〕。

通常情況下電網發生電壓突降時機端電壓難以建立，若風電機組繼續掛網運行，將會影響到電網電壓無法恢復。因此，這種情況一般切除風電機組。隨著風力發電機組裝機容量占電網總裝機容量比日益增大，其切機情況對電網的安全運行造成的影響也就日益嚴重。國外的經驗表明當這個數值達到3%～5%時，高風速期間如果出現大面積切機將對電網產生嚴重影響，因此風力發電機組的低電壓穿越能力 (LVRT)也就顯示出其重要性。

由電網電壓跌落造成的風機大面積切機不但會對電網造成嚴重影響，還會對風電機組本身造成很大危害。在這個過程中風電機組會出現機械輸入和電氣輸出功率不平衡，暫態過程導致發電機中出現過流，造成電氣器件損壞，同時由不平衡帶來的附加轉矩、應力還有可能損壞機械部件。因此須采取有效的低電壓穿越措施，以維護風場電網的穩定。

2.2 低電壓穿越的規定要求

文獻 〔5〕中對風電場的低電壓穿越提出了如圖2所示的要求:風電場并網點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須保證不間斷并網運行；并網點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場內風電機組允許從電網切出。此外，對于目前尚不具備低電壓穿越能力且已投運的風電場，應積極開展機組改造工作，以具備低電壓穿越能力。因此，規定的風電場低電壓穿越要求為:

圖2 低電壓穿越能力曲線

1)風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保持并網運行625 ms的低電壓穿越能力；

2)風電場并網點電壓在發生跌落后2 s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組保持并網運行。

3 實例分析

3.1 電網數據

采用包含婁底、邵陽、懷化、湘西、衡陽、郴州和永州7個地區110 kV網架的2016年度方式計算數據計算分析。

預計截止到2016年底，湖南并網風電場共32座，其中郴州地區風電場12座，總裝機容量676 MW，占湖南省風電裝機容量的31.8%。因此，選取郴州作為典型實例。郴州西南部分布有9座風電場，其局部電網結構如圖3所示。

圖3 2016年郴州地區局部電網結構

3.2 三永故障設置參數

220 kV線路三永故障繼電保護、斷路器及安全自動裝置操作時序見表1。220 kV主變220 kV或者110 kV側發生三相故障，0.12 s跳主變三側。

閱讀一個民族的歷史小說是了解這個民族歷史和精神氣質的有效途徑。這也符合蘇格蘭文學的傳統，即通過小說來講述歷史。然而，蘇格蘭歷史小說浪漫化的特點并不能真正展示蘇格蘭歷史的全貌。正如蘇格蘭歷史研究專家科林·基德（Colin Kidd）指出的，盡管蘇格蘭的過去生動而獨特，卻因其濃重的地方色彩和演義性質，無法為現代蘇格蘭社會提供一個可供參考、邏輯完整的意識形態。（轉引自Craig 1999：118）蘇格蘭人留給蘇格蘭的歷史如同《蘭納克》中的“時光隧道”，沒有時間的流動，完全處于真實的歷史因果之外。這種狀況在蘇格蘭進入工業化社會之后也未得到改善，它成功抹去了浪漫化的過去，卻仍未架起通往現在的橋梁。

表1 220 kV線路三永故障操作時序 s

3.3 LVRT能力對電網的影響

考慮2016年夏小方式風電場滿額出力方式，在風電機組具備/不具備低電壓穿越能力兩種情況下，計算分析風電場近區220 kV系統故障對風電場運行的影響。其中，風電機組低電壓穿越參數根據圖2設置，風電機組低電壓保護定值設置為風機機端電壓低于0.8 p.u.時風機脫網。以郴州地區220 kV蘇耽—蓉城線和220 kV蘇耽—福沖線路蘇耽側三永故障為例研究電網故障對風電場運行的影響。

2016年夏小方式，郴州地區風電場滿額出力，220 kV蘇耽—蓉城線路蘇耽側發生三永故障，當風電機組具備低電壓穿越能力時，郴州地區風電場全部穩定運行，沒有發生脫網；當風電機組不具備低電壓穿越能力時，郴州地區風電場全部脫網，脫網容量合計676 MW。風電機組具備/不具備低電壓穿越能力時，系統均可以保持穩定運行。蘇蓉線蘇耽側三永故障導致風電場脫網的具體數據見表2。蓉城110 kV母線電壓恢復對比曲線如圖4所示。風電機組具備低電壓穿越能力時，蓉城110 kV母線電壓約在1.46 s恢復至額定電壓；而當風電機組不具備低電壓穿越能力時，蓉城110 kV母線電壓約在1.79 s恢復至額定電壓。

