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针对我国风能资源特点,国家能源局制定了在河北、江苏、内蒙古、甘肃、新疆、吉林等地建设千万千瓦级风电基地的发展目标,如此超大规模、超高容量风电基地建设及其接入电网工程在世界上尚属首次。
大型风电基地采用汇集升压后直接接入500(750)千伏电压等级输电网的接入方案,风电接入容量的增加与接入电压等级的提高使得电力系统受风电的影响范围更广,影响程度更大,这也就对风电场安全并网运行提出了更高的要求。
低电压穿越的必要性
据国家电力监管委员会2011年第四号《风电安全监管报告》统计,仅2011年一年,我国发生规模超过10万千瓦的风电机组脱网事故193次,超过50万千瓦的大型事故12次。风电机组脱网事故给电网安全稳定运行和可靠供电带来很大风险,同样也使风电场业主遭受电量损失。
据事故调查分析,部分并网运行的风电机组不具备低电压穿越能力,且故障期间未能有效地提供动态无功支撑,是造成风电大规模脱网的主要原因之一。当风电场不具备低电压穿越能力,电力系统发生扰动故障导致大量风电机组被切除时,系统潮流会发生严重转移,电网电压和频率均受到影响,不利于系统的稳定运行。
为维持电力系统的安全稳定运行和保证风电并网安全,对风电场提出低电压穿越的要求是必要的。低电压穿越要求是电力系统功率平衡与频率稳定的需要,也是局部电网电压稳定及电压恢复的需要。
风机低电压穿越的实现技术
风电场低电压穿越能力的最终实现还是基于风电机组低电压穿越能力的实现,因此风电机组具有低电压穿越能力尤为重要。
电网电压跌落对并网风电机组有着较大的影响。暂态过程导致发电机中出现的过电流会损坏电力电子器件,附加的转矩、应力过大则会损坏风电机组的机械部件。对于双馈式变速风电机组,在电网发生故障导致机端电压跌落时,发电机定子电流增加,快速增加的定子电流会导致转子电流急剧上升,另外由于发生故障时风轮吸收的风能不会明显减少,而风电机组由于机端电压降低,不能正常向电网输送有功功率,即有一部分能量无法输入电网,这些不平衡能量将导致风电机组出现直流环节电容充电、直流电压快速上升、风电机组加速等一系列问题。
要实现风电机组的低电压穿越,其关 键是风电机组变流器保护和主控及桨距角控制的配合。实现双馈式变速风电机组低电压穿越能力的常用技术有两种:一是在机组转子与变流器之间增加一个旁路电路,故障时投入旁路电路将转子侧变流器短路,保证变流器避开过电流的冲击,从而起到保护作用;二是在两个变流器之间的直流环节加入能量泄放模块,当检测到直流电压过高则触发该模块以泄放多余的不平衡能量。
风电机组的低电压穿越能力可以通过使用电压跌落发生装置对风电机组进行低电压穿越测试来证明。不同风况对应了不同能量水平下的风电机组低电压穿越特性,因此需要分别进行测试,这使得风电机组低电压穿越测试的周期较长,一般需要2个月左右。等待各种合适风况所耗费的时间,占据了测试的大部分。其次,风电机组厂商需要进行前期摸底试验和低电压穿越控制策略的改进调整,也占用了较多时间。
风电场低电压穿越能力的验证
通过在电网进行实际短路的大扰动实验仅能够证明风电场不具备低电压穿越能力,但无法确定风电场具备标准要求的低电压穿越能力,且实验产生的冲击对系统影响较大,会威胁到系统运行的安全稳定性及其他设备的运行寿命,因此不宜采用大扰动实验的方式验证风电场低电压穿越能力。
目前世界上几乎所有国家风电并网标准中对风电场的一些技术要求指标,都是通过系统仿真来验证的,乃至后续大规模风电接入电网运行特性及其并网运行的安全性与稳定性情况,在很大程度上都需要在风力发电建模的基础上,通过必要的系统仿真手段及程序获得验证。
由于风电场内各风电机组通过长度不等的馈电线路接入升压站,风电场并网点处的电压跌落在每台风电机组端口引起的电压跌落各不相同,因此无法将一台风电机组容量线性扩大等效为整个风电场。需考虑风电场内部集电线路的结构,并按照风电场实际结构建立包括全部风电机组模型的风电场模型,以准确模拟每台风电机组的暂态特性。对于风电机组数量较多的风电场,受仿真计算量的限制,需在准确反映风电场特性的同时进行模型简化处理。
因此,对于风电场低电压穿越能力的验证,需利用经风电机组测试数据校验过的风电机组模型建立准确的风电场模型,采用仿真计算的方法进行。
(作者分别系电力规划设计总院副总工、中国电科院新能源研究所总工、南方电网科学研究院研究室副主任)
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