余浩，王盼盼，段瑤，田書新，陳武暉

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東省廣州市 510080；2.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西省太原市 030024）

0 引言

隨著全球一次能源的不斷減少以及“雙碳”目標的提出，提升新能源在電力系統(tǒng)中的比例，逐步形成以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略要求。風力發(fā)電是新能源發(fā)電當中發(fā)展比較成熟的一種。相比陸上風電，海上風電具有更豐富的風能資源、年利用小時數(shù)高、節(jié)省土地資源等優(yōu)點。海上風電在廣東、江蘇、山東等省份迅速發(fā)展，目前在電力系統(tǒng)當中占據(jù)相當規(guī)模。廣東電網(wǎng)海上風電發(fā)展迅速，截止2021年7月底，廣東海上風電裝機1472 MW。但海上風電依賴于天氣與氣候的變化，因此具有間歇性、波動性與不確定性，這對電能質(zhì)量與電網(wǎng)穩(wěn)定性都是巨大的挑戰(zhàn)。

為平抑海上風電的波動性和間歇性對輸電通道及系統(tǒng)功率平衡的影響，海上風電通常與火電打捆外送。為確保海上風電與火電打捆外送系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，相關學者在外送系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，其中風、火配置比例與方案，風、火打捆系統(tǒng)次同步振蕩以及風、火打捆調(diào)控策略等方面進行了較多的研究。文獻[1-2]從風、火打捆直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，研究對比了不同風、火配比下的影響，提出最優(yōu)風、火容量配置比例；文獻[3]綜合考慮了輸電成本與火電機組的影響，結(jié)合風電場持續(xù)出力曲線給出了最優(yōu)的風、火配置方案；文獻[4-5]分別基于風、火打捆系統(tǒng)風機與直流輸電的動態(tài)交互問題和線路串補度等，進一步研究了風、火打捆系統(tǒng)的次同步振蕩產(chǎn)生機理與抑制措施；文獻[6]從系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性角度，研究了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器與靜止同步串聯(lián)補償器對風、火打捆系統(tǒng)低頻振蕩的削弱作用；文獻[7]基于擴展等面積定則，分析了風電場選址與火電機組出力等因素對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響；文獻[8-9]針對目前風、火打捆系統(tǒng)存在的有功控制問題，結(jié)合中國風電輸送調(diào)度現(xiàn)狀，給出了風、火打捆有功控制系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)策略。盡管風、火打捆技術(shù)研究發(fā)展迅速，但低電壓穿越問題在風、火打捆系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行當中作為關鍵性技術(shù)，目前研究仍然很少涉及。

在風電場低電壓穿越方面，文獻[10]基于6臺1.5 MW永磁直驅(qū)式風機研究了單相與三相短路故障下，風電機組通過降低有功功率，增大無功功率維持電網(wǎng)電壓；文獻[11]采用12臺0.989 MW的風力發(fā)電機，分析了靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)控制策略在低電壓穿越當中的正確性。但單臺或小容量風機研究在風、火打捆實際場景中缺少適用于我國風電集中開發(fā)并網(wǎng)的場景。文獻[12]基于150臺2 MW變速風機，對電壓故障下不同接入方案進行比較，分析了系統(tǒng)接入方案與風電場接入方案對低電壓穿越的影響；文獻[13]在80臺1.5 MW風機基礎上，利用變異系數(shù)法對風電場進行性能評估，進而調(diào)整各臺風力發(fā)電機的無功出力，故障發(fā)生時支撐電網(wǎng)電壓；文獻[14-15]側(cè)重考慮打捆系統(tǒng)中雙饋風機的影響，證明了撬棒保護在故障穿越中的作用。以上風電場低電壓穿越研究僅考慮了風電場低電壓穿越，更加側(cè)重風電場本身，未考慮大規(guī)模風電場集群之間動態(tài)耦合對故障風電場低電壓穿越的影響，也沒有計及風電集群與打捆火電之間的相互耦合對低電壓穿越的影響。

