风电机组低电压穿越能力对110 kV电网的影响研究

张磊，陈道君，王灿，呙虎，李晨坤

(1.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

风电机组低电压穿越能力对110 kV电网的影响研究

张磊1，陈道君2，王灿2，呙虎2，李晨坤2

(1.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

在介绍双馈感应风电机组及低电压穿越能力的基础上，结合湖南郴州地区实际并网风电场，仿真分析风电机组具备/不具备低电压穿越能力对110 kV电网的影响。结果表明:并网风电机组具备低电压穿越能力非常必要，可以尽量减少故障对系统安全稳定运行的负面影响。

双馈感应风电机组；低电压穿越能力；系统安全稳定

近年来，随着全球能源安全和环境问题的日益突出，风电作为技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电技术在全球范围内得到了迅猛发展。随着风力发电技术的快速发展，基于双馈感应发电机 (doubly fed induction generators，DFIG)的变速风电机组技术日益成熟，逐步取代恒速风电机组成为世界风力发电市场上的主流机型。国内外对双馈式风电场低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)能力的实现进行了大量研究。文献 〔1〕 研究了双馈风电机组LVRT的控制策略；文献 〔2〕分析和总结了双馈式风电系统LVRT功能的实现方案，并对双馈式风力发电系统LVRT技术的发展趋势进行了展望。目前研究主要涉及发电机本体或控制策略本身，很少涉及电力系统对风电机组的LVRT要求。

对地区电网，接入的风电场是否必须具备LVRT能力，风电场有无LVRT能力对地区电网的运行稳定产生什么影响，这些问题都需要进一步研究。文中结合湖南郴州地区实际并网风电场，在典型的系统故障 (线路三相接地)下，仿真分析了风电场具备/不具备LVRT能力对110 kV电网的影响。

1 双馈感应发电机简介

双馈感应发电机属于变速恒频风机范畴，包括气动系统、机械系统、电气系统和控制系统4个部分，DFIG的结构示意见图1。双馈变速异步风电机定子直接与电网相连，转子通过AC－DC－AC变换器与电网相连，其励磁通过转子侧变换器提供，实现了PQ(有功、无功)解耦控制，具有独立的调节无功的能力。双馈风力发电机借助变换器还可以改善并优化机组的运行条件，实现与电网的柔性连接，且在系统无功功率不足的情况下，可以向电网提供一定的无功功率，以维持电网的电压稳定。一般具有两种控制模式:定功率因数控制、定电压控制〔3〕。目前，风电机组中应用较为广泛的是定功率控制模式。

图1 双馈变速异步风电机组

2 风电机组低电压穿越能力

2.1 低电压穿越的概述

风电机组的低电压穿越是指当电网故障或扰动引起的风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落范围内，风电机组能够不间断并网运行〔4〕。

通常情况下电网发生电压突降时机端电压难以建立，若风电机组继续挂网运行，将会影响到电网电压无法恢复。因此，这种情况一般切除风电机组。随着风力发电机组装机容量占电网总装机容量比日益增大，其切机情况对电网的安全运行造成的影响也就日益严重。国外的经验表明当这个数值达到3%～5%时，高风速期间如果出现大面积切机将对电网产生严重影响，因此风力发电机组的低电压穿越能力 (LVRT)也就显示出其重要性。

由电网电压跌落造成的风机大面积切机不但会对电网造成严重影响，还会对风电机组本身造成很大危害。在这个过程中风电机组会出现机械输入和电气输出功率不平衡，暂态过程导致发电机中出现过流，造成电气器件损坏，同时由不平衡带来的附加转矩、应力还有可能损坏机械部件。因此须采取有效的低电压穿越措施，以维护风场电网的稳定。

2.2 低电压穿越的规定要求

文献 〔5〕中对风电场的低电压穿越提出了如图2所示的要求:风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不间断并网运行；并网点电压在图中电压轮廓线以下时，场内风电机组允许从电网切出。此外，对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，应积极开展机组改造工作，以具备低电压穿越能力。因此，规定的风电场低电压穿越要求为:

图2 低电压穿越能力曲线

1)风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625 ms的低电压穿越能力；

2)风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。

3 实例分析

3.1 电网数据

采用包含娄底、邵阳、怀化、湘西、衡阳、郴州和永州7个地区110 kV网架的2016年度方式计算数据计算分析。

预计截止到2016年底，湖南并网风电场共32座，其中郴州地区风电场12座，总装机容量676 MW，占湖南省风电装机容量的31.8%。因此，选取郴州作为典型实例。郴州西南部分布有9座风电场，其局部电网结构如图3所示。

