葛江北,周 明,李庚銀
(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)),北京 102206)
DFIG型風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)及改善措施分析
葛江北,周 明,李庚銀
(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)),北京 102206)
大面積的風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重影響。首先對(duì)連鎖脫網(wǎng)事故的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹,著重分析了事故的演化機(jī)理,指出其核心問(wèn)題,并基于此提出了改善風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的控制措施。最后在DIgSILENT/PowerEactory仿真軟件上搭建模型,很好地模擬了風(fēng)電場(chǎng)的連鎖脫網(wǎng)事故,并對(duì)風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)及其改善措施進(jìn)行詳細(xì)比較,旨在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故進(jìn)行初步探索和分析。
風(fēng)電場(chǎng);連鎖脫網(wǎng);SVC;改善措施
風(fēng)力發(fā)電是目前除水電外最成熟、經(jīng)濟(jì)效益最好的可再生能源發(fā)電方式[12]。隨著風(fēng)電滲透率的增大,風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響逐漸凸顯出來(lái)[34]。近年來(lái)我國(guó)連續(xù)發(fā)生了幾起規(guī)模巨大的風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故,均是在較短時(shí)間內(nèi)造成上千臺(tái)風(fēng)電機(jī)組切機(jī),對(duì)電力系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)造成了重大影響。
目前針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)已有部分文獻(xiàn)進(jìn)行了研究,主要分為3類(lèi)。一類(lèi)著重于風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故詳細(xì)的描述,如文獻(xiàn)[5]描述了甘肅酒泉“2.24”大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故的詳細(xì)過(guò)程及暴露的問(wèn)題;文獻(xiàn)[6 7]分別對(duì)吉林長(zhǎng)嶺地區(qū)和內(nèi)蒙古電網(wǎng)的幾次風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故進(jìn)行介紹并初步分析。還有一類(lèi)文獻(xiàn)側(cè)重于探索對(duì)風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故進(jìn)行機(jī)理性的解釋?zhuān)缥墨I(xiàn)[8]得出長(zhǎng)距離外送、弱電網(wǎng)接入的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和風(fēng)電大發(fā)、線(xiàn)路重載的運(yùn)行工況共同構(gòu)成了事故演化發(fā)展的主導(dǎo)因素;文獻(xiàn)[9]著重分析了Crowbar在連鎖脫網(wǎng)中的作用;文獻(xiàn)[10]通過(guò)詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)模型的仿真對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越及連鎖脫網(wǎng)情況進(jìn)行分析;文獻(xiàn)[11]則針對(duì)2012年張北地區(qū)發(fā)生的非故障情況下的風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故進(jìn)行了機(jī)理探索;文獻(xiàn)[12]進(jìn)行多風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)過(guò)程的分析和仿真的研究,核心在于建立包含主網(wǎng)和多個(gè)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)模型的兩級(jí)分布式仿真平臺(tái)。