袁靜蔚

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

南匯地區(qū)地處上海東郊沿海，年平均風(fēng)速高，風(fēng)能密度大，氣候溫和無(wú)嚴(yán)寒酷暑，濕度適中，灘涂資源十分豐富，為風(fēng)力發(fā)電提供了廉價(jià)和廣闊的用地。該地區(qū)地勢(shì)平坦，對(duì)外交通方便，便于建設(shè)和安裝單機(jī)容量較大的風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)也降低了風(fēng)電場(chǎng)的的運(yùn)輸和安裝成本。上海電網(wǎng)容量大而且技術(shù)先進(jìn)，有利于風(fēng)電的吸收和利用，非常適合建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)［1］。

1 風(fēng)電場(chǎng)的主接線方式

南匯風(fēng)電場(chǎng)的電壓等級(jí)為35kV，原方案的風(fēng)電場(chǎng)主接線采用2個(gè)主變，在3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中可靠性和靈活性最高，但是送電損失較大，為此對(duì)南匯風(fēng)電場(chǎng)的接線方式進(jìn)行了調(diào)整，改用“一用一備”方式運(yùn)行。改造后雖然降低了輸電損失，但是犧牲了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的可靠性和靈活性。臨港新城風(fēng)電場(chǎng)的電壓等級(jí)為35kV，風(fēng)電場(chǎng)的主接線只能通過(guò)一路出線與大電網(wǎng)相連，在3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中最薄弱。東海大橋風(fēng)電場(chǎng)的電壓等級(jí)為110kV，運(yùn)行方式完全發(fā)揮主接線的優(yōu)點(diǎn)，但是采用了線路變壓器組接線，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)某一出線回路檢修時(shí)，只能通過(guò)單主變、單出線與大電網(wǎng)相連，限制了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的靈活性。

1.1 南匯風(fēng)電場(chǎng)

南匯風(fēng)電場(chǎng)于2005年1月投運(yùn)，目前共有11臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，單機(jī)額定功率為1.5MW，總?cè)萘繛?6.5MW，采用三相變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）。送電線路參見(jiàn)圖1。

11臺(tái)風(fēng)電機(jī)組被分為風(fēng)機(jī)一線到風(fēng)機(jī)四線，共4組。1—3號(hào)風(fēng)電機(jī)組為第1組；4，5，8號(hào)風(fēng)電機(jī)組為第2組；6，7，11號(hào)風(fēng)電機(jī)組為第3組；9，10號(hào)風(fēng)電機(jī)組為第4組。風(fēng)電機(jī)組的輸出分為兩組，分別與站用變并聯(lián)，通過(guò)公用10kV母線接入主變（20MVA），升壓到35kV后由兩路35kV母線通過(guò)治風(fēng)3992和治風(fēng)3993線路與大電網(wǎng)相連。35kV母線之間和10kV母線之間都通過(guò)分段開(kāi)關(guān)連接，但前者不設(shè)“自切”裝置，后者設(shè)“自切”裝置，正常運(yùn)行時(shí)處在“自切”狀態(tài)。10kV母線和35kV母線都采用單母分段接線方式，治風(fēng)3992和治風(fēng)3993為架空線—電纜混合線路。

圖1 南匯風(fēng)電場(chǎng)送電線路

2005年6月對(duì)送電線路的運(yùn)行方式進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整工作把1號(hào)主變和線路治風(fēng)3993改成熱備用狀態(tài)，由2號(hào)主變承擔(dān)風(fēng)電場(chǎng)輸出電力的全部升壓工作。一旦2號(hào)主變發(fā)生故障或者需要停運(yùn)檢修，通過(guò)切換讓1號(hào)主變迅速投入運(yùn)行。由于單臺(tái)主變?nèi)萘繛?0MVA，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)總發(fā)電容量?jī)H為16.5MW，因此由單臺(tái)主變帶全站容量是可行的，而且可以提高主變的負(fù)荷率，運(yùn)行在最佳工況。不過(guò)在此運(yùn)行方式下，如果2號(hào)主變發(fā)生故障，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組就會(huì)全部解列，必須讓熱備用狀態(tài)的1號(hào)主變轉(zhuǎn)入運(yùn)行后，風(fēng)電機(jī)組才能重新并列上網(wǎng)，也就是說(shuō)運(yùn)行方式調(diào)整后，系統(tǒng)的可靠性會(huì)受到影響。不過(guò)，南匯風(fēng)電場(chǎng)的主變故障率很低，風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)6年多，僅發(fā)生1次主變故障，因此風(fēng)電場(chǎng)因主變故障而解列的風(fēng)險(xiǎn)不大。