图3 2016年郴州地区局部电网结构

3.2 三永故障设置参数

220 kV线路三永故障继电保护、断路器及安全自动装置操作时序见表1。220 kV主变220 kV或者110 kV侧发生三相故障，0.12 s跳主变三侧。

阅读一个民族的历史小说是了解这个民族历史和精神气质的有效途径。这也符合苏格兰文学的传统，即通过小说来讲述历史。然而，苏格兰历史小说浪漫化的特点并不能真正展示苏格兰历史的全貌。正如苏格兰历史研究专家科林·基德（Colin Kidd）指出的，尽管苏格兰的过去生动而独特，却因其浓重的地方色彩和演义性质，无法为现代苏格兰社会提供一个可供参考、逻辑完整的意识形态。（转引自Craig 1999：118）苏格兰人留给苏格兰的历史如同《兰纳克》中的“时光隧道”，没有时间的流动，完全处于真实的历史因果之外。这种状况在苏格兰进入工业化社会之后也未得到改善，它成功抹去了浪漫化的过去，却仍未架起通往现在的桥梁。

表1 220 kV线路三永故障操作时序 s

3.3 LVRT能力对电网的影响

考虑2016年夏小方式风电场满额出力方式，在风电机组具备/不具备低电压穿越能力两种情况下，计算分析风电场近区220 kV系统故障对风电场运行的影响。其中，风电机组低电压穿越参数根据图2设置，风电机组低电压保护定值设置为风机机端电压低于0.8 p.u.时风机脱网。以郴州地区220 kV苏耽—蓉城线和220 kV苏耽—福冲线路苏耽侧三永故障为例研究电网故障对风电场运行的影响。

2016年夏小方式，郴州地区风电场满额出力，220 kV苏耽—蓉城线路苏耽侧发生三永故障，当风电机组具备低电压穿越能力时，郴州地区风电场全部稳定运行，没有发生脱网；当风电机组不具备低电压穿越能力时，郴州地区风电场全部脱网，脱网容量合计676 MW。风电机组具备/不具备低电压穿越能力时，系统均可以保持稳定运行。苏蓉线苏耽侧三永故障导致风电场脱网的具体数据见表2。蓉城110 kV母线电压恢复对比曲线如图4所示。风电机组具备低电压穿越能力时，蓉城110 kV母线电压约在1.46 s恢复至额定电压；而当风电机组不具备低电压穿越能力时，蓉城110 kV母线电压约在1.79 s恢复至额定电压。

表2 风电机组脱网数据 (夏小风电满额出力)

图4 蓉城110 kV电压恢复对比曲线

2016年夏小方式，郴州地区风电场满额出力，220 kV苏耽—福冲线路苏耽侧发生三永故障，当风电机组具备低电压穿越能力时，郴州地区风电场除水源、太平里全部脱网外 (脱网容量合计125 MW)，其余风电场均稳定运行，没有发生脱网；当风电机组不具备低电压穿越能力时，郴州地区风电场全部脱网，脱网容量合计676 MW。风电机组具备/不具备低电压穿越能力时，系统均可以保持稳定运行。苏福线苏耽侧三永故障导致风电场脱网的具体数据见表2所示。福冲110 kV母线电压恢复对比曲线如图5所示。风电机组具备低电压穿越能力时，福冲110 kV母线电压约在1.57 s恢复至额定电压；而当风电机组不具备低电压穿越能力时，福冲110 kV母线电压约在1.82 s恢复至额定电压。

图5 福冲110 kV电压恢复对比曲线

4 结论

1)2016年夏小方式，在郴州地区风电场满额出力方式下，风电机组具备/不具备低电压穿越能力时，电网发生故障，系统均可以保持稳定运行。

2)当电网发生故障时，具备低电压穿越能力的风电场并网运行能力较无低电压穿越能力的风电场强。如果风电机组不具备低电压穿越能力，电网故障会导致郴州地区风电场大范围脱网。

4)随着各地区并网风电场容量的逐步增加，为了维持整个地区电网的安全稳定，并网风电机组具备低电压穿越能力非常必要，可以尽量减少故障对系统安全稳定运行的负面影响。

〔1〕张永斌，袁海文.双馈风电机组低电压穿越主控系统控制策略〔J〕.电力自动化设备，2012，32(8):106-112.

〔2〕苏平，张靠社.基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究 〔J〕.电力系统保护与控制，2010，38 (23):164-171.

〔3〕陈道君，王灿，李晨坤，等.分散式风电接入对110 kV地区电网无功电压特性的影响研究 〔J〕.中国农村水利水电，2015，3:188-191.

〔4〕付鹏武，朱锴，欧阳惠，等.STATCOM在双馈风电场低电压穿越中的应用研究 〔J〕.湖南电力，2014，34(4):12-16.

〔5〕风电场接入电力系统技术规定:GB/T 19963－2011〔S〕.北京:中国标准出版社，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

张磊(1991)，男，硕士，助理工程师，主要从事电网安全稳定计算分析方面的生产和科研工作。

陈道君(1986)，男，博士，工程师，主要从事电网安全稳定计算分析方面的生产和科研工作。

王灿(1986)，男，博士，工程师，主要从事电网安全稳定计算分析方面的生产和科研工作。

呙虎(1983)，男，硕士，工程师，主要从事电力系统运行分析与仿真工作。

李晨坤(1988)，男，硕士，工程师，主要从事电力系统运行分析与仿真工作。

2016－04－01