還有一類(lèi)文獻(xiàn)針對(duì)連鎖脫網(wǎng)事故,提出了評(píng)估和預(yù)防的控制策略,文獻(xiàn)[13]針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入可能引起的電壓波動(dòng)和連鎖脫網(wǎng)事故,提出了分層自動(dòng)電壓控制;文獻(xiàn)[14]基于在線(xiàn)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估技術(shù),提出了適合于大型風(fēng)電基地的連鎖故障在線(xiàn)安全預(yù)警的方案和基本結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[15]建立了帶風(fēng)電場(chǎng)安全約束條件的無(wú)功優(yōu)化模型,并進(jìn)行優(yōu)化模型的求解;文獻(xiàn)[16]則針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的連鎖脫網(wǎng)事故,提出了大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的電壓無(wú)功緊急控制策略;文獻(xiàn)[17]針對(duì)此類(lèi)事故,提出了區(qū)域自動(dòng)電壓控制協(xié)調(diào)控制模式及策略;文獻(xiàn)[18]提出了一種利用撬棒保護(hù)提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的方法,以改善風(fēng)電場(chǎng)的連鎖脫網(wǎng)情況;文獻(xiàn)[19]則針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的高壓脫網(wǎng)過(guò)程,提出了對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)策略??傮w來(lái)講,由于風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故是近幾年時(shí)間內(nèi)集中發(fā)生的,目前的研究和分析還不多,對(duì)事故下風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)間的交互影響和演化機(jī)理仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí),尤其缺乏風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)過(guò)程及其控制措施下連續(xù)的動(dòng)態(tài)仿真分析。
本文首先介紹了風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程;并著重分析連鎖脫網(wǎng)事故的演化機(jī)理,指出其核心問(wèn)題;基于此,提出了改善風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的控制措施;最后在DIgSILENT/PowerEactory仿真軟件上搭建了由雙饋型風(fēng)機(jī)組(double fed induction generator,DEIG)組成的風(fēng)電場(chǎng),對(duì)風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故及其改善措施進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析,并進(jìn)行詳細(xì)比較。旨在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故進(jìn)行初步探索和分析。
1.1事故情況
大容量風(fēng)電的接入對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了影響。國(guó)家電監(jiān)會(huì)發(fā)布的《風(fēng)電安全監(jiān)管報(bào)告(2011年)》顯示,2011年1~8月風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故頻繁發(fā)生,全國(guó)共發(fā)生193起。其中,一次損失電力負(fù)荷10萬(wàn)~50萬(wàn)KW的脫網(wǎng)事故高達(dá)54起。尤其以2011年我國(guó)西北地區(qū)發(fā)生的4次大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)事故影響巨大。表1為這幾次連鎖脫網(wǎng)事故的具體情況。
表1 西北地區(qū)發(fā)生的風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故
1.2風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)過(guò)程
目前,通過(guò)多起電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故的分析,其典型發(fā)展過(guò)程為如下4個(gè)階段:
① 短路故障
短路故障往往構(gòu)成風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的誘因事故,造成風(fēng)機(jī)電壓快速下降,尤其是風(fēng)電場(chǎng)近區(qū)設(shè)備的短路故障。例如:2011年2月24日甘肅酒泉地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故就是由某風(fēng)電場(chǎng)35B開(kāi)關(guān)間隔C相電纜頭故障絕緣擊穿造成三相短路引起。
②低壓脫網(wǎng)階段