由上述分析可知，當前研究主要針對單個風電場的低電壓穿越問題，而隨著“十四五”規(guī)劃的提出，基地式集中連片開發(fā)成為我國海上風電開發(fā)的主流模式，多個風電場集中并網(wǎng)故障期間各風電場之間的動態(tài)特性耦合、各風電場故障期間的相互影響、低電壓穿越過程特性復雜等問題，亟需進一步研究。而且風電集群與打捆火電之間的相互耦合對低電壓穿越的影響也需要進一步研究。

本文在總結(jié)國內(nèi)外風電場低電壓穿越標準的基礎上，應用風、火打捆系統(tǒng)的短路比和火電機組的無功調(diào)整機理，從理論角度解釋了火電提升了海上風電與火電打捆系統(tǒng)電壓的支撐能力，進而指出火電對多風電場的低電壓穿越能力也有一定程度的提升。并在PSCAD/EMTDC中搭建某實際規(guī)劃場景的海上風電集群與火電打捆系統(tǒng)模型進行仿真驗證，結(jié)果表明：火電機組提升了與其打捆的風電集群的低電壓穿越能力。而在風電集群單獨外送系統(tǒng)中，由于多風電場之間動態(tài)相互作用導致故障風電場的電壓、電流以及功率等發(fā)生振蕩，即使在電壓跌落至額定電壓75%的情況下也可能無法實現(xiàn)低電壓穿越；在故障風電場電壓跌落嚴重的情況，可能導致非故障風電場也無法正常運行。這些研究結(jié)果驗證了上述理論分析的合理性。

1 我國風電場低電壓穿越

電力系統(tǒng)中電網(wǎng)短路故障是較為常見且后果也比較嚴重的一類故障，電網(wǎng)發(fā)生短路故障常常引起風電場并網(wǎng)點母線不同程度的電壓跌落，風機無法像火電機組一樣在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時對系統(tǒng)提供一定的無功與有功功率協(xié)助系統(tǒng)恢復穩(wěn)定，嚴重時將使得風電場無法正常運行甚至脫網(wǎng)，進而使電網(wǎng)產(chǎn)生電能缺額，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)，因此各國根據(jù)各自電網(wǎng)運行需求，制訂了不同的風電場低電壓穿越標準。

1.1 我國低電壓穿越要求

我國規(guī)定的風電場低電壓穿越能力是指當電網(wǎng)故障或擾動引起電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，風電機組保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行的能力[16]。在《GB∕T 19963.1—2021風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中給出了風電場低電壓穿越的具體標準，要求即使在電壓跌落很嚴重的情況下，發(fā)電設備也應該保持并網(wǎng)并持續(xù)運行，只有在電壓跌落至標準線下，才允許風機脫網(wǎng)。

從圖1可以看出，我國要求風力發(fā)電機組在并網(wǎng)點電壓降至20%時仍能并網(wǎng)連續(xù)運行0.625 s，并且故障發(fā)生2 s內(nèi)并網(wǎng)點電壓能恢復至正常運行時的90%。同時國標上也對不同故障類型下風電場未脫網(wǎng)風機的有功功率恢復速率、動態(tài)無功支撐能力等做出了相應要求。三相短路故障在所有類型的故障當中最為嚴重，對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響更加顯著，因而規(guī)范中對三相短路故障時的動態(tài)無功支撐能力有著更加嚴苛的要求。

圖1 我國低電壓穿越標準Fig.1 The LVRT specified in CNS

風電場動態(tài)無功電流增量應響應并網(wǎng)點電壓變化，并應滿足公式（1）[16]

式中：ΔIt為風電場注入的動態(tài)無功電流增量；K1為風電場動態(tài)無功電流比例系數(shù)，取值范圍應不小于1.5、不大于3；Ut為風電場并網(wǎng)點電壓標幺值；IN為風電場額定電流。

除此之外，規(guī)范也要求風電場并網(wǎng)點電壓正序分量跌至額定電壓的80%及以下時，風電場輸出的無功電流不能低于風電場正常情況下并網(wǎng)額定電流的1.05倍，且要求風電場故障切除后有功功率速率不小于0.2 PN/s 恢復至故障前的值，PN為風電場額定有功功率。

