大規模風電匯集地區風電機組高電壓脫網機理

發布日期：2017-07-03 來源：中國知網 作者：楊金剛，吳林林，劉輝，梁玉枝，李群炬 瀏覽次數：564

大規模風電場接入弱電網時會降低電網的電壓穩定裕度，增加電壓調整控制的難度。從實際發生的某次風電機組高電壓脫網故障出發，探討大規模風電經遠距離輸電線路送出時并網點出現高電壓過程的機理，建立風電場遠距離并網的等效單機無窮大系統模型，得出風電場并網點電壓與送出功率及無功補償之間的關系，推導出在風電機組恒功率特性下風電并網點電壓對電容補償的靈敏度，證明當風電送出功率增大時其并網點電壓的靈敏度也隨之增大，說明在風電大發時投入電容補償后會引起較大的電壓增幅，存在風電機組高電壓脫網的風險。通過DIgSILENT 軟件對某實際風電場接入地區電網進行仿真分析，驗證上述結論的正確性。

風電是最具大規模商業開發潛力、最具活力、取用不盡且使用清潔、安全的可再生能源電力之一。同時，風力發電還具有技術相對成熟、裝機容量增長空間大及成本下降快等優勢。
然而，大容量風電并網改變了電網原有的潮流分布，加之風電自身固有的無功特性（吸收或不發出無功功率），使得風電接入對電網電壓穩定性的影響顯得尤為突出。由于大中型風電場多數建在較為偏遠的風力資源豐富的地區，多采用遠距離大規模集中接入的方式與電力主網架相連，而且風電接入地區的網絡結構一般比較薄弱，短路容量較小，大容量的風電接入將嚴重降低電網電壓穩定裕度，增加電壓調整控制的難度。
近些年來中國風電匯集地區發生了多起風機脫網事件，引起了業內的廣泛關注，研究人員進行了大量的研究工作。文獻[3]指出由于風電機組不具備低電壓穿越、動態無功調節的能力，在電網發生故障情況下能夠引發大規模的風電脫網事故。認為風機控制器單純以保護風機為目的，與“電網繼電保護必須遵從維護系統穩定”的要求相矛盾，提出了3 種預防電網波動導致風機脫網事故發生的方法；從雙饋風機脫網時的S-Q 特性出發，揭示了雙饋感應風電機組在其撬棒保護動作導致異常脫網過程中會從電網瞬時吸收大量無功的特點，并提出了風電場無功補償措施；對風電機組連鎖脫網事故的發展過程進行分析，構造了一個典型系統，用以分析風電機組共模跳閘的機理，研究導致風機脫網事故的主要因素，并提出相應的改善措施；針對風速的波動性和隨機性，提出一種求取含風電場系統電壓穩定裕度概率分布的算法，找出系統運行的潛在危險和薄弱環節，為運行規劃人員提供指導；研究一種基于P-V 曲線計算風電接入系統電壓穩定的分析方法，能夠定量給出不同運行方式下的電壓穩定裕度以及所允許的電壓波動范圍等。

針對風電場的低電壓脫網及電壓崩潰等問題的研究已經形成了大量的技術文獻，而對風電場無功補償設備的投切引起風電機組高電壓脫網的研究較少，但實際中風電機組高電壓脫網故障也時有發生，值得引起關注和深入研究。

風電場配置的SVC（靜止無功功率補償器）裝置大部分是TCR+FC（晶閘管控制電抗器+固定電容器）型，但在實際運行中FC 支路并未完全投入，運行人員為了降低損耗等原因，一般改為手動投切FC 支路；同時，在風電出力較大時，電抗器支路經常手動退出運行，此時若投入一組電容器支路，將引起電壓的陡升，嚴重時將會引起風機的高電壓脫網。此外，由于部分風電場的單組無功補償容量較大（20～30 Mvar），在風電出力較大時投入無功補償設備將引起電壓的大幅攀升，也將加重風機高電壓脫網的風險。2012 年5 月中國某風電送出系統的500 kV 電網中相關元件由檢修轉運行，風電場發電出力限制放開，風電有功出力迅速攀升（30 min 內由700 MW 增加至約1 300MW），為配合調壓，風電場陸續有SVC 的電容器支路投入，當某風電場投入一組20 Mvar 的電容器支路時，瞬間引起電壓增幅達8 kV，隨后電壓進一步升高， 5 s 后電壓達到242 kV（1.1 Up.u.），繼而觸發風機高電壓保護動作，導致風電場的大規模風機脫網。

目前，各國對風電機組的低電壓穿越能力均提出了明確要求，但是對于高電壓穿越運行能力要求還不普遍，很多國家的電力機構對高電壓穿越能力沒有明確的規定，中國對風電機組高電壓穿越能力也沒有明確的要求，僅在國標19963—2011《風電場接入電力系統技術規定》中要求“當風電場并網點電壓在額定電壓的90%～110%時，風電機組應能正常運行；當風電場并網點電壓超過額定電壓的110%時，風電場的運行狀態由風電機組的性能確定?！?/span>

本文簡要分析了大型風電場匯集送出系統的靜態電壓穩定特性，指出在風電大發且電壓水平比較低時投入電容器補償裝置會引起電壓的大幅躍升，存在高電壓脫網的風險，并通過仿真算例驗證了這一點，最后給出了大規模風電接入系統出現風電機組高電壓脫網的發生及發展過程。
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