風(fēng)機(jī)出力較大時(shí),其轉(zhuǎn)子電流的幅值也較大,短路故障將激發(fā)轉(zhuǎn)子電流的快速上升。此時(shí),為保護(hù)風(fēng)電機(jī)組,DEIG風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子會(huì)投入Crowbar。而一旦Crowbar投入,DEIG風(fēng)機(jī)將完全變?yōu)楫惒綑C(jī),失去其無(wú)功調(diào)控能力。風(fēng)電機(jī)組此時(shí)需要從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功,造成機(jī)端電壓的進(jìn)一步下降。實(shí)際上,風(fēng)電機(jī)組均配備了低壓保護(hù)。其典型值為機(jī)端電壓U≤0.9UN,延時(shí)t≤100ms切機(jī)[20]。因此,很多風(fēng)機(jī)在低電壓時(shí)將由于保護(hù)的作用迅速切機(jī),造成低壓階段風(fēng)電功率的大量損失。
③高壓脫網(wǎng)階段
故障切除后,風(fēng)電場(chǎng)電壓迅速恢復(fù),由于風(fēng)電機(jī)組在低壓階段大量切除,使得風(fēng)電場(chǎng)對(duì)外輸出的有功功率急劇減小。而此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的無(wú)功補(bǔ)償裝置不具備自投切功能繼續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行。這將造成風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償過(guò)剩,從而抬高風(fēng)電場(chǎng)電壓。目前,風(fēng)電機(jī)組高壓保護(hù)的典型值為機(jī)端電壓U≥1.1UN,延時(shí)t≤100ms切機(jī)[20]。風(fēng)電場(chǎng)電壓的快速上升將造成風(fēng)電機(jī)組因高電壓切機(jī)。切除的風(fēng)機(jī)進(jìn)一步抬高了風(fēng)場(chǎng)電壓,從而造成更多的風(fēng)電機(jī)組切機(jī),形成惡性循環(huán)。
④動(dòng)態(tài)交互階段
低壓切機(jī)和高壓切機(jī)造成大量風(fēng)電機(jī)組切除,引起巨額有功功率的缺失,從而造成系統(tǒng)頻率的擾動(dòng)。此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)進(jìn)入動(dòng)態(tài)交互階段,大量風(fēng)電機(jī)組因頻率問(wèn)題切機(jī),可能進(jìn)一步擴(kuò)大事故,對(duì)電網(wǎng)造成影響。
2.1連鎖脫網(wǎng)事故的演化機(jī)理
風(fēng)電往往通過(guò)匯集系統(tǒng)在PCC母線(xiàn)處匯集,之后通過(guò)外送線(xiàn)路送入高壓電網(wǎng)。采用等值的單風(fēng)場(chǎng)無(wú)窮大系統(tǒng)近似模擬風(fēng)電送出的原型系統(tǒng),如圖1所示。
分析風(fēng)電場(chǎng)從低電壓脫網(wǎng)向高電壓脫網(wǎng)演化的
圖1 單風(fēng)電場(chǎng)送出等效電路
機(jī)理及主導(dǎo)因素。由圖1可得
經(jīng)驗(yàn)證,其解為
輸電線(xiàn)路中,一般X?R,忽略R,則式(4)變?yōu)?/p>
故障前,系統(tǒng)處于電壓的合理運(yùn)行范圍內(nèi)。故障中由于大量風(fēng)電機(jī)組的切除,造成有功出力P大幅降低,此時(shí)集電系統(tǒng)無(wú)功損耗減小,由于無(wú)功補(bǔ)償裝置并未隨風(fēng)機(jī)切除,故障后迅速恢復(fù)無(wú)功出力,系統(tǒng)將出現(xiàn)過(guò)剩的無(wú)功功率,即Q相對(duì)增大,而視在功率S將由于有功P的大幅降低而減小。
由式(6),Q增大,S減小,將造成電壓U1的抬升。風(fēng)電場(chǎng)電壓的快速上升將造成風(fēng)電機(jī)組因高電壓切機(jī)。切除的風(fēng)機(jī)將進(jìn)一步抬高風(fēng)場(chǎng)電壓,從而造成更多的風(fēng)電機(jī)組切機(jī)。
2.2連鎖脫網(wǎng)的核心問(wèn)題
從風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故演化機(jī)理可以看出,風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的核心在于兩點(diǎn):①風(fēng)電場(chǎng)電壓失穩(wěn);②風(fēng)電場(chǎng)對(duì)外輸出有功功率的大量缺失。本文將針對(duì)此,進(jìn)行改善措施的研究。
3.1加裝SVC
SVC是一種快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率的裝置,可以實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的無(wú)功輸出,依據(jù)《GBT 20298-2006靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)功能特性》,SVC的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為30~50ms。
以較為典型的TSC+TCR型SVC為例,即SVC由晶閘管投切并聯(lián)電容器組(TSC)和晶閘管控制并聯(lián)電抗器(TCR)組成,TSC可以分組投入或切除,TCR可以通過(guò)晶閘管進(jìn)行平滑控制。其對(duì)外輸出無(wú)功如式(7)所示:
式中:ω為角頻率;C為投入電容大小;U為端電壓;α為T(mén)CR觸發(fā)角;XL為電感。
SVC具體控制框圖如圖2所示。
圖2 SVC控制框圖
圖2中U為實(shí)測(cè)電壓,Uref為電壓基準(zhǔn)值,ysvc為SVC等效阻抗。