1.2 風電集群動態(tài)相互作用對故障穿越的影響

我國海上風電目前呈現(xiàn)出大規(guī)模連片開發(fā)特點，大規(guī)模風電集群集中并網(wǎng)成為典型場景之一，圖2所示為我國某地區(qū)實際海上風電集群規(guī)劃項目。A區(qū)域7個風電場與B區(qū)域4個風電場并網(wǎng)外送，這些海上風電場相互之間存在動態(tài)相互作用，包括同一區(qū)域內(nèi)風電場間相互作用，不同區(qū)域之間風電場相互作用。假設風電場Wind8送出線路發(fā)生短路故障時，故障風場母線電壓下降，與此同時，非故障風電場Wind9-11由于與故障風電場之間存在電氣連接，電壓也會受到影響，不同區(qū)域的風電場Wind1-7也會存在不同程度的電壓下降。與單獨風電場接入相比，非故障風電場的電壓下降，將吸收大量的無功，進一步惡化故障風電場故障穿越的電網(wǎng)環(huán)境，為協(xié)調(diào)控制所有風電場電壓，需要向系統(tǒng)注入大量無功功率，造成多場站系統(tǒng)低電壓穿越所需無功功率比單獨風電場大很多，若系統(tǒng)不能及時向風電集群注入大量無功功率支撐電網(wǎng)電壓，風電集群之間無功串動，可能遭受動態(tài)電壓振蕩失穩(wěn)，無法實現(xiàn)故障穿越。因此，與單個風電場低電壓穿越相比，對多風場系統(tǒng)低電壓穿越能力的要求更高，需要進一步研究。

圖2 海上多風場并網(wǎng)示意圖Fig.2 Sketch map of grid-connected multi offshore wind farms

2 火電機組對與其打捆的海上風電系統(tǒng)低電壓穿越性能的提升作用

我國海上風電目前呈現(xiàn)出大規(guī)模連片開發(fā)而且集中并網(wǎng)的特點，由于風電場間的動態(tài)耦合，大規(guī)模風電集群集中并網(wǎng)的低電壓穿越問題嚴重。目前海上風電與火電打捆系統(tǒng)發(fā)展迅速，風、火打捆系統(tǒng)低電壓穿越問題還有待研究。本文從系統(tǒng)短路比和火電機組勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供無功支持原理2個方面來闡述火電機組對海上風電集群低電壓穿越的提升作用。

2.1 風、火打捆提高風電場短路比對電壓支持作用

火電的接入可以改善新能源系統(tǒng)并網(wǎng)的抗擾性能，增大系統(tǒng)阻尼提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[17-18]。短路比作為工程實際中衡量電網(wǎng)強度的指標，可以為電網(wǎng)規(guī)劃和運行提供一定程度的參考，當風、火打捆系統(tǒng)短路比過低時，系統(tǒng)會存在寬頻振蕩風險；短路比越高，系統(tǒng)強度越大，可以應對的嚴重故障的能力越強?；痣姷慕尤雽ο到y(tǒng)短路比具有提升作用，具體如下：

通常將單獨風電場接入交流系統(tǒng)用戴維南等值方法簡化為一個理想電壓源串聯(lián)電阻的形式[19]，以受端系統(tǒng)為例，如圖3所示。

圖3 單獨風電場示意圖Fig.3 Sketch map of grid-connected individual wind farm

將系統(tǒng)三相短路容量與送出額定有功功率的比值作為衡量電網(wǎng)強度的短路比指標，計算單獨風電場的短路比

式中： Zeq1=ZW+ZX， ZW為風電場送出線路等值電抗；ZX為 打捆系統(tǒng)輸電線路等值電抗；SN為系統(tǒng)三相短路容量；PN為新能源系統(tǒng)送出有功功率；UN為風機并網(wǎng)點額定電壓。