表2 風電機組脫網數據 (夏小風電滿額出力)

圖4 蓉城110 kV電壓恢復對比曲線

2016年夏小方式，郴州地區風電場滿額出力，220 kV蘇耽—福沖線路蘇耽側發生三永故障，當風電機組具備低電壓穿越能力時，郴州地區風電場除水源、太平里全部脫網外 (脫網容量合計125 MW)，其余風電場均穩定運行，沒有發生脫網；當風電機組不具備低電壓穿越能力時，郴州地區風電場全部脫網，脫網容量合計676 MW。風電機組具備/不具備低電壓穿越能力時，系統均可以保持穩定運行。蘇福線蘇耽側三永故障導致風電場脫網的具體數據見表2所示。福沖110 kV母線電壓恢復對比曲線如圖5所示。風電機組具備低電壓穿越能力時，福沖110 kV母線電壓約在1.57 s恢復至額定電壓；而當風電機組不具備低電壓穿越能力時，福沖110 kV母線電壓約在1.82 s恢復至額定電壓。

圖5 福沖110 kV電壓恢復對比曲線

4 結論

1)2016年夏小方式，在郴州地區風電場滿額出力方式下，風電機組具備/不具備低電壓穿越能力時，電網發生故障，系統均可以保持穩定運行。

2)當電網發生故障時，具備低電壓穿越能力的風電場并網運行能力較無低電壓穿越能力的風電場強。如果風電機組不具備低電壓穿越能力，電網故障會導致郴州地區風電場大范圍脫網。

4)隨著各地區并網風電場容量的逐步增加，為了維持整個地區電網的安全穩定，并網風電機組具備低電壓穿越能力非常必要，可以盡量減少故障對系統安全穩定運行的負面影響。

〔1〕張永斌，袁海文.雙饋風電機組低電壓穿越主控系統控制策略〔J〕.電力自動化設備，2012，32(8):106-112.

〔2〕蘇平，張靠社.基于主動式IGBT型Crowbar的雙饋風力發電系統LVRT仿真研究 〔J〕.電力系統保護與控制，2010，38 (23):164-171.

〔3〕陳道君，王燦，李晨坤，等.分散式風電接入對110 kV地區電網無功電壓特性的影響研究 〔J〕.中國農村水利水電，2015，3:188-191.

〔4〕付鵬武，朱鍇，歐陽惠，等.STATCOM在雙饋風電場低電壓穿越中的應用研究 〔J〕.湖南電力，2014，34(4):12-16.

〔5〕風電場接入電力系統技術規定:GB/T 19963－2011〔S〕.北京:中國標準出版社，2011.

Research on influences of wind turbines low voltage ride through capability on 110 kV grid

ZHANG Lei1，CHEN Daojun2，WANG Can2，GUO Hu2，LI Chenkun2
(1.Hunan Xiangdian Boiler＆Pressure Vessel Test Center Co.，Ltd.，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Based on the introduction of doubly fed induction wind turbine and low voltage ride through capability，combining with Chenzhou actual grid－connected wind farms，simulation and analysis on influences of wind farms have/does not have low voltage ride through capability on 110 kV grid.The results show that the low voltage ride through capability of grid－connected wind turbines is necessary to minimize the negative impact of failures on the system security and stability.

doubly fed induction wind turbine；low voltage ride through capability；system security and stability

TM712

A

1008－0198(2016)06－0018－03

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.005

張磊(1991)，男，碩士，助理工程師，主要從事電網安全穩定計算分析方面的生產和科研工作。

陳道君(1986)，男，博士，工程師，主要從事電網安全穩定計算分析方面的生產和科研工作。

王燦(1986)，男，博士，工程師，主要從事電網安全穩定計算分析方面的生產和科研工作。

咼虎(1983)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統運行分析與仿真工作。

李晨坤(1988)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統運行分析與仿真工作。

2016－04－01