王 棟，方志輝

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000；2.國網(wǎng)浙江岱山縣供電公司，浙江 岱山 316200）

海島風(fēng)電并網(wǎng)運行特性對電網(wǎng)適應(yīng)性的分析

王 棟1，方志輝2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000；2.國網(wǎng)浙江岱山縣供電公司，浙江 岱山 316200）

通過對風(fēng)電機組并網(wǎng)系統(tǒng)進行建模，從保護安全、電能質(zhì)量、線損等方面分析了分布式電源接入后對電網(wǎng)的影響，結(jié)合岱山美達一期風(fēng)電場實測數(shù)據(jù)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從有功頻率控制、無功功率控制、低電壓穿越和五端柔性直流輸電接入4個方面分析其運行特性，從而論證風(fēng)電機組運行特性對電網(wǎng)的適應(yīng)性。

分布式電源；低電壓穿越；電網(wǎng)適應(yīng)性；柔性直流輸電

隨著化石能源的日益緊缺，挖掘清潔、高效和可再生的新能源以及發(fā)展DG（分布式電源）成為能源世界的主旋律。DG通常裝機規(guī)模小，直接接入到中低壓配電系統(tǒng)，一般不穿越上一級變壓器直接向用戶提供電能，使分散式能源資源就近利用，實現(xiàn)電能就地消納，減少電能傳輸損耗。我國海洋風(fēng)能資源豐富，在國家新能源政策的鼓勵下，海島風(fēng)電已成為研究熱點。

1 建模分析

1.1 風(fēng)電機組簡介

DFIG（雙饋感應(yīng)變速風(fēng)電機組）是一種變速恒頻發(fā)電機組，具有傳統(tǒng)風(fēng)電機組所沒有的優(yōu)勢：

（1）參與系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)勵磁電流使發(fā)電機吸收無功功率。

（2）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率和相位，風(fēng)電機組發(fā)出恒定頻率的電流，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)發(fā)電。

（3）傳統(tǒng)電機并網(wǎng)控制技術(shù)復(fù)雜，需精確轉(zhuǎn)速控制和準(zhǔn)同期操作，而DFIG通過對轉(zhuǎn)子實施交流勵磁，調(diào)節(jié)發(fā)電機定子輸出電壓，實現(xiàn)安全快速的并網(wǎng)操作[1]。

DFIG定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過功率變頻器接入電網(wǎng)，利用變頻器實現(xiàn)發(fā)電機有功、無功功率解耦控制，使風(fēng)電機組具有變速運行的特性，提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換率，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并減小風(fēng)電機組機械部件所受感應(yīng)力，改善風(fēng)電的功率因數(shù)及電壓穩(wěn)定性。

1.2 風(fēng)電機組功率波動特征描述

風(fēng)能的隨機性、間歇性致使并網(wǎng)風(fēng)電功率波動，對電網(wǎng)調(diào)度運行、電壓控制、電網(wǎng)調(diào)峰等造成諸多不利影響，甚至危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[2-4]。為此國內(nèi)外出臺了一系列DG并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范電網(wǎng)對DG的接入要求。我國國標(biāo)GB/T 19963-2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)》對風(fēng)電場有功功率變化作了相關(guān)規(guī)定[5]，詳見表1。

表1 風(fēng)電場有功功率變化限值推薦

風(fēng)電場有功功率變化特性，可用式（1）和式（2）中的功率變化量和變化率表示：

式中：ΔPt為t時刻風(fēng)電場輸出有功功率變量；σp，t為t時刻風(fēng)電有功功率變化率；Pw為風(fēng)電場總裝機容量；Δt為數(shù)據(jù)采樣時間。

衢山美達風(fēng)電場裝機容量為40.8 MW，其采樣時間為5 min，10 min內(nèi)最大有功功率變化限值為40.8/3=13.43 MW，則它的功率變化率范圍為[-32.9%，+32.9%]。2015年4月29日00∶40，風(fēng)電場輸出功率為17.34 MW，4月29日00∶50時，輸出功率為14.17 MW，實際功率變化率為7.77%，滿足國標(biāo)要求。

