大规模风电汇集地区风电机组高电压脱网机理

发布日期：2017-07-03 来源：中国知网 作者：杨金刚，吴林林，刘辉，梁玉枝，李群炬 浏览次数：499

大规模风电场接入弱电网时会降低电网的电压稳定裕度，增加电压调整控制的难度。从实际发生的某次风电机组高电压脱网故障出发，探讨大规模风电经远距离输电线路送出时并网点出现高电压过程的机理，建立风电场远距离并网的等效单机无穷大系统模型，得出风电场并网点电压与送出功率及无功补偿之间的关系，推导出在风电机组恒功率特性下风电并网点电压对电容补偿的灵敏度，证明当风电送出功率增大时其并网点电压的灵敏度也随之增大，说明在风电大发时投入电容补偿后会引起较大的电压增幅，存在风电机组高电压脱网的风险。通过DIgSILENT 软件对某实际风电场接入地区电网进行仿真分析，验证上述结论的正确性。

风电是最具大规模商业开发潜力、最具活力、取用不尽且使用清洁、安全的可再生能源电力之一。同时，风力发电还具有技术相对成熟、装机容量增长空间大及成本下降快等优势。
然而，大容量风电并网改变了电网原有的潮流分布，加之风电自身固有的无功特性（吸收或不发出无功功率），使得风电接入对电网电压稳定性的影响显得尤为突出。由于大中型风电场多数建在较为偏远的风力资源丰富的地区，多采用远距离大规模集中接入的方式与电力主网架相连，而且风电接入地区的网络结构一般比较薄弱，短路容量较小，大容量的风电接入将严重降低电网电压稳定裕度，增加电压调整控制的难度。
近些年来中国风电汇集地区发生了多起风机脱网事件，引起了业内的广泛关注，研究人员进行了大量的研究工作。文献[3]指出由于风电机组不具备低电压穿越、动态无功调节的能力，在电网发生故障情况下能够引发大规模的风电脱网事故。认为风机控制器单纯以保护风机为目的，与“电网继电保护必须遵从维护系统稳定”的要求相矛盾，提出了3 种预防电网波动导致风机脱网事故发生的方法；从双馈风机脱网时的S-Q 特性出发，揭示了双馈感应风电机组在其撬棒保护动作导致异常脱网过程中会从电网瞬时吸收大量无功的特点，并提出了风电场无功补偿措施；对风电机组连锁脱网事故的发展过程进行分析，构造了一个典型系统，用以分析风电机组共模跳闸的机理，研究导致风机脱网事故的主要因素，并提出相应的改善措施；针对风速的波动性和随机性，提出一种求取含风电场系统电压稳定裕度概率分布的算法，找出系统运行的潜在危险和薄弱环节，为运行规划人员提供指导；研究一种基于P-V 曲线计算风电接入系统电压稳定的分析方法，能够定量给出不同运行方式下的电压稳定裕度以及所允许的电压波动范围等。

针对风电场的低电压脱网及电压崩溃等问题的研究已经形成了大量的技术文献，而对风电场无功补偿设备的投切引起风电机组高电压脱网的研究较少，但实际中风电机组高电压脱网故障也时有发生，值得引起关注和深入研究。

风电场配置的SVC（静止无功功率补偿器）装置大部分是TCR+FC（晶闸管控制电抗器+固定电容器）型，但在实际运行中FC 支路并未完全投入，运行人员为了降低损耗等原因，一般改为手动投切FC 支路；同时，在风电出力较大时，电抗器支路经常手动退出运行，此时若投入一组电容器支路，将引起电压的陡升，严重时将会引起风机的高电压脱网。此外，由于部分风电场的单组无功补偿容量较大（20～30 Mvar），在风电出力较大时投入无功补偿设备将引起电压的大幅攀升，也将加重风机高电压脱网的风险。2012 年5 月中国某风电送出系统的500 kV 电网中相关元件由检修转运行，风电场发电出力限制放开，风电有功出力迅速攀升（30 min 内由700 MW 增加至约1 300MW），为配合调压，风电场陆续有SVC 的电容器支路投入，当某风电场投入一组20 Mvar 的电容器支路时，瞬间引起电压增幅达8 kV，随后电压进一步升高， 5 s 后电压达到242 kV（1.1 Up.u.），继而触发风机高电压保护动作，导致风电场的大规模风机脱网。

目前，各国对风电机组的低电压穿越能力均提出了明确要求，但是对于高电压穿越运行能力要求还不普遍，很多国家的电力机构对高电压穿越能力没有明确的规定，中国对风电机组高电压穿越能力也没有明确的要求，仅在国标19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》中要求“当风电场并网点电压在额定电压的90%～110%时，风电机组应能正常运行；当风电场并网点电压超过额定电压的110%时，风电场的运行状态由风电机组的性能确定。”

本文简要分析了大型风电场汇集送出系统的静态电压稳定特性，指出在风电大发且电压水平比较低时投入电容器补偿装置会引起电压的大幅跃升，存在高电压脱网的风险，并通过仿真算例验证了这一点，最后给出了大规模风电接入系统出现风电机组高电压脱网的发生及发展过程。
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