因此,SVC可在風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電壓進(jìn)行快速調(diào)控,從而抑制風(fēng)電場(chǎng)的連鎖脫網(wǎng),旨在提高風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性。
3.2風(fēng)電機(jī)組LVRT的改造
LVRT(low voltage ride through,LVRT)指風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。依據(jù)《Q/GDW_392-2009_風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求的規(guī)定如圖3所示。
圖3 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求的規(guī)定
通過(guò)LVRT的改造,風(fēng)電機(jī)組可以穿越故障保持不脫網(wǎng),故障一旦切除,風(fēng)機(jī)即可迅速恢復(fù)出力,從而不會(huì)引起風(fēng)電場(chǎng)的高電壓連鎖脫網(wǎng)過(guò)程,防止事故的擴(kuò)散,減小由故障引起的有功功率損失。
4.1仿真系統(tǒng)
在DIgSILENT/PowerEactory中搭建如圖4所示模型。風(fēng)電場(chǎng)采用基于電壓的等值方法,具體風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)如下:風(fēng)電場(chǎng)A由風(fēng)機(jī)A1-A3聯(lián)結(jié)構(gòu)成,風(fēng)電場(chǎng)B由風(fēng)機(jī)B1-B3聯(lián)結(jié)構(gòu)成,A1-A3、B1-B3均為50臺(tái)風(fēng)機(jī)并列,風(fēng)機(jī)出力水平均為0.8,風(fēng)電場(chǎng)采用集中無(wú)功補(bǔ)償方式,PCC-A母線(xiàn)和PCC-B母線(xiàn)處的無(wú)功補(bǔ)償分別為40MVA和30MVA。風(fēng)電場(chǎng)詳細(xì)參數(shù)參考附錄。
4.2風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的仿真
設(shè)置所有風(fēng)機(jī)Crowbar投入的轉(zhuǎn)子電流定值為1.2p.u.。風(fēng)機(jī)B1、B2不具備低電壓穿越能力,當(dāng)電壓U≤0.9 p.u.,延時(shí)t=0.1跳閘[20],其余風(fēng)機(jī)均具備低電壓穿越能力,其低電壓穿越能力采用軟件默認(rèn)設(shè)置(電壓小于0.2p.u.,延時(shí)1s切機(jī),電壓小于0.4p.u.,延時(shí)2s切機(jī))。所有風(fēng)機(jī)的高壓設(shè)置為U≥1.1p.u.,延時(shí)t=0.1跳閘[20]??紤]我國(guó)目前發(fā)生的幾次大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故,有部分故障發(fā)生在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部[67],因此,仿真中故障均設(shè)置于T5變壓器高壓側(cè),1s時(shí)發(fā)生三相短路故障,1.15s故障切除。
圖4 仿真案例
此時(shí)事故列表如表2所示??梢钥闯觯抡姘咐芎玫啬M了風(fēng)電場(chǎng)的連鎖脫網(wǎng)事故。故障發(fā)生后,風(fēng)電場(chǎng)的電壓迅速下降,故障中由于風(fēng)電機(jī)組B1、B2不具備低電壓穿越能力,在其保護(hù)作用下迅速切機(jī)。故障切除后,由于風(fēng)電場(chǎng)B風(fēng)機(jī)大量切除,其無(wú)功過(guò)剩,抬高了風(fēng)機(jī)B3的電壓,風(fēng)機(jī)B3在1.495 433s時(shí)切機(jī),B3的切機(jī)進(jìn)一步抬高了風(fēng)電場(chǎng)A的電壓,造成風(fēng)機(jī)A3于1.622 194s時(shí)切機(jī)。
4.3加裝SVC效果分析
在PCC-A和PCC-B處分別加裝電容器容量50%的SVC,即分別加裝20MVA和15MVA的SVC。SVC始終以控制PCC-A和PCC-B的電壓至額定電壓為控制目標(biāo)。故障不變,進(jìn)行仿真,此時(shí)事故列表如表3所示。
表2 事故列表一
表3 事故列表二
可以看出,加裝SVC后風(fēng)電場(chǎng)未發(fā)生高電壓切機(jī)事故,有效地抑制了連鎖脫網(wǎng)事故的擴(kuò)散。
以PCC-B母線(xiàn)為例,加裝SVC后其與連鎖脫網(wǎng)情況下的電壓及無(wú)功功率輸出對(duì)比如圖5所示。
可以看出,尤其是在故障切除后,SVC相對(duì)無(wú)控制時(shí)吸收了大量的無(wú)功,使得風(fēng)電場(chǎng)的電壓相對(duì)連鎖脫網(wǎng)時(shí)有所下降,從而避免了風(fēng)電機(jī)組因高電壓脫網(wǎng)。SVC增強(qiáng)了風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性。
4.4LVRT改造效果分析
對(duì)故障中不具備低電壓穿越能力而切機(jī)的風(fēng)機(jī)B1進(jìn)行LVRT改造,使其具備低電壓穿越能力。仿真事故不變,此時(shí),事故列表如表4所示。
