張磊，陳道君，王燦，咼虎，李晨坤

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

風(fēng)電機組低電壓穿越能力對110 kV電網(wǎng)的影響研究

張磊1，陳道君2，王燦2，咼虎2，李晨坤2

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

在介紹雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組及低電壓穿越能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖南郴州地區(qū)實際并網(wǎng)風(fēng)電場，仿真分析風(fēng)電機組具備/不具備低電壓穿越能力對110 kV電網(wǎng)的影響。結(jié)果表明:并網(wǎng)風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力非常必要，可以盡量減少故障對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的負面影響。

雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組；低電壓穿越能力；系統(tǒng)安全穩(wěn)定

近年來，隨著全球能源安全和環(huán)境問題的日益突出，風(fēng)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機 (doubly fed induction generators，DFIG)的變速風(fēng)電機組技術(shù)日益成熟，逐步取代恒速風(fēng)電機組成為世界風(fēng)力發(fā)電市場上的主流機型。國內(nèi)外對雙饋式風(fēng)電場低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力的實現(xiàn)進行了大量研究。文獻 〔1〕 研究了雙饋風(fēng)電機組LVRT的控制策略；文獻 〔2〕分析和總結(jié)了雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)LVRT功能的實現(xiàn)方案，并對雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。目前研究主要涉及發(fā)電機本體或控制策略本身，很少涉及電力系統(tǒng)對風(fēng)電機組的LVRT要求。

對地區(qū)電網(wǎng)，接入的風(fēng)電場是否必須具備LVRT能力，風(fēng)電場有無LVRT能力對地區(qū)電網(wǎng)的運行穩(wěn)定產(chǎn)生什么影響，這些問題都需要進一步研究。文中結(jié)合湖南郴州地區(qū)實際并網(wǎng)風(fēng)電場，在典型的系統(tǒng)故障 (線路三相接地)下，仿真分析了風(fēng)電場具備/不具備LVRT能力對110 kV電網(wǎng)的影響。

1 雙饋感應(yīng)發(fā)電機簡介

雙饋感應(yīng)發(fā)電機屬于變速恒頻風(fēng)機范疇，包括氣動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4個部分，DFIG的結(jié)構(gòu)示意見圖1。雙饋變速異步風(fēng)電機定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過AC－DC－AC變換器與電網(wǎng)相連，其勵磁通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器提供，實現(xiàn)了PQ(有功、無功)解耦控制，具有獨立的調(diào)節(jié)無功的能力。雙饋風(fēng)力發(fā)電機借助變換器還可以改善并優(yōu)化機組的運行條件，實現(xiàn)與電網(wǎng)的柔性連接，且在系統(tǒng)無功功率不足的情況下，可以向電網(wǎng)提供一定的無功功率，以維持電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。一般具有兩種控制模式:定功率因數(shù)控制、定電壓控制〔3〕。目前，風(fēng)電機組中應(yīng)用較為廣泛的是定功率控制模式。

圖1 雙饋變速異步風(fēng)電機組

2 風(fēng)電機組低電壓穿越能力

2.1 低電壓穿越的概述

風(fēng)電機組的低電壓穿越是指當電網(wǎng)故障或擾動引起的風(fēng)電場并網(wǎng)點的電壓跌落時，在一定電壓跌落范圍內(nèi)，風(fēng)電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行〔4〕。

通常情況下電網(wǎng)發(fā)生電壓突降時機端電壓難以建立，若風(fēng)電機組繼續(xù)掛網(wǎng)運行，將會影響到電網(wǎng)電壓無法恢復(fù)。因此，這種情況一般切除風(fēng)電機組。隨著風(fēng)力發(fā)電機組裝機容量占電網(wǎng)總裝機容量比日益增大，其切機情況對電網(wǎng)的安全運行造成的影響也就日益嚴重。國外的經(jīng)驗表明當這個數(shù)值達到3%～5%時，高風(fēng)速期間如果出現(xiàn)大面積切機將對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重影響，因此風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力 (LVRT)也就顯示出其重要性。

由電網(wǎng)電壓跌落造成的風(fēng)機大面積切機不但會對電網(wǎng)造成嚴重影響，還會對風(fēng)電機組本身造成很大危害。在這個過程中風(fēng)電機組會出現(xiàn)機械輸入和電氣輸出功率不平衡，暫態(tài)過程導(dǎo)致發(fā)電機中出現(xiàn)過流，造成電氣器件損壞，同時由不平衡帶來的附加轉(zhuǎn)矩、應(yīng)力還有可能損壞機械部件。因此須采取有效的低電壓穿越措施，以維護風(fēng)場電網(wǎng)的穩(wěn)定。