1.2 臨港新城風(fēng)電場(chǎng)

臨港新城風(fēng)電場(chǎng)建于2010年9月，站內(nèi)共有6臺(tái)采用三相變速雙饋異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組，總?cè)萘繛?3.7MW。其中1號(hào)和2號(hào)單機(jī)額定功率為1.25MW；3號(hào)和6號(hào)單機(jī)額定功率為3.6MW；4號(hào)和5號(hào)單機(jī)額定功率為2MW。

臨港新城風(fēng)電場(chǎng)的輸電線路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，6臺(tái)風(fēng)電機(jī)組分為兩組，輸出電力經(jīng)過(guò)主變升壓后，通過(guò)架空線—電纜接入電網(wǎng)。但是這種接線方式一旦開(kāi)關(guān)和母線發(fā)生故障或者需要檢修，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)只能停運(yùn)，所以可靠性和靈活性較低。至2011年3月，因計(jì)劃?rùn)z修停役1次。

1.3 東海大橋風(fēng)電場(chǎng)

東海大橋風(fēng)電場(chǎng)于2009年7月投運(yùn)，站內(nèi)共有34臺(tái)三相變速雙饋異步發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定功率為3MW，總?cè)萘繛?02MW。東海大橋風(fēng)電場(chǎng)的送電線路參見(jiàn)圖2。

圖2 東海大橋風(fēng)電場(chǎng)的送電線路

34臺(tái)風(fēng)電機(jī)組被分為風(fēng)機(jī)一線到風(fēng)機(jī)四線，共4組：風(fēng)機(jī)一線、風(fēng)機(jī)二線與1號(hào)站用變并聯(lián)，通過(guò)35kV一段母線接入1號(hào)主變，經(jīng)過(guò)主變升壓到110kV，再通過(guò)洋電1567線路并網(wǎng)；風(fēng)機(jī)三線、風(fēng)機(jī)四線與2號(hào)站用變并聯(lián)，通過(guò)35kV二段母線接入2號(hào)主變，經(jīng)過(guò)主變升壓到110kV，再通過(guò)洋電1571線路并網(wǎng)。其中洋電1567和洋電1571均為純電纜線路。單臺(tái)主變的容量為120MVA，并設(shè)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)。35kV一段與二段母線通過(guò)分段開(kāi)關(guān)連接，35kV分段開(kāi)關(guān)正常運(yùn)行時(shí)為熱備用，投入“自切”裝置。1號(hào)和2號(hào)主變均設(shè)有載調(diào)壓裝置，正常運(yùn)行時(shí)投入“自動(dòng)”。當(dāng)110kV一個(gè)回路停役時(shí)，單主變帶全站容量是可行的。

在設(shè)計(jì)初期，考慮到單主變能帶全站容量，綜合其他因素，節(jié)約投資，采用了線路變壓器組接線方式。不過(guò)這種方式雖然接線簡(jiǎn)單、設(shè)備少、投資省，但是由于線路和變壓器被“綁定”運(yùn)行，在線路檢修時(shí)變壓器必須停運(yùn)，反之變壓器檢修時(shí)要停運(yùn)線路。當(dāng)單主變單線路帶全站負(fù)荷時(shí)，只要線路、主變、主變對(duì)應(yīng)的35kV母線有一個(gè)故障，就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)全面停運(yùn)，因此可靠性和靈活性較差。

2 并網(wǎng)的低壓側(cè)運(yùn)行方式

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊也增加，這種沖擊不僅可能造成電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的大幅度下降，還可能造成發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件（塔架、槳葉、增速器等）的損壞。如果并網(wǎng)沖擊時(shí)間持續(xù)過(guò)長(zhǎng)，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，采用合理的并網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