進一步將單獨風電場戴維南等值方法推廣至風、火打捆系統(tǒng)，同樣可以將其簡化為一個電壓源串聯(lián)電阻的形式，圖4為風、火打捆系統(tǒng)接入受端電網(wǎng)示意圖。

圖4 風、火打捆系統(tǒng)示意圖Fig.4 Sketch map of bundled system composed of offshorewind power cluster and thermal power units

考慮到火電機組在風、火打捆系統(tǒng)中能夠像交流系統(tǒng)一樣提供短路電流，增大交流系統(tǒng)的短路容量，故將火電機組并入受端電網(wǎng)，機組阻抗與受端電網(wǎng)阻抗并聯(lián)得到新能源風電場短路比計算公式為

式中： Zeq2=ZW1+ZX//ZF2，為風、火打捆系統(tǒng)等值阻抗；ZF2為同步電機電抗與線路阻抗的和。一般情況下火電接入后，系統(tǒng)網(wǎng)架會因傳輸功率上升而進一步加強，ZX也會減小。顯然，由式（2）（3）可以看出，當風電場傳輸容量相同，輸電線路阻抗同樣保持不變的情況下，風、火打捆系統(tǒng)短路比要大于單獨風電場短路比：

當增大火電廠容量時，火電機組等效電抗由ZF變 為Zf

式中： Zeq3=ZW+ZX//Zf，由于火電廠容量增大導致Zf＜ZF，故 Zeq3＜Zeq2，代入式（3）和（5）可以得到如下關系

從短路比角度來看，上述分析可以歸納為：風、火打捆系統(tǒng)由于火電廠的接入，短路比相對變大，且隨著火電廠容量增大，風、火打捆系統(tǒng)短路比提高，風、火打捆系統(tǒng)電網(wǎng)強度大于單獨風電場電網(wǎng)強度。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，風電場并網(wǎng)點電壓保持能力也進一步增強，系統(tǒng)在電壓跌落故障時受擾能力也相應增強。

2.2 火電機組對風、火打捆系統(tǒng)的動態(tài)無功支撐

火電廠通過勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，原理如圖5所示。測量環(huán)節(jié)采集到的機端電壓與發(fā)電機機端電流經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)與電壓參考值Uref比較后，再經(jīng)過綜合放大與移相觸發(fā)環(huán)節(jié)等控制發(fā)電機勵磁繞組的勵磁電壓uf。

圖5 交流勵磁機勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)Fig.5 Transfer function of AC exciter excitation system

由于發(fā)電機的內(nèi)電勢與發(fā)電機勵磁電流成正比 E0=kfIf。根據(jù)圖5，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)勵磁電壓uf可以改變勵磁電流If，從而改變發(fā)電機的內(nèi)電勢，保持發(fā)電機的機端電壓恒定，同時控制同步機輸出的無功功率，如圖6所示。E0、E0′、分別表示發(fā)電機正常勵磁、欠勵和過勵時的激磁電動勢。

圖6 勵磁調(diào)節(jié)原理圖Fig.6 Schematic diagram of Excitation regulation

正常運行時，勵磁電動勢與機端電壓和電流的關系E˙0=U˙t+j I˙tXa。為保持發(fā)電機的機端電壓恒定不變，當機端電壓降低時，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器會增大勵磁電流，發(fā)電機運行在過勵磁狀態(tài)，向電網(wǎng)輸出無功功率；當系統(tǒng)電壓升高時，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器減小勵磁電流，發(fā)電機運行于欠勵磁狀態(tài)，發(fā)電機從電網(wǎng)吸收無功功率。

風電場在正常運行期間，只向電網(wǎng)發(fā)出有功功率而幾乎不發(fā)出無功功率，功率因數(shù)接近1。發(fā)生短路故障時，短路點電壓會瞬間跌落，形成較大的無功功率缺口，因而需要系統(tǒng)中的無功功率電源發(fā)出一定的無功功率填補缺額，阻止短路點電壓進一步跌落，最終實現(xiàn)風電場的低電壓穿越。系統(tǒng)正常運行情況下，火電機組發(fā)出的有功功率和無功功率為恒定值。當風電場發(fā)生短路故障時，電網(wǎng)電壓跌落，火電機組機端電壓下降，機組為保持機端電壓恒定，通過勵磁調(diào)節(jié)器自動增大勵磁電流，為系統(tǒng)提供動態(tài)無功功率，在一定程度上也會減少風、火打捆系統(tǒng)的電壓跌落，提升風電場低電壓穿越能力。

