張琳，仇衛(wèi)東

(國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市，100052)

0 引言

我國(guó)風(fēng)電建設(shè)“十一五”期間快速發(fā)展，連續(xù)5年實(shí)現(xiàn)翻番。2010年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到44.733 GW，風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)到了29.56 GW［1-2］。然而風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過(guò)“十一五”期間的快速發(fā)展后，潛在的問(wèn)題開(kāi)始集中爆發(fā)［3-4］。由于風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的普遍缺失、風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制不到位、場(chǎng)內(nèi)設(shè)備存在缺陷、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理等方面存在的諸多問(wèn)題致使風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故頻繁發(fā)生。自2011年初以來(lái)，西北甘肅風(fēng)電基地、華北張北風(fēng)電基地相繼發(fā)生大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重影響［5-6］。

1 事故概況

1.1 西北“2.24”事故

2011年2月24日，甘肅電網(wǎng)橋西第一風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)升壓站35kV饋線電纜頭發(fā)生故障。

事故發(fā)生期間，甘肅風(fēng)電基地風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)598臺(tái)，損失出力共計(jì)840MW，事故未對(duì)西北主網(wǎng)產(chǎn)生明顯影響。

1.2 西北“4.3”事故

2011年4月3日，甘肅電網(wǎng)橋東第二風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)升壓站35kV饋線電纜頭發(fā)生故障。

事故發(fā)展過(guò)程與“2.24”事故類似，故障期間，系統(tǒng)低電壓時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，造成風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)320臺(tái)，損失出力445.5MW;故障切除后，電壓升高，高電壓期間風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)67臺(tái)，損失出力103MW。整個(gè)事故風(fēng)電機(jī)組共脫網(wǎng)400臺(tái)，損失出力568MW，事故未對(duì)西北主網(wǎng)產(chǎn)生大的影響。

1.3 西北“4.17”事故

2011年4月17日，干西330kV變電站35kV母線開(kāi)關(guān)發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓跌落，敦煌750kV變電站330kV母線電壓最低跌至283kV。

事故期間，低電壓導(dǎo)致536臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生脫網(wǎng)，損失出力794MW;高電壓導(dǎo)致44臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，損失出力63MW。整個(gè)事故風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)677臺(tái)，損失出力975MW。

1.4 西北“4.25”事故

2011年4月25日，嘉峪關(guān)330kV變電站330kV嘉酒Ⅱ線線路側(cè)高跨龍門(mén)架跌落到地面，造成嘉峪關(guān)330kV變電站3號(hào)主變、330kV 1號(hào)母線、嘉酒Ⅱ線、嘉玉Ⅰ、Ⅱ線相繼跳閘。330kV嘉玉雙回線路停運(yùn)后造成玉門(mén)330kV變電站失壓，玉門(mén)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行。

事故造成玉門(mén)330kV變電站所接風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組全部停運(yùn)，共計(jì)533臺(tái)，損失出力479MW;受故障沖擊的瓜州地區(qū)風(fēng)電低電壓期間脫網(wǎng)745臺(tái)，損失出力1 056MW，高電壓期間風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)69臺(tái)，損失出力110MW。

整個(gè)事故過(guò)程中風(fēng)機(jī)共脫網(wǎng)1 278臺(tái)，損失出力1 535.2MW，西北電網(wǎng)頻率最低至49.765 Hz，頻率越限時(shí)間為5 s，此次事故對(duì)西北電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生了一定影響。

1.5 張北“4.17”事故

2011年4月17日，張北佳鑫風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組側(cè)箱變35kV送出架空B相引線與35kV匯集線路C相搭接，引起B(yǎng)C相間短路故障，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)相間故障Fig.1 Diagram of phase to phase fault

在故障低電壓期間317臺(tái)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，損失出力420MW。義緣站并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后，由于系統(tǒng)大量無(wú)功過(guò)剩，系統(tǒng)電壓迅速升高，高電壓期間風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)310臺(tái)，損失風(fēng)電電力共計(jì)412MW。

察北站所接風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后，系統(tǒng)電壓大幅抬升，220kV義緣站電壓最高達(dá)到262kV(1.19 pu)，地區(qū)220kV站電容器過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作切除電容器。

