风电场的主接线、并网和运行方式分析

袁静蔚

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

南汇地区地处上海东郊沿海，年平均风速高，风能密度大，气候温和无严寒酷暑，湿度适中，滩涂资源十分丰富，为风力发电提供了廉价和广阔的用地。该地区地势平坦，对外交通方便，便于建设和安装单机容量较大的风电机组，同时也降低了风电场的的运输和安装成本。上海电网容量大而且技术先进，有利于风电的吸收和利用，非常适合建设大型风电场［1］。

1 风电场的主接线方式

南汇风电场的电压等级为35kV，原方案的风电场主接线采用2个主变，在3个风电场中可靠性和灵活性最高，但是送电损失较大，为此对南汇风电场的接线方式进行了调整，改用“一用一备”方式运行。改造后虽然降低了输电损失，但是牺牲了风电场运行的可靠性和灵活性。临港新城风电场的电压等级为35kV，风电场的主接线只能通过一路出线与大电网相连，在3个风电场中最薄弱。东海大桥风电场的电压等级为110kV，运行方式完全发挥主接线的优点，但是采用了线路变压器组接线，当风电场某一出线回路检修时，只能通过单主变、单出线与大电网相连，限制了风电场运行的灵活性。

1.1 南汇风电场

南汇风电场于2005年1月投运，目前共有11台风电机组，单机额定功率为1.5MW，总容量为16.5MW，采用三相变速恒频双馈异步发电机（DFIG）。送电线路参见图1。

11台风电机组被分为风机一线到风机四线，共4组。1—3号风电机组为第1组；4，5，8号风电机组为第2组；6，7，11号风电机组为第3组；9，10号风电机组为第4组。风电机组的输出分为两组，分别与站用变并联，通过公用10kV母线接入主变（20MVA），升压到35kV后由两路35kV母线通过治风3992和治风3993线路与大电网相连。35kV母线之间和10kV母线之间都通过分段开关连接，但前者不设“自切”装置，后者设“自切”装置，正常运行时处在“自切”状态。10kV母线和35kV母线都采用单母分段接线方式，治风3992和治风3993为架空线—电缆混合线路。

图1 南汇风电场送电线路

2005年6月对送电线路的运行方式进行了调整。调整工作把1号主变和线路治风3993改成热备用状态，由2号主变承担风电场输出电力的全部升压工作。一旦2号主变发生故障或者需要停运检修，通过切换让1号主变迅速投入运行。由于单台主变容量为20MVA，整个风电场总发电容量仅为16.5MW，因此由单台主变带全站容量是可行的，而且可以提高主变的负荷率，运行在最佳工况。不过在此运行方式下，如果2号主变发生故障，风电场风电机组就会全部解列，必须让热备用状态的1号主变转入运行后，风电机组才能重新并列上网，也就是说运行方式调整后，系统的可靠性会受到影响。不过，南汇风电场的主变故障率很低，风电场投运6年多，仅发生1次主变故障，因此风电场因主变故障而解列的风险不大。

1.2 临港新城风电场

临港新城风电场建于2010年9月，站内共有6台采用三相变速双馈异步发电机的风电机组，总容量为13.7MW。其中1号和2号单机额定功率为1.25MW；3号和6号单机额定功率为3.6MW；4号和5号单机额定功率为2MW。

临港新城风电场的输电线路结构比较简单，6台风电机组分为两组，输出电力经过主变升压后，通过架空线—电缆接入电网。但是这种接线方式一旦开关和母线发生故障或者需要检修，整个风电场只能停运，所以可靠性和灵活性较低。至2011年3月，因计划检修停役1次。

1.3 东海大桥风电场

东海大桥风电场于2009年7月投运，站内共有34台三相变速双馈异步发电机组，单机额定功率为3MW，总容量为102MW。东海大桥风电场的送电线路参见图2。

图2 东海大桥风电场的送电线路

34台风电机组被分为风机一线到风机四线，共4组：风机一线、风机二线与1号站用变并联，通过35kV一段母线接入1号主变，经过主变升压到110kV，再通过洋电1567线路并网；风机三线、风机四线与2号站用变并联，通过35kV二段母线接入2号主变，经过主变升压到110kV，再通过洋电1571线路并网。其中洋电1567和洋电1571均为纯电缆线路。单台主变的容量为120MVA，并设有载调压开关。35kV一段与二段母线通过分段开关连接，35kV分段开关正常运行时为热备用，投入“自切”装置。1号和2号主变均设有载调压装置，正常运行时投入“自动”。当110kV一个回路停役时，单主变带全站容量是可行的。

在设计初期，考虑到单主变能带全站容量，综合其他因素，节约投资，采用了线路变压器组接线方式。不过这种方式虽然接线简单、设备少、投资省，但是由于线路和变压器被“绑定”运行，在线路检修时变压器必须停运，反之变压器检修时要停运线路。当单主变单线路带全站负荷时，只要线路、主变、主变对应的35kV母线有一个故障，就会导致风电场全面停运，因此可靠性和灵活性较差。

2 并网的低压侧运行方式

随着风电机组单机容量的增大，风电机组在并网时对电网的冲击也增加，这种冲击不仅可能造成电力系统稳定性的大幅度下降，还可能造成发电机和机械部件（塔架、桨叶、增速器等）的损坏。如果并网冲击时间持续过长，还可能使系统瓦解或威胁其他挂网机组的正常运行。因此，采用合理的并网技术是一个不容忽视的问题。