綜上分析，風、火打捆系統(tǒng)中火電機組對風電場的低電壓穿越能力有一定的提升作用，主要表現(xiàn)在2個方面：一方面火電接入可以提高系統(tǒng)短路比，增強系統(tǒng)電壓抗擾能力；另一方面火電在系統(tǒng)故障時可以提供動態(tài)無功功率，幫助電網(wǎng)電壓更快恢復至穩(wěn)定值。

3 火電接入對風電場低壓穿越的影響

3.1 某實際規(guī)劃海上風電集群與火電打捆場景及參數(shù)

本文研究的算例為某海上風電集群與火電打捆接入系統(tǒng)的實際規(guī)劃項目，風、火容量配比為1：1.35，其中海上風電集群包括11個風電場，海上風電場分布在2個地區(qū)，總?cè)萘?320 MW，A區(qū)7個風電場總?cè)萘繛?600 MW；B區(qū)4個風電場總?cè)萘繛?720 MW，其中的500 MW風電場為該區(qū)容量最大的風電場。打捆外送火電廠2個，總?cè)萘?480 MW，而2個火電廠只分布在C市與D市，總?cè)萘糠謩e為2480 MW與2000 MW。

風電場均采用額定容量為5.5 MW的永磁半直驅(qū)風電機組，風機接背靠背脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變流器后連接0.69 kV/35 kV變壓器，經(jīng)11回路傳輸線(A區(qū)7回路、B區(qū)4回路)匯集到35 kV母線，再經(jīng)過2次集控站升壓到500 kV接入電網(wǎng)。另一側(cè)火電機組也經(jīng)22 kV/500 kV變壓器將電能輸送到遠端受電系統(tǒng)，最終實現(xiàn)風、火打捆。海上風電場集中并網(wǎng)場景如圖2所示，與火打捆場景如圖7所示，場景詳細規(guī)劃參數(shù)見表1—4。

表1 線路參數(shù)Table 1 Line parameters

圖7 風、火打捆系統(tǒng)場景圖Fig.7 Scene of bundled system composed of offshorewind power cluster and thermal power units

本文在PSCAD仿真的基礎上搭建上述實際規(guī)劃的風、火打捆的場景，通過在風電場并網(wǎng)點設置三相接地短路故障進行對比，探究多風電場與多火電機廠的打捆外送對風電場低電壓穿越產(chǎn)生的影響。如圖7所示，B區(qū)容量為500 MW的風電場在并網(wǎng)點發(fā)生三相經(jīng)電感接地故障，通過改變電感大小控制電壓跌落程度。故障起始時間4 s，持續(xù)時間0.625 s。

3.2 火電廠對故障穿越能力提升作用分析

1)系統(tǒng)短路比變化對低電壓穿越影響。

由圖8可以看出，隨著系統(tǒng)阻抗從0.02 H提升到0.06 H，系統(tǒng)短路比逐漸減小，相同故障下風機電壓跌落程度也逐漸從0.785 pu變化到0.776 pu。同樣，由圖9可以看出，隨著火電接入阻抗從0 H提升到0.1 H，系統(tǒng)短路比減小，相同故障下風機電壓跌落程度也逐漸從0.781 pu變化到0.752 pu。綜合圖8—9，說明風、火打捆系統(tǒng)

圖8 改變外送線路阻抗時風電場并網(wǎng)點電壓示意圖Fig.8 Voltage at grid-connected point of wind farm when impedance of outwardsdelivery transmission line ischanged