故障共引起沽源地區(qū)220kV察北和義緣變電站所帶9座風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)共627臺(tái)，故障切除及脫網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組共計(jì)644臺(tái)、損失功率854MW，約占裝機(jī)容量的81.5%。

2 脫網(wǎng)事故分析

幾次大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故的起因有一定相似性，突出反映了目前風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中存在的共性問(wèn)題。

(1)故障期間，低電壓階段，由于風(fēng)電機(jī)組普遍不具備低電壓穿越能力，導(dǎo)致大量風(fēng)電機(jī)組低電壓脫網(wǎng);由于風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制存在問(wèn)題，導(dǎo)致低電壓階段大量風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)后，系統(tǒng)電壓迅速抬升，造成成功穿越低電壓的風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)，加重了事故，擴(kuò)大了脫網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量和范圍。

(2)在目前風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力普遍缺失的情況下，電網(wǎng)或風(fēng)電場(chǎng)短路故障造成大面積風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)不可避免。

(3)幾次事故均表明，事故前多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置感性支路未投入或未執(zhí)行恒電壓控制模式，導(dǎo)致低電壓風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)后，電容器組繼續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行引起風(fēng)電場(chǎng)側(cè)大量無(wú)功富余，造成系統(tǒng)電壓急劇攀升，大量風(fēng)電機(jī)組因系統(tǒng)電壓升高而脫網(wǎng)。

(4)現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組均有無(wú)功調(diào)節(jié)功能，在運(yùn)行時(shí)根據(jù)系統(tǒng)情況調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功出力可以有效解決事故后的無(wú)功調(diào)節(jié)問(wèn)題。

3 脫網(wǎng)事故暴露的主要問(wèn)題

縱觀上述幾次大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，除西北“4.25”事故系統(tǒng)變電站是因惡劣天氣導(dǎo)致事故外，其余幾次均為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部設(shè)備存在缺陷或保護(hù)存在問(wèn)題導(dǎo)致，集中暴露了當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)在建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等方面存在的問(wèn)題。

(1)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備存在較大安全隱患。在幾次事故中，故障設(shè)備涉及風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)的架空線、電纜、電纜頭以及母線電壓互感器等，且故障均為相間故障，充分說(shuō)明了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的設(shè)備質(zhì)量及施工工藝存在較大問(wèn)題，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)故障頻發(fā)，給風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了較大隱患。

(2)風(fēng)電機(jī)組普遍不具備低電壓穿越能力。從多次事故看，多數(shù)脫網(wǎng)風(fēng)機(jī)是由于不具備低電壓穿越能力造成的。亟需對(duì)各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行低電壓穿越能力改造工作?！?·17”事故中有部分完成低電壓穿越改造的風(fēng)電機(jī)組未脫網(wǎng)，從側(cè)面說(shuō)明風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力改造的必要性和迫切性。目前，風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)廠商正進(jìn)行在運(yùn)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力改造工作。

(3)風(fēng)電相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)電機(jī)組制造存在脫節(jié)問(wèn)題。Q/GDW392—2009《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在電網(wǎng)短暫故障時(shí)保持并網(wǎng)運(yùn)行0.625 s的低電壓穿越能力。但在運(yùn)的大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組均不具備低電壓穿越能力，與風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定要求相差甚遠(yuǎn)，也是造成大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故的主要原因之一。

目前，國(guó)內(nèi)一些風(fēng)電設(shè)備廠商尚未掌握風(fēng)電機(jī)組核心技術(shù)，尤其是變頻器部件及其控制系統(tǒng)，均需從國(guó)外進(jìn)口，其核心技術(shù)為國(guó)外風(fēng)機(jī)制造廠商掌控。擺脫風(fēng)機(jī)制造核心技術(shù)受制于人的局面，國(guó)內(nèi)的風(fēng)機(jī)廠商還有較長(zhǎng)的路要走。

(4)風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)裝置未按規(guī)定整定或投入。在西北“4.17”事故中，干西變及干西第二風(fēng)電場(chǎng)母差保護(hù)、主變低壓側(cè)后備保護(hù)未按規(guī)定整定或投入，致使故障時(shí)間延長(zhǎng)、故障范圍擴(kuò)大。

目前，大多風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)采用不接地運(yùn)行方式，單相故障不能快速切除，也是導(dǎo)致故障惡化、事故擴(kuò)大的主要因素之一。

