楊勇，秦睿，拜潤(rùn)卿，楊俊，鄭晶晶

（甘肅電力科學(xué)研究院蘭州730050）

酒泉風(fēng)電基地建設(shè)在甘肅電網(wǎng)的末梢，其特點(diǎn)是距主系統(tǒng)和負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，所發(fā)電能主要通過(guò)新建成的750 kV輸電通道集中外送。由于目前投運(yùn)的絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越功能，當(dāng)酒泉地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)電壓變化劇烈，使得整個(gè)酒泉風(fēng)電基地的風(fēng)電機(jī)組發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)事故的風(fēng)險(xiǎn)加劇。

由于風(fēng)電場(chǎng)有功出力具有隨風(fēng)波動(dòng)的特點(diǎn)，并網(wǎng)線路或送電通道上潮流變化頻繁，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)引起電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性問(wèn)題[1]，尤其風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)長(zhǎng)距離接入電網(wǎng)，其無(wú)功補(bǔ)償對(duì)局部電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)作用更加重要[2-5]。

1 問(wèn)題的提出

對(duì)近來(lái)發(fā)生在酒泉風(fēng)電基地的幾次風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)事故進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電裝機(jī)容量占比較大的酒泉電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)電壓通常會(huì)出現(xiàn)如下的變化：電壓跌落（事故發(fā)生）－故障切除－電壓升高（產(chǎn)生過(guò)電壓）。圖1為酒泉地區(qū)發(fā)生風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)事故時(shí)某750 kV變電站2號(hào)主變330 kV側(cè)電壓變化。

圖1 相電壓在風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)事故前后的變化Fig.1 Phase voltage changes before and after the large-scale off-grid wind power accident

事故發(fā)生前，各風(fēng)電場(chǎng)出力正常，大部分風(fēng)場(chǎng)均投入了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置所配置的濾波電容器組，用以維持母線電壓。同時(shí)，因設(shè)備故障或運(yùn)行管理的原因，部分風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的自動(dòng)調(diào)節(jié)支路并未有效投入。故障發(fā)生時(shí)，大量風(fēng)電機(jī)組因不具備低電壓穿越功能在電壓驟降時(shí)迅速脫網(wǎng)。從圖1中可以看出，在故障切除后，電網(wǎng)電壓迅速恢復(fù)，但并沒(méi)有穩(wěn)定在正常范圍，相反，在過(guò)剩無(wú)功的作用下電壓繼續(xù)上升，最終導(dǎo)致過(guò)電壓的發(fā)生。其中某750 kV變電站2號(hào)主變330 kV側(cè)電壓最高達(dá)到了380 kV。導(dǎo)致相當(dāng)一部分風(fēng)電機(jī)組因過(guò)電壓而脫網(wǎng)，事故進(jìn)一步惡化。

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置思路主要是用來(lái)補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)變壓器及線路負(fù)載時(shí)的感性無(wú)功損耗、送出線路的充電無(wú)功功率等。由于酒泉風(fēng)電基地各風(fēng)電場(chǎng)選用的無(wú)功補(bǔ)償裝置，無(wú)論在型式、控制策略、控制模式以及參數(shù)設(shè)置方面沒(méi)有形成規(guī)范管理，因此，在發(fā)生上述的暫態(tài)過(guò)程時(shí)，各風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)抑制故障切除后出現(xiàn)過(guò)電壓的能力也有所差異。

要規(guī)范風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行，盡可能充分發(fā)揮穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)電壓的能力，就必須開(kāi)展風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置涉網(wǎng)性能的測(cè)試工作，從而全面掌握各類動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的相關(guān)特性[4]，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

2 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用情況

以經(jīng)由330 kV接入系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)為例，配置的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置型式主要有3種，即靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）和靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG），其中SVC又包括包括晶閘管控制電抗器（TCR型）和磁控電抗器（MCR型）2種。具體配置情況見(jiàn)表1。