2.2 低電壓穿越的規(guī)定要求

文獻 〔5〕中對風(fēng)電場的低電壓穿越提出了如圖2所示的要求:風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時，場內(nèi)風(fēng)電機組必須保證不間斷并網(wǎng)運行；并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場內(nèi)風(fēng)電機組允許從電網(wǎng)切出。此外，對于目前尚不具備低電壓穿越能力且已投運的風(fēng)電場，應(yīng)積極開展機組改造工作，以具備低電壓穿越能力。因此，規(guī)定的風(fēng)電場低電壓穿越要求為:

圖2 低電壓穿越能力曲線

1)風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時能夠保持并網(wǎng)運行625 ms的低電壓穿越能力；

2)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行。

3 實例分析

3.1 電網(wǎng)數(shù)據(jù)

采用包含婁底、邵陽、懷化、湘西、衡陽、郴州和永州7個地區(qū)110 kV網(wǎng)架的2016年度方式計算數(shù)據(jù)計算分析。

預(yù)計截止到2016年底，湖南并網(wǎng)風(fēng)電場共32座，其中郴州地區(qū)風(fēng)電場12座，總裝機容量676 MW，占湖南省風(fēng)電裝機容量的31.8%。因此，選取郴州作為典型實例。郴州西南部分布有9座風(fēng)電場，其局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 2016年郴州地區(qū)局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.2 三永故障設(shè)置參數(shù)

220 kV線路三永故障繼電保護、斷路器及安全自動裝置操作時序見表1。220 kV主變220 kV或者110 kV側(cè)發(fā)生三相故障，0.12 s跳主變?nèi)齻?cè)。

閱讀一個民族的歷史小說是了解這個民族歷史和精神氣質(zhì)的有效途徑。這也符合蘇格蘭文學(xué)的傳統(tǒng)，即通過小說來講述歷史。然而，蘇格蘭歷史小說浪漫化的特點并不能真正展示蘇格蘭歷史的全貌。正如蘇格蘭歷史研究專家科林·基德（Colin Kidd）指出的，盡管蘇格蘭的過去生動而獨特，卻因其濃重的地方色彩和演義性質(zhì)，無法為現(xiàn)代蘇格蘭社會提供一個可供參考、邏輯完整的意識形態(tài)。（轉(zhuǎn)引自Craig 1999：118）蘇格蘭人留給蘇格蘭的歷史如同《蘭納克》中的“時光隧道”，沒有時間的流動，完全處于真實的歷史因果之外。這種狀況在蘇格蘭進入工業(yè)化社會之后也未得到改善，它成功抹去了浪漫化的過去，卻仍未架起通往現(xiàn)在的橋梁。

表1 220 kV線路三永故障操作時序 s

3.3 LVRT能力對電網(wǎng)的影響

考慮2016年夏小方式風(fēng)電場滿額出力方式，在風(fēng)電機組具備/不具備低電壓穿越能力兩種情況下，計算分析風(fēng)電場近區(qū)220 kV系統(tǒng)故障對風(fēng)電場運行的影響。其中，風(fēng)電機組低電壓穿越參數(shù)根據(jù)圖2設(shè)置，風(fēng)電機組低電壓保護定值設(shè)置為風(fēng)機機端電壓低于0.8 p.u.時風(fēng)機脫網(wǎng)。以郴州地區(qū)220 kV蘇耽—蓉城線和220 kV蘇耽—福沖線路蘇耽側(cè)三永故障為例研究電網(wǎng)故障對風(fēng)電場運行的影響。

2016年夏小方式，郴州地區(qū)風(fēng)電場滿額出力，220 kV蘇耽—蓉城線路蘇耽側(cè)發(fā)生三永故障，當風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力時，郴州地區(qū)風(fēng)電場全部穩(wěn)定運行，沒有發(fā)生脫網(wǎng)；當風(fēng)電機組不具備低電壓穿越能力時，郴州地區(qū)風(fēng)電場全部脫網(wǎng)，脫網(wǎng)容量合計676 MW。風(fēng)電機組具備/不具備低電壓穿越能力時，系統(tǒng)均可以保持穩(wěn)定運行。蘇蓉線蘇耽側(cè)三永故障導(dǎo)致風(fēng)電場脫網(wǎng)的具體數(shù)據(jù)見表2。蓉城110 kV母線電壓恢復(fù)對比曲線如圖4所示。風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力時，蓉城110 kV母線電壓約在1.46 s恢復(fù)至額定電壓；而當風(fēng)電機組不具備低電壓穿越能力時，蓉城110 kV母線電壓約在1.79 s恢復(fù)至額定電壓。