南匯地區(qū)3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)均使用雙饋異步感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)和解列都通過(guò)變頻器控制單元，實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組溫度、電壓、電流、功率及電網(wǎng)參數(shù)等。如果電壓和頻率超過(guò)或低于事先設(shè)定的極限值，風(fēng)電機(jī)組變頻器保護(hù)動(dòng)作，斷開(kāi)電網(wǎng)連接。反之，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到并網(wǎng)的條件，即會(huì)自動(dòng)合上風(fēng)電機(jī)組開(kāi)關(guān)，同期并網(wǎng)。在風(fēng)電場(chǎng)正常停役、復(fù)役操作、事故處理等情況下，都會(huì)涉及到風(fēng)電機(jī)組的切出、投入問(wèn)題。

2.1 自切投入

采用35kV南匯風(fēng)電場(chǎng)初期采用的低壓側(cè)運(yùn)行方式或110kV東海大橋風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)運(yùn)行方式，當(dāng)某一段低壓母線因出線或者主變永久性故障失電后，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后低壓分段都會(huì)采取自切保護(hù)動(dòng)作，合上分段開(kāi)關(guān)，跳開(kāi)失電母線電源開(kāi)關(guān)。但是，由于低壓母線曾失電，風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)解列（自切動(dòng)作時(shí)間遠(yuǎn)大于風(fēng)電機(jī)組低電壓跳閘時(shí)間），分段合上后只是對(duì)失電母線恢復(fù)供電。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生系統(tǒng)故障造成斷電或線路開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)檢查線路斷電或跳閘原因（若逢夜間應(yīng)首先恢復(fù)主控室用電），必須待系統(tǒng)恢復(fù)正常才能重新啟動(dòng)機(jī)組并通過(guò)計(jì)算機(jī)并網(wǎng)。因此，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行一般不會(huì)在失電母線恢復(fù)供電后立即通過(guò)IGBT控制讓風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)并網(wǎng)，而是由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員手動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)，實(shí)踐中目前風(fēng)電場(chǎng)的低壓側(cè)的自切功能并沒(méi)有發(fā)揮很大的作用。

2.2 并列和解列

對(duì)于南匯風(fēng)電場(chǎng)初期運(yùn)行方式和東海大橋風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)某臺(tái)主變或者某回高壓側(cè)出線需要檢修時(shí)，都需要在風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)進(jìn)行并列或者解列操作（簡(jiǎn)稱(chēng)并解列操作），由于低壓側(cè)兩段母線電壓、頻率等值均不盡相同，無(wú)法滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組同期并網(wǎng)條件，會(huì)使正常的并解列操作步驟變得很復(fù)雜。其中“分段改運(yùn)行”操作是把某臺(tái)（1號(hào)或者2號(hào)）主變的低壓側(cè)開(kāi)關(guān)改為熱備用，要求風(fēng)電機(jī)組必須先行解列，同時(shí)停用自切裝置，然后合低壓側(cè)分段開(kāi)關(guān)。拉開(kāi)該主變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，才能讓風(fēng)電機(jī)組再行并網(wǎng)。“分段改熱備用”操作是把某臺(tái)主變的低壓側(cè)開(kāi)關(guān)改為運(yùn)行，要求風(fēng)電機(jī)組必須先行解列，然后合上該主變的低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，同時(shí)拉開(kāi)低壓側(cè)分段開(kāi)關(guān)，最后投入自切裝置，才能讓風(fēng)電機(jī)組再行并網(wǎng)。由于風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)要求，目前的操作方式必須在風(fēng)電機(jī)組停役后進(jìn)行并解列，并在并解列結(jié)束后重新投入風(fēng)電機(jī)組，增加了很多操作步驟，不利于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式的快速調(diào)整。

從運(yùn)行角度而言，如果能在分段開(kāi)關(guān)、主變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)上裝設(shè)同期裝置，那在風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)單母分段并解列操作時(shí)，就不會(huì)引起風(fēng)電機(jī)組解列，可以有效簡(jiǎn)化操作步驟。