1.3 功率變換方法

為實現(xiàn)風(fēng)機及相關(guān)DG順利并網(wǎng)，并網(wǎng)DG電壓與系統(tǒng)電壓需匹配，DG輸出功率滿足并網(wǎng)要求。設(shè)DG的額定輸出電壓為，額定輸出容量為，系統(tǒng)電壓為Us，要求的DG額定電壓為UDG，額定容量為SDG?？稍跇?biāo)準(zhǔn)DG與系統(tǒng)之間加入電壓適配和電流變換環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 DG并網(wǎng)功率變換原理

電壓電流變換系數(shù)滿足式（3）：

式中：KU為電壓變換系數(shù)；KI為電流變換系數(shù)；為DG的額定輸出電流；IDG為要求的DG額定電流。

DFIG是輸出功率固定的風(fēng)電機組，無功限制由風(fēng)機有功出力PG和特定的功率因數(shù)確定，即吸收的無功功率QG為：

DFIG進相運行，需從電網(wǎng)吸收無功功率，功率因數(shù)小于0。為使風(fēng)機功率因數(shù)固定，通常在風(fēng)機機端安裝并聯(lián)電容器組以補償異步風(fēng)電機組吸收的無功功率。通過配套并聯(lián)電容器組的自動投切，保證其工作功率因數(shù)在0.9以上。衢山美達風(fēng)電場采用4×12臺維斯塔斯V52風(fēng)機群，風(fēng)機發(fā)出額定電壓690 V，通過電壓電流變換器后，輸出1 kV電壓，功率因數(shù)為0.98。

2 DG接入影響

2.1 DG對電網(wǎng)的影響

2.1.1 對保護安全的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)以輻射狀為主，潮流從電源單向流到用戶，僅在變電站出口安裝過流保護，支路上裝設(shè)熔斷器。DG接入后，成為多電源系統(tǒng)，潮流方向?qū)⒉淮_定，這要求其保護設(shè)備應(yīng)具有方向性。同時增加配電線路的短路電流，進而影響上下游保護的故障判別能力。文獻[6]介紹了系統(tǒng)短路故障對風(fēng)機的影響。舟山海島的特殊地理結(jié)構(gòu)使得舟山電網(wǎng)與省網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)較為薄弱，當(dāng)因故與大陸電網(wǎng)解列成孤網(wǎng)后，風(fēng)電對小系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的控制非常不利。另外衢山供區(qū)成孤立系統(tǒng)后，風(fēng)機無法支撐該系統(tǒng)頻率、電壓的穩(wěn)定且對蓬萊變電站（簡稱蓬萊變，以下類推）線路重合閘造成干擾。

2.1.2 對電壓的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)電壓沿饋線潮流方向逐漸降低，接入DG后系統(tǒng)電壓波動主要是由有功、無功負(fù)荷隨時間變化所引起的。DG的位置及總?cè)萘看笮Q定了沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點處的電壓，影響系統(tǒng)電壓的波動。

2.1.3 對電能質(zhì)量的影響

DG能夠提高供電可靠性，但因其不連續(xù)性和不確定性以及本身的運行特性，輸出功率波動，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障（如風(fēng)速過大風(fēng)電機組自動切除運行）時，將對電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的沖擊[7]。電力電子裝置被大量應(yīng)用到DG系統(tǒng)中，它們均為諧波源，文獻[4]分析了DG接入電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波影響及相應(yīng)治理措施。

2.1.4 對損耗的影響

若系統(tǒng)中節(jié)點負(fù)荷大于或等于該節(jié)點的DG輸入量，應(yīng)對該節(jié)點功率進行就地補償，以減少損耗。若DG輸入功率遠(yuǎn)大于該節(jié)點的負(fù)荷，其功率穿越上一級變壓器倒送至上級電網(wǎng)，線路的損耗可能增加，故發(fā)展海島DG能減少損耗。

2.2 電網(wǎng)擾動對風(fēng)電場的影響

2.2.1 電網(wǎng)擾動對風(fēng)電場影響情況統(tǒng)計

衢山美達風(fēng)電場于2008年4月3日投運，經(jīng)升壓變壓器升至35 kV，通過美達3321線和風(fēng)電3322線分列接至35 kV幸福變，幸福變和金海灣變均由35 kV線路同接在110 kV岱山變35 kV母線上，如圖2（a）所示（投運初期未裝設(shè)SVG）。截至2010年12月29日110 kV大衢變投運，因幸福變10 kV線路短路故障、金海灣變故障及上級電網(wǎng)電壓波動而導(dǎo)致風(fēng)電場分別切機3次、2次和7次。