表1 酒泉330 kV系統(tǒng)接入風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置配置表Tab.1 Dynamic reactive power compensation device configuration table for connecting Jiuquan wind 330 kV system to wind power farm

酒泉地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量配置的原則為：容性無(wú)功容量除能夠補(bǔ)償并網(wǎng)點(diǎn)以下匯集系統(tǒng)及主變的無(wú)功損耗外，還應(yīng)能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)時(shí)送出線路的全部無(wú)功損耗；感性無(wú)功補(bǔ)償能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)送出線路的全部充電功率。

目前，經(jīng)330 kV并網(wǎng)的200 MW風(fēng)電場(chǎng)集中無(wú)功補(bǔ)償容量占裝機(jī)容量的比例在17%～46%，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量占全部無(wú)功補(bǔ)償容量的比例在35%～56%。容量配置能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行要求。

3 三種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置性能及運(yùn)行特點(diǎn)分析

3.1 TCR型SVC

單臺(tái)容量較大，響應(yīng)速度較快。由于晶閘管設(shè)備的使用，會(huì)造成3、5、7次諧波電壓電流較大，對(duì)電能質(zhì)量有較明顯的影響，圖2、圖3顯示了某風(fēng)電場(chǎng)TCR型SVC的諧波電壓電流含量。為降低諧波含量，TCR支路應(yīng)與濾波電容捆綁運(yùn)行，不允許自動(dòng)投切電容器組。

圖2 某風(fēng)電場(chǎng)TCR諧波電壓相對(duì)值Fig.2 Relative values of TCR harmonic voltage in some wind power farm

圖3 某風(fēng)電場(chǎng)TCR諧波電流絕對(duì)值Fig.3 Absolute value of TCR harmonic voltage in some wind power farm

3.2 MCR型SVC

單臺(tái)容量較大，響應(yīng)速度慢于SVG、TCR。調(diào)節(jié)過(guò)程中，電能質(zhì)量表現(xiàn)較好，諧波含量無(wú)明顯變化。裝置具備自動(dòng)投切電容器的功能。

3.3 SVG

單臺(tái)容量較?。ㄗ畲髢H為12 MW），響應(yīng)速度最快，調(diào)節(jié)支路可以實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的最大容性與最大感性之間的調(diào)節(jié)；電能質(zhì)量方面表現(xiàn)良好，調(diào)節(jié)過(guò)程中無(wú)明顯的諧波含量變化。在控制策略中考慮了自動(dòng)投切電容器的功能，目前運(yùn)行正常。

綜上所述，3種型式的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在綜合性能方面各有優(yōu)劣。3種補(bǔ)償裝置性能特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 3種型式的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的性能特點(diǎn)Tab.2 Performance characteristics of three types of dynamic reactive power compensation device

4 風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用優(yōu)化

4.1 不同型式補(bǔ)償裝置的運(yùn)行建議

TCR在響應(yīng)時(shí)間、補(bǔ)償容量等方面可以滿足電網(wǎng)要求，但是對(duì)電能質(zhì)量影響較大。在較大的諧波含量下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)對(duì)設(shè)備絕緣造成不同程度的損傷，縮短使用壽命。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致諧振過(guò)電壓發(fā)生，直接損壞設(shè)備。因此，TCR型的補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)和其配置的濾波電容器組同時(shí)投入或退出運(yùn)行。

MCR在電能質(zhì)量和補(bǔ)償容量方面表現(xiàn)較好。因?yàn)槠渲C波影響很小，較為適合投入自動(dòng)投切電容器組的功能，且快速切除電容器可以一定程度上彌補(bǔ)磁控電抗器固有的調(diào)節(jié)速度較慢的缺點(diǎn)。從暫態(tài)過(guò)程中限制過(guò)電壓方面考慮，這一點(diǎn)有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