圖9 改變火電廠接入阻抗時風電場并網(wǎng)點電壓示意圖Fig.9 Voltage at grid-connected point of wind farm when grid-connected impedanceof thermal power plant ischanged

低電壓穿越能力與短路比正相關，火電的接入使系統(tǒng)短路比增強，維持系統(tǒng)電壓保持能力也增強，風、火打捆系統(tǒng)故障穿越能力也同時提升。

表2 變壓器參數(shù)Table 2 Transformer parameters

表3 風機參數(shù)Table3 Parametersof wind-driven generator

表4 同步機參數(shù)Table 4 Parametersof synchronousgenerator

2)火電機組勵磁調(diào)節(jié)器對低電壓穿越的作用。

為探究火電機組提升風電場低電壓穿越能力的運行機理，給出火電機組3種程度故障時勵磁電流與無功功率曲線，如圖10所示。

從圖10可以看出，風電場發(fā)生故障引起電壓跌落后，火電機組的勵磁電流會相應上升，過勵磁的火電機組會向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率支撐電網(wǎng)電壓。并且跌落程度越嚴重，勵磁電流上升的越多，火電機組發(fā)出的無功功率也越多。

圖10 火電廠穿越故障的無功支持作用Fig.10 Reactive power supporting action of thermal power plant under fault ride-through

為進一步研究火電機組勵磁電流的變化對系統(tǒng)低電壓穿越能力的作用，本文選取電壓跌落至20%的場景，改變故障發(fā)生時勵磁電流的大小，測量故障點電壓變化情況，得出圖11。

如圖11所示，相同跌落程度下，隨著勵磁電流的上升，故障點電壓跌落程度有所減小，說明火電機組除了提高系統(tǒng)短路比，增強系統(tǒng)電壓保持能力外，還可以通過改變勵磁電流，增大故障時提供給系統(tǒng)動態(tài)的無功功率，故障結(jié)束后幫助電網(wǎng)電壓恢復至穩(wěn)定值，與前文分析一致。

圖11 不同勵磁電流時故障點電壓示意圖Fig.11 Voltage at faulty point under different exciting currents

3.3 風電單獨外送與風、火打捆系統(tǒng)的低電壓穿越性能對比

選擇接地電感為0.003、0.001和0.00025 H的場景，設置3種故障程度，分別為75%、50%、20%電壓跌落，數(shù)據(jù)測量點為35 kV并網(wǎng)點風機側(cè)。本文給出了75%與20%跌落程度仿真圖，50%跌落程度與前2者相似。圖12—15給出了2組測試結(jié)果，包括風電場并網(wǎng)點電壓、電流、有功功率、無功功率。

通過觀察圖12—13中(a)、(b)、(c)和(d)，可以看出：當風電場故障點跌落至75%、20%時，無論是電壓、電流、有功功率還是無功功率，風、火打捆系統(tǒng)都比未接入火電的系統(tǒng)波動程度要小，故障后都能恢復穩(wěn)定，且符合國標低電壓穿越標準。

圖12(a)中，當風場故障點電壓最低跌落至標稱電壓的75%時，無打捆火電的系統(tǒng)的故障點電壓在120%與80%之間劇烈振蕩，且故障后電壓無法恢復至故障前狀態(tài)。而當風電集群與火電打捆后的系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓故障時能夠平穩(wěn)地維持在額定80%，且在故障后電壓很快恢復至初始的穩(wěn)定電壓。圖13(a)中，也同樣顯示，當風場故障點電壓最低跌落至標稱電壓的20%時，無打捆火電的系統(tǒng)故障點電壓在120%與20%之間劇烈振蕩，且故障后電壓無法恢復至故障前狀態(tài)。而風電集群與火電打捆后的系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓故障時能夠平穩(wěn)地維持在額定電壓的20%，且在故障后電壓很快恢復至初始的穩(wěn)定電壓。從圖12—13還可以看出，無火電打捆時，風電場故障點的電流、有功和無功也發(fā)生劇烈振蕩，且無法恢復到穩(wěn)態(tài)運行。