3 風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越

變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）在結(jié)構(gòu)上不能分離與電網(wǎng)之間的聯(lián)系，導(dǎo)致機(jī)組對(duì)電網(wǎng)故障非常敏感，而且在故障情況下小功率變頻器對(duì)DFIG的控制能力也受到限制。隨著DFIG風(fēng)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中所占容量的快速提高，發(fā)電機(jī)與局部電網(wǎng)之間的相互影響也越來(lái)越大，必須將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)作為一個(gè)整體來(lái)實(shí)施運(yùn)行控制。為此，電力公司及電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商紛紛提出了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)規(guī)范，并且從維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的角度出發(fā)，要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，即要求DFIG風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越（LVRT）能力。

南匯地區(qū)3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)均采用DFIG，由于結(jié)構(gòu)上的局限，對(duì)電網(wǎng)故障非常敏感，而且變頻器的控制能力也有限。35kV南匯風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)近7年，因主變和35kV出線故障導(dǎo)致解列只有2次，但因電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成風(fēng)電機(jī)組解列事故多達(dá)數(shù)十次。35kV臨港新城風(fēng)電場(chǎng)由于投運(yùn)時(shí)間尚短，至今還沒(méi)發(fā)生因低電壓穿越造成的風(fēng)電機(jī)組解列事故。110kV東海大橋風(fēng)電場(chǎng)由于所處電壓等級(jí)較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性要比35kV系統(tǒng)可靠，尚未發(fā)生低電壓穿越故障。

4 結(jié)語(yǔ)

分析南匯地區(qū)3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行方式，可以得出以下結(jié)論。

1）35kV南匯風(fēng)電場(chǎng)于2005年投運(yùn)，為了減低線損而改變運(yùn)行方式，由單主變帶全站負(fù)荷，降低了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行可靠性和靈活性；110kV東海大橋風(fēng)電場(chǎng)和35kV臨港風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)時(shí)間不長(zhǎng)，雖然主接線可靠性和靈活性欠佳，但由于風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展和成熟，低電壓穿越等風(fēng)電場(chǎng)常見(jiàn)故障尚未發(fā)生。

2）由于異步風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的要求，南匯風(fēng)電場(chǎng)和東海大橋風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)單母分段運(yùn)行方式，無(wú)論在正?；蛘呤鹿是闆r下進(jìn)行并解列操作都需要先行解列某段母線上的所有風(fēng)電機(jī)組，增加了操作時(shí)間。設(shè)想在主變低壓開(kāi)關(guān)和分段開(kāi)關(guān)上裝設(shè)同期裝置，以達(dá)到風(fēng)電機(jī)組不解列而進(jìn)行主變低壓側(cè)并解列操作，但其可行性尚待風(fēng)電場(chǎng)二期改造時(shí)同步試驗(yàn)。

3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收無(wú)功，相當(dāng)于電網(wǎng)的一個(gè)無(wú)功負(fù)荷，而無(wú)功功率是影響電網(wǎng)電壓的主要因素。南匯地區(qū)3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)雖然屬于兆瓦級(jí)甚至是百兆瓦級(jí)的中大型風(fēng)電場(chǎng)，但與南匯電網(wǎng)而言風(fēng)電場(chǎng)的容量很小，因此即便當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓下降導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組需要從電網(wǎng)中吸收更多的無(wú)功，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)影響也不會(huì)很大，反倒是風(fēng)電場(chǎng)受電網(wǎng)故障影響較大，風(fēng)電機(jī)組因低電壓穿越問(wèn)題已經(jīng)造成風(fēng)電機(jī)組多次解列。對(duì)于變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)雖然有多種控制低電壓穿越的方法，但都有一定局限性。

目前，35kV南匯風(fēng)電場(chǎng)正在對(duì)治風(fēng)3993回路進(jìn)行柔性直流輸電技術(shù)改造，以后風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)一回柔性直流輸電線路，一回交流線路，同時(shí)與系統(tǒng)并列運(yùn)行，可為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)、孤島供電、交直流電網(wǎng)并列運(yùn)行提供技術(shù)支撐和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

［1］法德超、池釗偉，上海地區(qū)開(kāi)發(fā)風(fēng)力發(fā)電的必要性和南匯風(fēng)力發(fā)電示范場(chǎng)場(chǎng)址選擇［J］，風(fēng)力發(fā)電，2007（03）：25－28.