同樣以PCC-B母線(xiàn)為例,電壓及有功功率輸出對(duì)比如圖6所示。
圖6 LVRT改造效果分析圖
表4 事故列表三
可以看出,LVRT改造后,低壓階段相對(duì)于無(wú)控制時(shí)風(fēng)機(jī)的切機(jī)量減少,故障切除后,更是由于低壓階段風(fēng)機(jī)切除量的減少,無(wú)功過(guò)剩的程度小于LVRT改造之前,因此并不會(huì)引起風(fēng)機(jī)電壓過(guò)高的攀升而引起高壓脫網(wǎng)。LVRT改造很好地抑制了風(fēng)電場(chǎng)的連鎖脫網(wǎng)現(xiàn)象。
風(fēng)電場(chǎng)的連鎖脫網(wǎng)事故無(wú)論對(duì)風(fēng)電場(chǎng)或電力系統(tǒng)均造成了重大影響。本文對(duì)風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)事故的演化機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析,指出連鎖脫網(wǎng)事故的核心在于風(fēng)電場(chǎng)電壓失穩(wěn)和對(duì)外輸出有功功率的大量缺失,基于此提出了改善風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的控制措施,并在DIgSILENT/PowerEactory仿真軟件中搭建模型,對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)地比較分析,結(jié)果表明加裝SVC和對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行LVRT改造是抑制風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的有效措施。本文研究可為風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的進(jìn)一步分析提供基礎(chǔ)。
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附錄
附表1 雙饋風(fēng)機(jī)參數(shù)表
表1中:Pn為風(fēng)機(jī)功率;Us為定子出口額定電壓;Rs為定子電阻;Xs為定子電抗;Xm為激磁電抗;Rr為轉(zhuǎn)子電阻;Xr為轉(zhuǎn)子電抗;Hw為風(fēng)力機(jī)慣性時(shí)間常數(shù);Hg為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù);K為軸系剛度系數(shù)[13]。
附表2 線(xiàn)路參數(shù)表
附表3 集電線(xiàn)路參數(shù)表
附表4 變壓器參數(shù)表
(責(zé)任編輯:楊秋霞)
Analysis on Cascading Trip-off of DFIG Wind Farms and Its Improved Measures
GE Jiangbei,ZHOU Ming,LI Gengyin
(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University),Beijing 102206,China)
The cascading trip-off events of large-scale wind farms have serious impacts on power systems security and stability.Firstly,the occurrence and development process of cascading trip-off of large-scale wind farms areintroduced in detail.Then the evolution mechanism of the eventsis mainly analyzed,and its key issues are pointed,based on which control measures are proposed to avoid the occurrence of cascading trip-off of wind farms.In the end,the model is built by the DIgSILENT/Power Factory simulation software,which can simulate cascading trip-off of wind farms very well.In addition,the cascading trip-off case of largescale wind farms and its improved measure are compared to explore and analyze the cascading trip-off events of wind farms.
wind farm;cascading trip-off;SVC;improved measure
1007-2322(2015)02-0089-06
A
TM74
2014-09-18
葛江北(1987—),男,博士研究生,研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)建模與分析,E-mail:gejiangbei1205@163.com;
周 明(1967—),女,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性、電力市場(chǎng)等。
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177043)