圖12 故障風場電壓跌落至75%時的測試結(jié)果對比Fig.12 Comparison of test results when voltage of faulty wind farm dropsto 75%

圖13 故障風場電壓跌落至20%時的測試結(jié)果對比Fig.13 Comparison of test results when voltage of faulty wind farm drops to 20%

從圖12—13分析可知，當風電集群單獨并網(wǎng)時，由于系統(tǒng)短路比較小，一個風電場發(fā)生三相電壓跌落時，故障風電場并網(wǎng)點電壓會瞬間跌落并產(chǎn)生劇烈波動，風電場交流電壓支撐能力不足使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，最終導致風電場低電壓穿越的失敗，其他參量如電流、有功功率和無功功率與電壓一樣，也發(fā)生劇烈振蕩，說明當風電集群容量較大或者故障程度較為嚴重時，單純依靠風電機組網(wǎng)側(cè)的控制難以恢復穩(wěn)定。而當風電集群與火電打捆外送時，火電對風電場的故障穿越性能有重要的提升作用。

如圖14(a)當風電場故障點電壓跌落至75%、時，非故障風電場并網(wǎng)點電壓跌落至86%，與風、火打捆時并網(wǎng)點電壓、電流、有功和無功曲線相比，風電集群單獨并網(wǎng)系統(tǒng)的各量的曲線都有不同程度的振蕩。圖15(a)所示，當風電場故障點電壓跌落至20%時，非故障風電場并網(wǎng)點電壓跌落至71%，并網(wǎng)點電壓、電流、有功和無功都發(fā)生劇烈振蕩，無法正常運行。而風、火打捆系統(tǒng)中，各非故障風電場并網(wǎng)參數(shù)很快恢復到穩(wěn)定運行狀態(tài)。

圖15 非故障風場電壓跌落至20%時的測試結(jié)果對比Fig.15 Comparison of test results when voltage of nonfaulty wind farm dropsto 20%

從圖14—15(a)來看，風電集群集中并網(wǎng)系統(tǒng)在一個風電場故障后，其他風電場電壓也會有所下降，進一步吸收大量無功，惡化故障風電場故障穿越的電網(wǎng)環(huán)境，甚至在故障風電場電壓跌落嚴重的情況（跌落至額定電壓20%時），非故障風電場電壓、電流、有功和無功也發(fā)生劇烈振蕩，無法恢復到穩(wěn)態(tài)運行點。這說明，風電集群中各風電場動態(tài)相互作用會降低風電場故障穿越的能力。

圖14 非故障風場電壓跌落至75%時的測試結(jié)果對比Fig.14 Comparison of test results when voltage of nonfaulty wind farm dropsto 75%

從圖12—15可以看出，風電集群與火電打捆接入系統(tǒng)后，火電能夠提供無功，提升風電集群低電壓穿越能力。

4 結(jié)論

1）風電集群中各風電場之間存在動態(tài)耦合，風電場低電壓穿越時對電網(wǎng)支撐能力要求較高，風電集群單獨并網(wǎng)（無打捆火電廠）時，故障風電場很難實現(xiàn)故障穿越；在電壓跌落嚴重時，非故障風電場也會發(fā)生劇烈的電壓、電流和功率振蕩，故障后無法恢復到穩(wěn)定運行狀態(tài)。

2)當海上風電集群與火電打捆時，系統(tǒng)短路比提高，風、火打捆系統(tǒng)低電壓穿越能力增強。而且，火電還能夠調(diào)節(jié)勵磁電流，增大無功功率支撐，降低系統(tǒng)電壓跌落程度，實現(xiàn)海上風電集群故障穿越，故障后穩(wěn)定運行。

3）不同電壓跌落程度下，火電機組提供的無功功率有所不同，跌落程度越大，火電機組提供的無功功率越大。由于火電機組能提供的無功功率有限，在工程實際中，為提高風、火打捆系統(tǒng)低電壓穿越能力，應當配合其他無功調(diào)節(jié)手段，根據(jù)實際情況需進一步對多種無功支撐手段進行仿真研究。