大衢變投運后，風(fēng)電場從幸福變切割至大衢變35 kV母線，按照《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》配置了SVG，金海灣變也從岱山變切割至220 kV蓬萊變。幸福變、金海灣變和美達風(fēng)電場不再直接連接，如圖2（b）所示。這期間因幸福變10 kV線路短路、金海灣變故障及上級電網(wǎng)電壓波動而導(dǎo)致風(fēng)電場分別切機0次，0次和6次。

圖2 柔直投入前后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

由此可見，大衢變投運后，使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更加合理，加上SVG作用，進一步增強了電網(wǎng)對風(fēng)電等DG接入的適應(yīng)性，因幸福變10 kV線路短路、金海灣變故障導(dǎo)致風(fēng)電場切機次數(shù)已減至零。但因上級電網(wǎng)電壓波動而導(dǎo)致風(fēng)電場切機次數(shù)仍較多。2014年6月，舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)（簡稱柔直）投運，它提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)動態(tài)無功儲備，解決沖擊性負(fù)荷對系統(tǒng)的影響，保障敏感設(shè)備供電，從柔直投運至2015年9月，因上級電網(wǎng)電壓波動而導(dǎo)致風(fēng)電場切機僅2次。

2.2.2 電網(wǎng)擾動對風(fēng)電場影響的仿真分析

在柔直接入舟山電網(wǎng)后，進行了上級電網(wǎng)擾動對風(fēng)電影響的BPA仿真。故障設(shè)置為：浙春曉-浙六橫500 kV線路N-1，對線路發(fā)生三相短路，嵊泗HVDC發(fā)生雙極閉鎖，并于0.1 s后切除故障，通過仿真觀察系統(tǒng)的暫態(tài)過程。五端直流以定海站作為主送端，其余四端作為受端，其中岱山站具備后備定直流電壓功能。故障前北侖電廠、郎熹電廠、舟山電廠機組均滿負(fù)荷運行，均投入PSS。在暫態(tài)仿真中，選擇柔直滿發(fā)、風(fēng)機滿發(fā)進行仿真，五端柔直采用定無功功率控制策略，電網(wǎng)的動態(tài)過程如圖3所示。

圖3 動態(tài)過程仿真

由圖 3（a）和（b）可見，在故障期間，嵊泗HVDC突然跌落到0.7 pu后，在故障時間內(nèi)會上升到0.85 pu左右，長白、美達、岑港風(fēng)電場的電壓會持續(xù)保持在0.8 pu左右，稍后過電壓被加劇了；HVDC逆變側(cè)的電壓在故障切除后會升至1.2 pu，過電壓的持續(xù)時間大約0.8 s左右，美達風(fēng)電場的電壓在故障切除后會升至1.2 pu，過電壓的持續(xù)時間也會持續(xù)0.8 s左右。導(dǎo)致美達風(fēng)電場電壓升幅比其他兩個風(fēng)電場高的原因是美達風(fēng)電場離衢山、嵊泗換流站電氣距離較近，且美達風(fēng)電場還并聯(lián)了12 Mvar電容器，在過電壓期間，該電容器給風(fēng)電場提供較大無功，這是不利的，但定無功功率控制策略能有效防止風(fēng)機高壓脫網(wǎng)，可有效緩解過電壓問題，因此五端柔直采用定無功功率的方式運行，向交流系統(tǒng)提供動態(tài)無功支撐，能夠有效提高系統(tǒng)對風(fēng)機的適應(yīng)性。

3 風(fēng)電場電源控制方案

為使電網(wǎng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟可靠地運行，需控制風(fēng)電場有功、無功功率對系統(tǒng)的不利影響。根據(jù)調(diào)度指令和風(fēng)電場并網(wǎng)點信號（風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)密度、并網(wǎng)點電壓等），對風(fēng)電場無功補償裝置和風(fēng)機本身進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對整個風(fēng)電場的優(yōu)化控制，使各參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)變化。

3.1 有功功率控制

各國對DG并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的有功功率控制描述有所不同，但基本要求有2點：最大功率變換率限制；電網(wǎng)特殊情況下DG的輸出功率限制。一些國家還規(guī)定DG應(yīng)具備降低有功功率和參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的功能，提出DG需根據(jù)電網(wǎng)頻率值、調(diào)度指令等信號調(diào)節(jié)有功功率范圍和做出響應(yīng)的時間，以及參與一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)[3，5]。國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 480-2010《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》對DG具體的頻率響應(yīng)要求做了具體規(guī)定[5]。

