小型風(fēng)電場接入城市電網(wǎng)后的低電壓穿越特性研究

曾華初

（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

小型風(fēng)電場接入城市電網(wǎng)后的低電壓穿越特性研究

曾華初

（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

由于國家政策的大力支持，風(fēng)力發(fā)電得到了迅速發(fā)展。一些擁有足夠風(fēng)力資源的城市新建了風(fēng)力發(fā)電場，并將風(fēng)電場的發(fā)電直接輸入城市電網(wǎng)。本文以珠海市橫琴風(fēng)電場為例，分析了城市電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)對風(fēng)電場的影響，并采用了一種提高風(fēng)電場風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力的方法，通過PSCAD/EMTDC軟件建模仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

風(fēng)力發(fā)電；城市電網(wǎng)；低電壓穿越；撬棒電路

1 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭和自然環(huán)境的日益惡化，新能源發(fā)電受到了世界各國的廣泛關(guān)注，其中風(fēng)電以其特有的優(yōu)勢獲得了最為迅速的發(fā)展。我國在近十年來新建了大量風(fēng)力發(fā)電場，不僅包含位于西北部的大型風(fēng)電場，也包括位于東南沿海城市周邊的小型風(fēng)電場。對于接入城市電網(wǎng)的小型風(fēng)電場，由于輸電距離短﹑城市電網(wǎng)故障頻發(fā)，其低電壓穿越能力顯得尤為重要。廣東省珠海市橫琴風(fēng)電場位于珠海市橫琴島腦背山山體四周，所發(fā)電量主要在橫琴島就地消化，屬于此類小型風(fēng)電場的典型代表，針對其低電壓穿越能力的研究具有典型意義。

表1 分布式電源并網(wǎng)的電壓等級

圖1 低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

圖2 撬棒電路原理圖

2 風(fēng)電場低電壓穿越能力概述

風(fēng)電場低電壓穿越能力，即交流電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電場接入電網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落后，風(fēng)電場保持不脫網(wǎng)并在故障消除后恢復(fù)風(fēng)功率傳輸?shù)哪芰Α?/p>

世界各國通用的風(fēng)電場低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)如圖 1所示。圖中U為風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)交流電壓值，UN為其額定值，Umin為不允許風(fēng)電場脫網(wǎng)的最低電壓值，tLVRT為不允許風(fēng)電場脫網(wǎng)的最長時(shí)間。

故障發(fā)生后，當(dāng)風(fēng)電場與城市電網(wǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓值位于圖 1陰影部分以上時(shí)，不允許風(fēng)電場脫網(wǎng)。各個(gè)國家的風(fēng)電場低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)有所不同，一般來說，Umin/ UN應(yīng)選取為15%～25%之間，tLVRT應(yīng)選取為0.5s～3s之間。只有當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降至Umin以下或故障時(shí)間超過tLVRT時(shí)，才允許風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)從城市電網(wǎng)切斷。

可將連接至城市電網(wǎng)的風(fēng)電場低電壓穿越要求歸結(jié)為：

（1）保持城市電網(wǎng)故障期間不脫網(wǎng)運(yùn)行，以防風(fēng)力發(fā)電機(jī)解列引發(fā)城市電網(wǎng)更大的后繼故障；

（2）連續(xù)﹑穩(wěn)定地提供無功功率以協(xié)助城市電網(wǎng)電壓恢復(fù)，減小城市電網(wǎng)電壓崩潰的可能性；

（3）釋放剩余能量，抑制故障電流；

（4）延緩風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，防止飛車。

3 小型風(fēng)電場并入城市電網(wǎng)實(shí)例分析

3.1 實(shí)例分析

珠海市橫琴風(fēng)電場采用直接接入城市電網(wǎng)的模式，為橫琴島提供負(fù)荷電源。根據(jù)規(guī)定，分布式電源接入城市電網(wǎng)電壓等級如表 1所示。

橫琴風(fēng)電場一期建設(shè)規(guī)模為15.75MW，應(yīng)當(dāng)通過兩回以上電纜線路并入20kV城市電網(wǎng)。目前橫琴風(fēng)電場內(nèi)共有5回集電線路匯集電能，然后經(jīng)過2回10kV電纜線路（風(fēng)電甲﹑乙線）接入石山站10kV母線，不符合表 1的規(guī)定；不過，根據(jù)橫琴新區(qū)的規(guī)劃，110kV石山站不久將退出運(yùn)行，橫琴新區(qū)也將全面采用220kV/20kV電壓等級，屆時(shí)橫琴風(fēng)電場并網(wǎng)電壓等級將滿足規(guī)定的要求。

除電壓等級要求外，并入城市電網(wǎng)的小型風(fēng)電場還應(yīng)當(dāng)滿足有功功率控制的要求：通過20kV電壓等級并網(wǎng)的分布式電源，應(yīng)當(dāng)具備有功功率調(diào)節(jié)能力，并能根據(jù)電網(wǎng)頻率值﹑電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令值等信號調(diào)節(jié)電源的有功功率輸出，確保分布式電源最大輸出功率及功率變化率不超過電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的給定值，以確保電網(wǎng)故障或特殊運(yùn)行方式時(shí)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

本文以未來的橫琴新區(qū)20kV電網(wǎng)為例，研究橫琴風(fēng)電場并入城市電網(wǎng)后的低電壓穿越問題。

3.2 低電壓穿越方法

現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)范要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越能力不得低于被其取代的傳統(tǒng)發(fā)電方式，所以各國的風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)生及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)都對風(fēng)電設(shè)備的低電壓穿越運(yùn)行進(jìn)行了大量研究，提出了各種低電壓穿越技術(shù)。常規(guī)的風(fēng)電場低電壓穿越技術(shù)包括不需添加硬件設(shè)備的控制改進(jìn)方法和需要安裝硬件設(shè)備的硬件方法。常規(guī)的控制改進(jìn)方法包括改進(jìn)的矢量控制﹑改進(jìn)的魯棒控制等方法；常規(guī)的硬件方法包括定子側(cè)電阻陣列﹑直流母線撬棒電路等方法。