SVG的響應(yīng)時(shí)間是最快的，電能質(zhì)量較好，但由于技術(shù)原因，單臺(tái)補(bǔ)償容量較小，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓波動(dòng)的補(bǔ)償。但是在電壓迅速飆升時(shí)，其能夠提供的感性容量太小，對(duì)這種極端情況調(diào)節(jié)能力有限。這成為限制SVG在大容量風(fēng)電場(chǎng)推廣應(yīng)用的最大障礙。因此，SVG必須配合電容器組的自動(dòng)投切功能，這樣才有可能快速有效地抑制母線過(guò)電壓。

4.2 與風(fēng)電機(jī)組及繼電保護(hù)的配合

目前風(fēng)電場(chǎng)配置的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備均設(shè)置了自身的過(guò)壓、欠壓保護(hù)，定值由生產(chǎn)廠家自行給定。而風(fēng)電機(jī)組與電容器也配置有相關(guān)的過(guò)壓、欠壓保護(hù)，其中風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)定值由機(jī)組制造廠家設(shè)定，電容器的過(guò)壓、欠壓保護(hù)定值則由風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)整定計(jì)算給出。三者之間缺乏統(tǒng)一合理的計(jì)算，未考慮配合。在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生短路故障到故障切除這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)電壓通常會(huì)存在電壓驟降驟升的情況，為了使保護(hù)動(dòng)作達(dá)到最優(yōu)效果，建議采用以下配合關(guān)系。

4.2.1 欠壓保護(hù)定值

風(fēng)電機(jī)組＞動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（不小于100 ms延時(shí)）＞電容器繼電保護(hù)（不小于100 ms延時(shí)）

以上配合關(guān)系可以保證在發(fā)生低電壓時(shí)，由于電容器繼電保護(hù)的定值最低，可以維持動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的正常調(diào)節(jié)策略。而動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置低壓退出定值居中，可以保證只有在風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)后無(wú)功補(bǔ)償裝置才能退出，這樣就可以最大限度地支持風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓。

風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力后，其低壓保護(hù)可以不按此方案配合。4.2.2 過(guò)壓保護(hù)定值

風(fēng)電機(jī)組＜動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（不小于100 ms延時(shí)）＜電容器繼電保護(hù)（不小于100 ms延時(shí)）

這樣的設(shè)置，可以保證在系統(tǒng)電壓跌落，風(fēng)電機(jī)組還未脫網(wǎng)時(shí)，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在此時(shí)能夠?qū)⒏行匀萘堪l(fā)到最小，將容性容量發(fā)到最大，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的支撐作用，降低風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的危險(xiǎn)或減少脫網(wǎng)的機(jī)組數(shù)量。當(dāng)電壓跌落到更低時(shí)，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置退出，之后由繼電保護(hù)裝置將所有支路切除，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的保護(hù)。

當(dāng)故障切除后，電壓迅速升高，風(fēng)電機(jī)組還未脫網(wǎng)時(shí)，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在此時(shí)能夠?qū)⒏行匀萘堪l(fā)到最大，將容性容量發(fā)到最小，同時(shí)輔助以對(duì)電容器組的切除，最終達(dá)到對(duì)母線電壓最大的抑制作用，最大可能地降低風(fēng)電機(jī)組因過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作而脫網(wǎng)。

方案中不小于100 ms的延時(shí)是考慮到目前酒泉風(fēng)電基地的主力風(fēng)機(jī)（華銳、金風(fēng)、東汽）在過(guò)、欠壓保護(hù)中都有100～200 ms的延時(shí)，為了保證動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置自身的保護(hù)在發(fā)生暫態(tài)過(guò)程時(shí)，不會(huì)先于風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。