(5)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制方面需進(jìn)一步加強(qiáng)。從后期幾次事故看，較前期“2.24”事故，因過(guò)電壓脫網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組比例有明顯減少，表明調(diào)度部門(mén)和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行部門(mén)在事故后加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功電壓控制方面的工作。下一步還需進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的無(wú)功補(bǔ)償裝置在事故過(guò)程中的調(diào)壓能力。

(6)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)水平有待提高?，F(xiàn)階段，部分風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員水平達(dá)不到調(diào)度運(yùn)行的要求，技術(shù)培訓(xùn)、典型事故應(yīng)急預(yù)案等針對(duì)性不強(qiáng)。事故表明，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行水平和管理水平都有待提高，設(shè)備檢修應(yīng)進(jìn)一步規(guī)范和加強(qiáng)。

4 中外風(fēng)電技術(shù)對(duì)比分析

鑒于2011年幾次大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故均與風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力、風(fēng)電機(jī)組無(wú)功控制等因素相關(guān)，因此有必要對(duì)中外風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)機(jī)制造技術(shù)和相關(guān)性能進(jìn)行分析對(duì)比。

4.1 風(fēng)機(jī)制造

目前，我國(guó)整機(jī)制造大多是引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，但風(fēng)電機(jī)組控制器、變流器等關(guān)鍵部件及其控制技術(shù)仍掌控在國(guó)外廠商手中，仍需進(jìn)口。從整機(jī)制造看，可分為3類:購(gòu)買(mǎi)國(guó)外成熟的風(fēng)電技術(shù)，取得生產(chǎn)許可后在國(guó)內(nèi)生產(chǎn);與國(guó)外設(shè)計(jì)技術(shù)公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行試制和生產(chǎn);與國(guó)外公司合資，引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)［7］。此外，還有部分廠家自主研發(fā)，自行制造。

我國(guó)風(fēng)電機(jī)組制造商的技術(shù)研發(fā)能力有待提高，目前尚未完全掌握風(fēng)電機(jī)組控制器、變流器等關(guān)鍵部件的電氣參數(shù)，無(wú)法提供其研發(fā)的風(fēng)電機(jī)組模型和參數(shù)，現(xiàn)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)絕大多數(shù)不具備有功功率控制能力、無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力和低電壓穿越能力，而國(guó)外風(fēng)電機(jī)組制造商通常出于技術(shù)保密等原因也不愿意提供相關(guān)的技術(shù)模塊。因此，亟需加強(qiáng)研究設(shè)計(jì)單位與風(fēng)電制造商的合作，盡快提高我國(guó)風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)技術(shù)水平。

4.2 風(fēng)機(jī)性能

(1)低電壓穿越能力。歐美各國(guó)依據(jù)各自電網(wǎng)、電源及接入條件，對(duì)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力要求有所不同。德國(guó)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越要求時(shí)限為1.5 s，電壓跌落程度較輕;丹麥對(duì)低電壓穿越要求規(guī)定從標(biāo)稱電壓的20% ～75%開(kāi)始，持續(xù)10 s;美國(guó)對(duì)于風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力要求如圖2［8］所示。

圖2 低電壓穿越要求(美國(guó))Fig.2 Low voltage ride-through requirements(USA)

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，在曲線上方，風(fēng)機(jī)須保持不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。低電壓穿越的參數(shù)要求是，電網(wǎng)電壓跌落深度為15%額定電壓時(shí)，風(fēng)機(jī)能夠保持0.625 s不脫網(wǎng)，電壓恢復(fù)至90%額定電壓的時(shí)間要求是在3 s以內(nèi)。

目前，我國(guó)大多數(shù)在運(yùn)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越0.625 s的能力，不滿足Q/GDW 392—2009《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求，風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)廠商正進(jìn)行在運(yùn)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力改造工作。自2010年底，我國(guó)三大風(fēng)機(jī)制造商已研發(fā)出具備低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組，并有部分機(jī)型已通過(guò)風(fēng)電檢測(cè)機(jī)構(gòu)的風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力測(cè)試。