改進(jìn)的矢量控制和魯棒控制方法不僅包含傳統(tǒng)矢量控制和魯棒控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)有功﹑無功的獨(dú)立控制﹑具備一定的抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)，還解決了電網(wǎng)電壓大幅度跌落時(shí)PI控制器易出現(xiàn)飽和的問題，但其控制效果往往受到勵(lì)磁變頻器容量的限制。

定子側(cè)電阻陣列的方法改進(jìn)于定子側(cè)開關(guān)法。定子側(cè)開關(guān)法具備可以避免電網(wǎng)電壓驟降和驟升對風(fēng)機(jī)沖擊的優(yōu)點(diǎn)，但它并非是真正意義上的不脫網(wǎng)運(yùn)行，由于其關(guān)鍵器件容量較小，該方法對電網(wǎng)恢復(fù)的作用非常有限。定子側(cè)電阻陣列由一系列與交流開關(guān)并聯(lián)的電阻陣列構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)在于可以在電網(wǎng)電壓跌落的情況下保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的連接，缺點(diǎn)是需要使用大量大功率晶閘管，硬件成本高﹑電阻損耗大。

考慮到可行性和經(jīng)濟(jì)性，本文采用在直流母線安裝撬棒電路的方法實(shí)現(xiàn)并入城市電網(wǎng)的小型風(fēng)電場的低電壓穿越。

本文采用的撬棒電路如圖 2所示，圖中，Rcrowbar為撬棒電路阻尼電阻。

該撬棒電路與每臺(tái)風(fēng)機(jī)直流母線電容并聯(lián)，當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生電壓跌落致使風(fēng)功率無法外送時(shí)，各風(fēng)機(jī)直流母線電壓升高；該電壓超過一定限值時(shí)，撬棒電路中原本開斷的串聯(lián)IGBT閥組被觸發(fā)閉合，投入阻尼電阻，消耗無法外送的風(fēng)功率，保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)，且釋放能量﹑降低風(fēng)機(jī)受損的可能。

4 仿真分析

通過PSCAD/EMTDC建立小型風(fēng)電場接入城市電網(wǎng)的仿真模型，城市電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓設(shè)置為20kV，滿足分布式電源接入電網(wǎng)電壓等級的要求；通過鎖相環(huán)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)跟蹤城市電網(wǎng)頻率﹑采用槳距角控制和換流器有功功率控制方式確保風(fēng)電場輸出功率滿足分布式電源有功功率控制的要求。0s～1.0s，風(fēng)力發(fā)電場完成并網(wǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)；考慮最嚴(yán)重的情況，1.0s時(shí)刻，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生經(jīng)大電阻三相相間短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.1s。

圖 3 并網(wǎng)點(diǎn)交流電壓仿真波形（無撬棒）

圖 4 風(fēng)機(jī)母線直流電壓仿真波形（無撬棒）

圖 5 并網(wǎng)點(diǎn)交流電壓仿真波形（有撬棒）

圖 6 風(fēng)機(jī)母線直流電壓仿真波形（有撬棒）

4.1 無撬棒電路

當(dāng)風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機(jī)未安裝撬棒電路時(shí)，仿真波形如圖 3﹑圖 4所示，其中圖 3為風(fēng)電場與城市電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓波形，圖 4為風(fēng)機(jī)直流母線電壓波形?？梢?，1.0s～1.1s間，故障發(fā)生，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，并產(chǎn)生電壓尖峰；風(fēng)電場功率無法外送，風(fēng)機(jī)直流母線電壓上升至1.8倍標(biāo)幺值左右，對風(fēng)機(jī)安全造成嚴(yán)重威脅。

4.2 有撬棒電路

在風(fēng)機(jī)直流母線電容處安裝并聯(lián)撬棒電路，以1.1倍直流電壓標(biāo)幺值作為撬棒電路動(dòng)作閾值。故障發(fā)生后極短時(shí)間內(nèi)，直流電壓上升至動(dòng)作閾值，撬棒電路投入，仿真波形如圖 5﹑圖 6所示。

觀察圖 5可知，1.1s時(shí)由于故障消除而產(chǎn)生的交流電壓尖峰峰值有所降低，三相交流電壓也在1.2s左右恢復(fù)到故障前正常值；由圖 6可見，撬棒電路的投入達(dá)到了吸收風(fēng)電場功率的效果，直流電壓最高值由1.8倍標(biāo)幺值下降至1.1倍標(biāo)幺值左右，在釋放了風(fēng)機(jī)剩余能量的同時(shí)抑制了過電壓，大大降低了了并網(wǎng)點(diǎn)短路故障對風(fēng)機(jī)造成損害的可能性。

結(jié)語

橫琴風(fēng)力發(fā)電場是一個(gè)典型的小型風(fēng)電場接入城市電網(wǎng)的案例，其低電壓穿越能力具有重要的研究意義。本文采用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流母線側(cè)安裝撬棒電路的方法，提高風(fēng)電場的低電壓穿越能力。仿真研究結(jié)果表明，該方法不僅大大提高了風(fēng)電場的低電壓穿越能力，使得風(fēng)電場達(dá)到了低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，在故障發(fā)生期間不脫網(wǎng)運(yùn)行，也釋放了故障期間無法外送的風(fēng)功率，抑制了風(fēng)機(jī)直流母線電壓上升，減輕了城市電網(wǎng)故障可能對風(fēng)機(jī)造成的損害。

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