4.3 暫態(tài)時(shí)自動(dòng)切除電容器組的策略問(wèn)題

結(jié)合前期發(fā)生的幾次較大事故可以發(fā)現(xiàn)，暫態(tài)過(guò)程都是基本一致的：（事故發(fā)生）電壓跌落－故障切除－電壓升高（產(chǎn)生過(guò)電壓）。為了快速抑制過(guò)電壓，避免風(fēng)電機(jī)組因過(guò)電壓脫網(wǎng)，建議MCR與SVG在控制策略中加入自動(dòng)切除電容器組的控制邏輯。圖4為酒泉風(fēng)電基地330 kV升壓站動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置典型接線圖。

圖4 酒泉風(fēng)電基地330 kV升壓站動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置典型接線圖Fig.4 Typical wiring diagram of dynamic reactive power compensation device in Jiuquan wind power base 330 k V step-up station

4.3.1 方案一：由無(wú)功補(bǔ)償裝置判斷暫態(tài)特征作為判據(jù)來(lái)切除電容器組

考慮到整組時(shí)間的存在（動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的采樣、運(yùn)算、切除指令發(fā)出以及開(kāi)關(guān)分閘的固有時(shí)間），當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償裝置檢測(cè)到過(guò)電壓后再切除電容器組，部分風(fēng)機(jī)可能已經(jīng)因過(guò)電壓而脫網(wǎng)了。因此，建議在過(guò)電壓切除電容器組的判據(jù)設(shè)計(jì)中考慮加入具有暫態(tài)過(guò)程特點(diǎn)的參數(shù)判據(jù)：

1）檢測(cè)到母線電壓突然跌落且低于90%額定電壓，主變負(fù)荷發(fā)生變化但未降至零。說(shuō)明電網(wǎng)發(fā)生事故或大擾動(dòng)，本場(chǎng)出現(xiàn)部分機(jī)組脫網(wǎng)，但尚未完全脫網(wǎng)。

2）連續(xù)若干個(gè)采樣周期檢測(cè)到母線電壓變化率均為正，說(shuō)明電壓已開(kāi)始恢復(fù)。

3）當(dāng)以上2個(gè)條件滿足后，可以考慮進(jìn)行一輪電容器組的切除，這樣可以保證在出現(xiàn)過(guò)電壓之前就將部分多余的容性無(wú)功切除。

4.3.2 方案二：由電容器組繼電保護(hù)設(shè)置的過(guò)電壓保護(hù)直接切除電容器組（此方案要求對(duì)保護(hù)配合方案進(jìn)行修改）

考慮將電容器組過(guò)電壓保護(hù)定值整定為1.08～1.1額定電壓，階梯延時(shí)動(dòng)作。例如，某風(fēng)電場(chǎng)裝設(shè)了兩組電容器組，則設(shè)定1組電容器保護(hù)定值在1.08倍額定電壓時(shí)瞬時(shí)出口跳開(kāi)，2組則可以定為1.08倍額定電壓，50～100 ms延時(shí)動(dòng)作。這樣，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過(guò)電壓至1.08倍額定電壓時(shí)，1組電容器保護(hù)首先出口切除該組電容。如系統(tǒng)電壓得到有效抑制，2組電容器保護(hù)在延時(shí)階段返回，系統(tǒng)仍可以正常運(yùn)行。如果電壓在1組電容器組切除后繼續(xù)上升至1.08倍額定電壓，則經(jīng)延時(shí)2組電容器保護(hù)動(dòng)作切除。此時(shí)，母線電壓應(yīng)能夠得到一定程度的抑制。

此方案要求在對(duì)以往事故發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)電壓在故障切除后的恢復(fù)速率進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)后，配合開(kāi)關(guān)分閘固有時(shí)間，最終確定保護(hù)定值。

5 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在大規(guī)模集群并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用已有一段時(shí)間。近來(lái)發(fā)生的多起風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模脫網(wǎng)事故，暴露出目前絕大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)暫態(tài)過(guò)程中的不穩(wěn)定性，同時(shí)也對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行管理提出了新的要求。在按照相關(guān)要求進(jìn)行了運(yùn)行管理、控制策略以及保護(hù)配合等方面的優(yōu)化后，整個(gè)酒泉風(fēng)電基地在2011年下半年的運(yùn)行中，各風(fēng)電場(chǎng)母線電壓明顯有所改善，對(duì)避免大規(guī)模脫網(wǎng)事故的發(fā)生有一定的積極作用。