從歐美各國(guó)對(duì)風(fēng)機(jī)低電壓穿越方面的要求看，其要求高于目前我國(guó)對(duì)風(fēng)機(jī)低電壓穿越性能的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，因歐美風(fēng)電大多為分散式電源，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模適中，且接入配電網(wǎng)，與我國(guó)風(fēng)電集中大規(guī)模開(kāi)發(fā)，遠(yuǎn)距離外送有著明顯差異。風(fēng)電的大規(guī)模集中式開(kāi)發(fā)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和影響遠(yuǎn)大于分散式接入電網(wǎng)，因此，有必要對(duì)我國(guó)風(fēng)電的相關(guān)技術(shù)規(guī)定進(jìn)行重新審視，以適應(yīng)我國(guó)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀，確保風(fēng)電、電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，保證風(fēng)電、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)無(wú)功功率控制。德國(guó)要求新建風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組均有無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力，無(wú)功功率因數(shù)要求在0.95(超前)至0.925(滯后)之間，陳舊風(fēng)電機(jī)組必須經(jīng)過(guò)技改實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率調(diào)節(jié);丹麥要求風(fēng)電場(chǎng)需要安裝足夠的無(wú)功補(bǔ)償容量，功率因數(shù)控制范圍原則上在0.995(超前)到0.995(滯后)之間，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)裝備無(wú)功補(bǔ)償裝置以保證10 s的無(wú)功功率平均值處于控制區(qū)域范圍內(nèi);美國(guó)要求風(fēng)電場(chǎng)能夠運(yùn)行在功率因數(shù)為0.95(超前)到0.95(滯后)之間，在零功率時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一定的電壓調(diào)節(jié)，另外，美國(guó)并不要求所有的風(fēng)電場(chǎng)都具有動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)的能力，應(yīng)視具體的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)而定。

我國(guó)目前的風(fēng)機(jī)類型主要為雙饋風(fēng)機(jī)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)，理論上，這類風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)可以發(fā)出一定的無(wú)功功率。但是由于一些風(fēng)機(jī)技術(shù)性能及變頻器容量限制等原因，目前我國(guó)絕大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)都將風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)設(shè)定為1，不具備在線調(diào)整功率因數(shù)的能力，無(wú)法充分利用風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功容量，實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓快速調(diào)節(jié)。

因此，亟需風(fēng)機(jī)廠商加強(qiáng)在風(fēng)機(jī)無(wú)功控制方面的研究和攻關(guān)，盡快打破技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無(wú)功控制，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有不具備無(wú)功控制的風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造。

5 結(jié)論及建議

(1)全面梳理風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力，對(duì)于低電壓穿越能力不合格的風(fēng)電機(jī)組，在技術(shù)可行的前提下，應(yīng)由風(fēng)電場(chǎng)制定切實(shí)可行的整改計(jì)劃，并盡快實(shí)施。

(2)加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行管理，督促風(fēng)電場(chǎng)投入SVC等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的自動(dòng)調(diào)整功能，并確保發(fā)生故障時(shí)電容器支路和電抗器支路能正確投切。

(3)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)開(kāi)展場(chǎng)內(nèi)低壓側(cè)保護(hù)的深入研究和完善改造，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)匯集線單相故障的快速切除，避免故障擴(kuò)大化。

(4)盡快出臺(tái)《風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容深度規(guī)定》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)細(xì)化風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量、無(wú)功電壓控制、風(fēng)機(jī)匯集側(cè)線路保護(hù)等方面的要求，在接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段要求風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主同期委托有設(shè)計(jì)資質(zhì)的研究單位或設(shè)計(jì)單位進(jìn)行電能質(zhì)量、無(wú)功電壓控制專題研究，并通過(guò)電網(wǎng)主管部門(mén)組織的評(píng)審。

(5)開(kāi)展風(fēng)電基地風(fēng)電接入規(guī)模及送出等方面的深化研究，確定風(fēng)電基地風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)原則等。

(6)加強(qiáng)大風(fēng)期間風(fēng)電大發(fā)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)視與分析，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式，制定合理的反事故預(yù)案，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(7)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行控制策略，場(chǎng)內(nèi)35kV匯集系統(tǒng)的接地方式、保護(hù)，電纜頭質(zhì)量等突出問(wèn)題，進(jìn)行專題研究，制定合理的技術(shù)解決方案，避免風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)事件的頻繁發(fā)生，保證電網(wǎng)和風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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