1、風電大規(guī)模脫網(wǎng)問題不容忽視

　　隨著9個千萬千瓦風電基地的建設(shè), 中國在2013年就已經(jīng)成為世界上風電裝機容量最大的國家, 預計到2015年和2020年, 中國風電裝機容量將分別達到100 GW和200 GW。然而, 在風電并網(wǎng)容量快速增加的同時, 由風電并網(wǎng)所帶來的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題也日益突出。據(jù)不完全統(tǒng)計, 僅2011年就發(fā)生了193起風電機組脫網(wǎng)事故, 其中損失風電出力500 MW以上的脫網(wǎng)事故就達12起。

　　縱觀這些大規(guī)模風電脫網(wǎng)事故, 均存在因電網(wǎng)電壓超過了風電機組的最低或者最高工作電壓導致機組脫網(wǎng)的現(xiàn)象。分析可知, 故障期間風電場內(nèi)部匯集系統(tǒng)保護設(shè)備不能快速切除故障、風電機組不具備低電壓穿越能力是造成機組低電壓脫網(wǎng)的主要原因; 風電場無功補償裝置的響應滯后將導致故障清除后機端電壓升高, 此外具備低電壓穿越能力的風電機組有可能進一步誘發(fā)機端電壓驟升。

　　以現(xiàn)階段并網(wǎng)風電機組的主流機型雙饋風電機組(DFIG)為例, 由于定子側(cè)繞組與電網(wǎng)直接相連且轉(zhuǎn)子側(cè)變流器容量有限, 電壓驟升對機組的影響更為嚴重。機端電壓升高將導致轉(zhuǎn)子繞組感應出高電壓, 當轉(zhuǎn)子電壓超過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制范圍時將造成風電機組運行不受控, 甚至引起變流器內(nèi)部器件擊穿。因此, 機端電壓驟升將嚴重影響風電機組的運行安全。

　　2、風電機組機端電壓驟升的原因

　　通過分析現(xiàn)階段已發(fā)生的高電壓脫網(wǎng)事故, 造成故障清除后系統(tǒng)電壓驟升的主要原因可以歸結(jié)為以下2個方面。

　　1) 電網(wǎng)電壓恢復后, 風電場無功補償裝置受到鎖相、電壓判斷以及執(zhí)行機構(gòu)動作時間等因素的影響導致控制響應時間過長、未及時動作, 造成系統(tǒng)無功功率過剩;

　　2) 具備低電壓穿越能力的風電機組受到無功電流注入比例系數(shù)以及控制策略響應時間的影響, 有可能造成電網(wǎng)電壓恢復瞬間機端電壓驟升。

　　圖1為某型號2.5 MW DFIG低電壓穿越現(xiàn)場測試試驗結(jié)果。電網(wǎng)電壓變化后該機組動態(tài)無功控制的響應時間約為30～40 ms。此外, 受現(xiàn)行并網(wǎng)標準的影響, 該型號機組在機端電壓低于0.2 pu時不進行無功注入即k=0, 故圖 1(a)所示工況下電網(wǎng)電壓恢復瞬間機端電壓未發(fā)生過沖。

 

　　3、風電高電壓穿越協(xié)調(diào)預防控制策略

　　由于風電高電壓脫網(wǎng)問題的成因復雜, 涉及多方面, 需采用協(xié)調(diào)預防控制策略, 以降低此類事故發(fā)生的風險。事故主要影響因素以及相關(guān)解決方案如圖2所示。

　　3.1風電機組控制策略

　　合理的故障穿越策略是機組實現(xiàn)低電壓穿越以及高電壓穿越的關(guān)鍵因素, 但過大的無功電流注入比例系數(shù)或控制響應時間都有可能造成恢復階段電網(wǎng)電壓的驟升。

　　電網(wǎng)電壓異常時, 具有動態(tài)無功控制能力的風電機組需根據(jù)電壓的情況在一定程度上參與系統(tǒng)無功控制, 根據(jù)機端電壓變化輸出容性無功或者感性無功并且嚴格限定無功電流注入比例系數(shù)的范圍。

　　針對于不同類型的無功補償設(shè)備, 分別從以下幾個方面對控制策略進行改造。

　　1) 固定容量電容器組需根據(jù)電網(wǎng)電壓變化及場內(nèi)機組脫網(wǎng)情況實現(xiàn)快速切除;

　　2) 靜止無功補償器(SVC)、靜止無功發(fā)生器(SVG)采用恒電壓控制策略。SVC在限定響應時間以及單次投切電容器容量的同時根據(jù)并網(wǎng)點電壓以及場內(nèi)機組脫網(wǎng)情況實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)及退出。校核SVG無功輸出能力, 增加容性無功輸出, 并提高動態(tài)響應速度。

　　3.3風電機組高電壓穿越技術(shù)要求

　　由于風電高電壓脫網(wǎng)成因復雜, 僅通過改變控制策略仍有可能無法避免此類事故的發(fā)生。因此, 主要風電發(fā)展國家的電力公司均已經(jīng)頒布了風電機組高電壓穿越的相關(guān)技術(shù)標準, 以增強機組高電壓情況下的運行能力, 降低此類事故發(fā)生的風險。中國在此方面尚未頒布相關(guān)技術(shù)標準。

　　4、結(jié)語

　　風電場無功補償裝置控制滯后, 具備低電壓穿越能力的風電機組控制響應滯后、采用過大的無功電流注入比例系數(shù), 以及機組高電壓運行能力的欠缺是造成現(xiàn)階段故障清除后系統(tǒng)無功過剩、大量機組脫網(wǎng)的主要原因。協(xié)調(diào)預防控制策略的主要思想是通過改進風電場不同類型無功補償裝置的控制策略, 限定具備低電壓穿越能力的風電機組無功電流注入比例系數(shù)、提高響應速度并且適時的參與系統(tǒng)無功控制, 以及增強機組的高電壓運行能力以此降低高電壓脫網(wǎng)事故發(fā)生的風險。