控制風(fēng)電場有功功率的方式包括切除風(fēng)機、切除整個風(fēng)電場和調(diào)節(jié)風(fēng)電機組的有功功率輸出水平。為防止系統(tǒng)故障后出現(xiàn)孤島運行，在大衢變和美達風(fēng)電場均安裝了系統(tǒng)解列裝置。

3.2 無功功率控制

風(fēng)機輸出功率的波動性會導(dǎo)致并網(wǎng)功率因數(shù)不合格、電壓偏差、電壓波動和閃變等問題，在大容量風(fēng)電場接入系統(tǒng)時還存在穩(wěn)定性問題。標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 480-2010對不同DG的無功調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)方式做了規(guī)定：DFIG輸出有功功率時，需從電網(wǎng)吸收一定無功功率，降低并網(wǎng)點電壓。美達風(fēng)電場裝設(shè)了容量為±4 Mvar的動態(tài)無功補償裝置SVG共2套，并配備自動監(jiān)控和保護裝置，每套裝置以進線無功功率及母線電壓作為控制目標(biāo)，動態(tài)跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化，并根據(jù)變化情況動態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出，實現(xiàn)變電站在任意負(fù)荷下的高功率因數(shù)運行。

3.3 低電壓穿越能力

低電壓穿越指當(dāng)風(fēng)電場接入點電壓跌落時，能保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而穿越此低電壓時間[3]。風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例較小時，一般風(fēng)電場實施被動式自我保護而解列；當(dāng)比例較大時，如繼續(xù)使用被動式自我保護而解列，則會增加系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至加劇故障，最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，此時可采取有效低電壓穿越措施，以維護風(fēng)電場電網(wǎng)穩(wěn)定。GB/T 19963-2011要求風(fēng)電機組應(yīng)具有低電壓穿越能力和必要的高電壓耐受能力。

接入點電壓跌落至額定電壓的20%～90%時，風(fēng)電機組在0.625 s內(nèi)能夠持續(xù)并網(wǎng)運行，并要求風(fēng)電機組向電網(wǎng)提供無功功率，無功功率控制應(yīng)在電壓跌落的0.08 s內(nèi)響應(yīng)，并能持續(xù)0.6 s，實現(xiàn)電網(wǎng)的快速恢復(fù)和穩(wěn)定。文獻[8]介紹了分布式電源低電壓跌落控制策略，文獻[9-10]對DFIG低電壓穿越采用變頻器暫態(tài)電壓控制及槳距角控制，改善了風(fēng)電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

在介紹DFIG優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，指出風(fēng)機并網(wǎng)對無功電壓、線損、電能質(zhì)量、負(fù)荷預(yù)測等具有一定影響，同時電網(wǎng)的擾動對風(fēng)機也有沖擊?；谌嶂蓖哆\前后因電網(wǎng)擾動導(dǎo)致風(fēng)電場切機次數(shù)的統(tǒng)計情況，開展了柔直接入后電網(wǎng)擾動對風(fēng)機影響的BPA仿真分析。結(jié)果表明：對衢山美達風(fēng)電場進行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、配置SVG等措施有利于增加系統(tǒng)動態(tài)無功儲備，提高風(fēng)電并網(wǎng)適應(yīng)性。為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟可靠運行需依據(jù)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電場有功、無功功率進行控制。

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（本文編輯：方明霞）

Analysis on Operation Characteristic Adaptability of Integrated Island Wind Power to Power Grid

WANG Dong1，F(xiàn)ANG Zhihui2
（1.State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316000，China；2.State Grid Daishan Power Supply Company，Daishan Zhejiang 316200，China）

By modeling the integration system of wind power generating sets，the paper analyzes the impact of DG integration on the power grid in terms of protection safety，power quality and line loss.In accordance with the measured data and grid structure of Daishan Meida phase-I wind farm，the paper analyzes the operation characteristics active frequency control，reactive power control and LVRT and the five-terminal VSC-HVDC integration to demonstrate the operation characteristic adaptability of wind turbines to power grid.

distributed generation（DG）；low voltage ride through（LVRT）；grid adaptability；VSC-HVDC

TM614

：B

：1007-1881（2016）05-0042-05

2016-03-09

王 棟（1974），男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度管理及運方工作。