南汇地区3个风电场均使用双馈异步感应风电机组，风电机组并网和解列都通过变频器控制单元，实时自动监控风电机组温度、电压、电流、功率及电网参数等。如果电压和频率超过或低于事先设定的极限值，风电机组变频器保护动作，断开电网连接。反之，当风电机组达到并网的条件，即会自动合上风电机组开关，同期并网。在风电场正常停役、复役操作、事故处理等情况下，都会涉及到风电机组的切出、投入问题。

2.1 自切投入

采用35kV南汇风电场初期采用的低压侧运行方式或110kV东海大桥风电场低压侧运行方式，当某一段低压母线因出线或者主变永久性故障失电后，经过一定延时后低压分段都会采取自切保护动作，合上分段开关，跳开失电母线电源开关。但是，由于低压母线曾失电，风电机组已经解列（自切动作时间远大于风电机组低电压跳闸时间），分段合上后只是对失电母线恢复供电。

根据风电场现场运行规程，当电网发生系统故障造成断电或线路开关跳闸时，运行人员应检查线路断电或跳闸原因（若逢夜间应首先恢复主控室用电），必须待系统恢复正常才能重新启动机组并通过计算机并网。因此，风电场的运行一般不会在失电母线恢复供电后立即通过IGBT控制让风电机组自动并网，而是由现场运行人员手动启动风电机组并网，实践中目前风电场的低压侧的自切功能并没有发挥很大的作用。

2.2 并列和解列

对于南汇风电场初期运行方式和东海大桥风电场运行方式来说，当风电场某台主变或者某回高压侧出线需要检修时，都需要在风电场低压侧进行并列或者解列操作（简称并解列操作），由于低压侧两段母线电压、频率等值均不尽相同，无法满足风电机组同期并网条件，会使正常的并解列操作步骤变得很复杂。其中“分段改运行”操作是把某台（1号或者2号）主变的低压侧开关改为热备用，要求风电机组必须先行解列，同时停用自切装置，然后合低压侧分段开关。拉开该主变低压侧开关，才能让风电机组再行并网。“分段改热备用”操作是把某台主变的低压侧开关改为运行，要求风电机组必须先行解列，然后合上该主变的低压侧开关，同时拉开低压侧分段开关，最后投入自切装置，才能让风电机组再行并网。由于风电机组并网要求，目前的操作方式必须在风电机组停役后进行并解列，并在并解列结束后重新投入风电机组，增加了很多操作步骤，不利于风电场运行方式的快速调整。

从运行角度而言，如果能在分段开关、主变低压侧开关上装设同期装置，那在风电场低压侧单母分段并解列操作时，就不会引起风电机组解列，可以有效简化操作步骤。

3 风电机组的低电压穿越

变速恒频双馈异步发电机（DFIG）在结构上不能分离与电网之间的联系，导致机组对电网故障非常敏感，而且在故障情况下小功率变频器对DFIG的控制能力也受到限制。随着DFIG风电机组在电力系统中所占容量的快速提高，发电机与局部电网之间的相互影响也越来越大，必须将风力发电机与电网作为一个整体来实施运行控制。为此，电力公司及电网运营商纷纷提出了风力发电设备的并网规范，并且从维持电力系统稳定的角度出发，要求风电机组在电网电压跌落时能够保持不脱网运行，即要求DFIG风电机组具备低电压穿越（LVRT）能力。

南汇地区3个风电场均采用DFIG，由于结构上的局限，对电网故障非常敏感，而且变频器的控制能力也有限。35kV南汇风电场投运近7年，因主变和35kV出线故障导致解列只有2次，但因电网电压波动造成风电机组解列事故多达数十次。35kV临港新城风电场由于投运时间尚短，至今还没发生因低电压穿越造成的风电机组解列事故。110kV东海大桥风电场由于所处电压等级较高，系统稳定性要比35kV系统可靠，尚未发生低电压穿越故障。

4 结语

分析南汇地区3个风电场的运行方式，可以得出以下结论。

1）35kV南汇风电场于2005年投运，为了减低线损而改变运行方式，由单主变带全站负荷，降低了风电场的运行可靠性和灵活性；110kV东海大桥风电场和35kV临港风电场投运时间不长，虽然主接线可靠性和灵活性欠佳，但由于风电技术的发展和成熟，低电压穿越等风电场常见故障尚未发生。

2）由于异步风电机组并网的要求，南汇风电场和东海大桥风电场低压侧单母分段运行方式，无论在正常或者事故情况下进行并解列操作都需要先行解列某段母线上的所有风电机组，增加了操作时间。设想在主变低压开关和分段开关上装设同期装置，以达到风电机组不解列而进行主变低压侧并解列操作，但其可行性尚待风电场二期改造时同步试验。

3）风力发电机从电网吸收无功，相当于电网的一个无功负荷，而无功功率是影响电网电压的主要因素。南汇地区3个风电场虽然属于兆瓦级甚至是百兆瓦级的中大型风电场，但与南汇电网而言风电场的容量很小，因此即便当风力发电机的机端电压下降导致风电机组需要从电网中吸收更多的无功，对整个电网影响也不会很大，反倒是风电场受电网故障影响较大，风电机组因低电压穿越问题已经造成风电机组多次解列。对于变速恒频双馈异步发电机虽然有多种控制低电压穿越的方法，但都有一定局限性。

目前，35kV南汇风电场正在对治风3993回路进行柔性直流输电技术改造，以后风电场通过一回柔性直流输电线路，一回交流线路，同时与系统并列运行，可为风电场并网、孤岛供电、交直流电网并列运行提供技术支撑和运行经验。

［1］法德超、池钊伟，上海地区开发风力发电的必要性和南汇风力发电示范场场址选择［J］，风力发电，2007（03）：25－28.