表2 風(fēng)電機組脫網(wǎng)數(shù)據(jù) (夏小風(fēng)電滿額出力)

圖4 蓉城110 kV電壓恢復(fù)對比曲線

2016年夏小方式，郴州地區(qū)風(fēng)電場滿額出力，220 kV蘇耽—福沖線路蘇耽側(cè)發(fā)生三永故障，當風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力時，郴州地區(qū)風(fēng)電場除水源、太平里全部脫網(wǎng)外 (脫網(wǎng)容量合計125 MW)，其余風(fēng)電場均穩(wěn)定運行，沒有發(fā)生脫網(wǎng)；當風(fēng)電機組不具備低電壓穿越能力時，郴州地區(qū)風(fēng)電場全部脫網(wǎng)，脫網(wǎng)容量合計676 MW。風(fēng)電機組具備/不具備低電壓穿越能力時，系統(tǒng)均可以保持穩(wěn)定運行。蘇福線蘇耽側(cè)三永故障導(dǎo)致風(fēng)電場脫網(wǎng)的具體數(shù)據(jù)見表2所示。福沖110 kV母線電壓恢復(fù)對比曲線如圖5所示。風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力時，福沖110 kV母線電壓約在1.57 s恢復(fù)至額定電壓；而當風(fēng)電機組不具備低電壓穿越能力時，福沖110 kV母線電壓約在1.82 s恢復(fù)至額定電壓。

圖5 福沖110 kV電壓恢復(fù)對比曲線

4 結(jié)論

1)2016年夏小方式，在郴州地區(qū)風(fēng)電場滿額出力方式下，風(fēng)電機組具備/不具備低電壓穿越能力時，電網(wǎng)發(fā)生故障，系統(tǒng)均可以保持穩(wěn)定運行。

2)當電網(wǎng)發(fā)生故障時，具備低電壓穿越能力的風(fēng)電場并網(wǎng)運行能力較無低電壓穿越能力的風(fēng)電場強。如果風(fēng)電機組不具備低電壓穿越能力，電網(wǎng)故障會導(dǎo)致郴州地區(qū)風(fēng)電場大范圍脫網(wǎng)。

4)隨著各地區(qū)并網(wǎng)風(fēng)電場容量的逐步增加，為了維持整個地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，并網(wǎng)風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力非常必要，可以盡量減少故障對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的負面影響。

〔1〕張永斌，袁海文.雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越主控系統(tǒng)控制策略〔J〕.電力自動化設(shè)備，2012，32(8):106-112.

〔2〕蘇平，張靠社.基于主動式IGBT型Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT仿真研究 〔J〕.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38 (23):164-171.

〔3〕陳道君，王燦，李晨坤，等.分散式風(fēng)電接入對110 kV地區(qū)電網(wǎng)無功電壓特性的影響研究 〔J〕.中國農(nóng)村水利水電，2015，3:188-191.

〔4〕付鵬武，朱鍇，歐陽惠，等.STATCOM在雙饋風(fēng)電場低電壓穿越中的應(yīng)用研究 〔J〕.湖南電力，2014，34(4):12-16.

〔5〕風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定:GB/T 19963－2011〔S〕.北京:中國標準出版社，2011.

Research on influences of wind turbines low voltage ride through capability on 110 kV grid

ZHANG Lei1，CHEN Daojun2，WANG Can2，GUO Hu2，LI Chenkun2
(1.Hunan Xiangdian Boiler＆Pressure Vessel Test Center Co.，Ltd.，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Based on the introduction of doubly fed induction wind turbine and low voltage ride through capability，combining with Chenzhou actual grid－connected wind farms，simulation and analysis on influences of wind farms have/does not have low voltage ride through capability on 110 kV grid.The results show that the low voltage ride through capability of grid－connected wind turbines is necessary to minimize the negative impact of failures on the system security and stability.

doubly fed induction wind turbine；low voltage ride through capability；system security and stability

TM712

A

1008－0198(2016)06－0018－03

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.005

張磊(1991)，男，碩士，助理工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算分析方面的生產(chǎn)和科研工作。

陳道君(1986)，男，博士，工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算分析方面的生產(chǎn)和科研工作。

王燦(1986)，男，博士，工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算分析方面的生產(chǎn)和科研工作。

咼虎(1983)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)運行分析與仿真工作。

李晨坤(1988)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)運行分析與仿真工作。

2016－04－01