[1] 張紅光,張粒子,陳樹(shù)勇,等.大容量風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性和調(diào)度對(duì)策研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27（11）:45-51.ZHANGHong-guang,ZHANGLi-zi,CHENShu-yong,etal.Studies on the transient behavior and dispatching strategy of power system integrated with large scale wind farms[J].Proceedings of CSEE,2007，27（11）:45-51(in Chinese).

[2] 惠建峰，焦莉，張世學(xué).自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用分析[J].陜西電力，2009,25（2）:38-41.HUIJian-feng,JIAOli,ZHANGShi-xue,Automatic voltage control system construction and application analysis[J].Shaanxi Electric Power,2009,25（2）:38-41(in Chinese).

[3] 王喜剛，翟智勇，楊海波.基于遺傳算法的無(wú)功電壓控制分區(qū)研究[J].陜西電力，2009,25（7）:37-40.WANG Xi-gang,ZHAI Zhi-yong,YANG Hai-bo.Based on genetic algorithm partitioning of reactive power and voltage control[J].Shaanxi Electric Power,2009,25（7）:37-40(in Chinese).

[4] 王穎,魏云軍.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速及風(fēng)功率預(yù)測(cè)方法研究綜述[J].陜西電力,2011,39（11）:18-21,30.WANG Ying,WEI Yun-jun.Review on forecasting model of wind speed and wind power[J].Shanxi Electric Power,2011,39（11）：18-21,30(in Chinese).

[5] 吳博,楊明玉,趙高帥.含雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的配電網(wǎng)故障計(jì)算[J].陜西電力,2011,39（10）：32-36.WUBo,YANGMing-yu,ZHAOGao-shuai.Faultcalculation for distributed network containing DFIG wind generation farm[J].Shaanxi Electric Power,2011,39（10）：32-36(in Chinese).

[6] 申寬育,吉超盈,牛子曦.陜西省風(fēng)能資源與風(fēng)力發(fā)電[J].西北水電,2011（2）:1-3.SHEN Kuang-yu,JI Chao-ying,NIU Zi-xi.Wind energy resources and wind power in Shaanxi Province[J].Northwest Water Power,2011（2）:1-3(in Chinese).

[7] 王薇，蘇煜.改進(jìn)遺傳算法在電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展,2008，24（4）:24-28.WANGWei,SUYu.Improved genetic algorithmin reactive power optimization of application[J].Advances of Power System&Hydroelectric Engineering,2008，24（4）:24-28(in Chinese).

[8] 李磊.基于暫態(tài)數(shù)學(xué)模型VSC—HVDC功率控制系統(tǒng)研究[J].陜西電力，2010,26（9）:6-9.LI Lei.Mathematical model based on transient power VSC-HVDC control system[J].Shaanxi Electric Power,2010,26（9）:6-9(in Chinese).

[9] 何世恩,張柏林,崔崗,等.電網(wǎng)約束條件下的酒泉風(fēng)電送出研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011（1）:51-55.HEShi-en,ZHANGBo-lin,CUIGang,et al.Jiuquan wind power delivery under grid transmission constraints[J].Power System and Clean Engergy,2011（1）:51-55(in Chinese).

[10]曹張潔,向榮,譚謹(jǐn),等.大規(guī)模并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)等值建模研究現(xiàn)狀[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011,27（2）:56-60.CAO Zhang-jie,XIANG Rong,TAN Jin,et al.Review of current research on equivalent modeling of large-scale grid-connected wind farm[J].Power System and Clean Engergy,2011,27（1）:51-55(in Chinese).