风电机组低电压穿越能力对电网的影响

郑宇明，郑惠萍，刘愈倬

（1.山西省电力公司电力经济技术研究院，山西 太原 030002；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

安全、清洁、经济、高效的能源供应是人类经济社会可持续发展的基本保证。发展风电等新能源是国家的重大战略决策，近年来，中国风电发展取得了令人瞩目的成就，“十一五”期间，中国风电开发规模实现重大突破，连续5 a实现翻番式增长，目前，中国风电累计装机容量已经位居世界第一[1]。当风电在电力系统中所占的比例较低时，风电场分散接入电网，被视作分布式电源，在系统故障时可立刻退出运行。因此，风电并网问题并不明显，不会对电网的运行造成重大影响，但风电在电力系统中所占的比例越来越大时，风电机组的自身特性将会对系统运行带来一定的影响。为维持电力系统的稳定运行，除要求提高风电机组自身的技术水平外，各国电网公司都相继对风电场/风电机组的并网提出了更严格的技术要求，包括低电压穿越LVRT（LowVoltage Ride-though）能力、无功控制能力以及输出功率控制能力等。风电机组低电压穿越能力是保证风电场在系统故障情况下不解列，能持续并网发电的必备特性。

1 低电压穿越能力

低电压维持能力是指风电场／风电机组在电压降低时能够维持并网运行的能力。按照相关并网准则的规定，风电厂应具备低电压穿越能力，在电网故障期间，保持规定时间不脱网，支持电网的稳定；故障清除后，在规定时间内有功功率快速恢复到故障前的水平。必要时，还应具备动态无功支撑能力，按照要求的响应速度，向电网提供所要求的无功电流，支持电网恢复。不同国家或机构对此的要求不尽相同，图1所示为国家电网公司于2009年12月发布的Q/GDW392—2009《风电场接入电网技术规定》中规定的风电机组/风电厂低电压穿越能力曲线。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；风电场并网点电压在发生跌落后3 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。

2 风电机组LVRT功能的实现

不同类型的风电机组可采取不同技术措施来实现其LVRT功能[2-3]。对于采用普通异步电机作为发电机的固定转速风电机组，一是通过安装一个静态无功补偿器来对各种功率等级无功进行实时补偿；二是通过采用静态同步补偿器调节电压，来实现风电机组的LVRT功能。双馈变速风电机组可以依靠三种方法来实现风电机组的LVRT功能：一是采用转子短路保护技术，二是采用合理的控制策略，三是引入新型拓扑结构，在外部系统故障引起风电机组端电压跌落时，风电场仍然维持运行，满足风电并网标准对于风电机组LVRT能力的要求。同步直驱式风力发电机目前实现风电机组的LVRT功能有两种：一是减小风力机输入的功率，使系统获得功率平衡；二是增加Crowbar的保护电路。现阶段风电上网电价是制约风力发电进一步发展的瓶颈，并网标准对风电机组LVRT能力的要求进一步增加了风电机组造价。

图1 风电机组/风电厂低电压穿越能力曲线

3 电力系统仿真分析

3.1 系统仿真模型

某区域电网中电网结构示意图，见图2。图中“风电群”是由一个或几个风电场组成，接入同一个点，各风电场内部均按照设计要求进行了一定容量的无功功率补偿。

图2 某区域电网电力系统仿真模型

目前，大型风力发电机组一般有两种类型，一种是采用异步发电机的固定转速风电机组，另一种是采用双馈电机或通过变频器并网的变速风电机组。考虑风电场并网运行时，风力发电机组按双馈风电机组考虑，运行中保持机端功率因数为1.0。风电机组机端电压690V，经两级升压后通过110kV或220 kV线路送出。

仿真采用中国电力科学研究院系统所电力系统软件完成，负荷模型采用40%恒阻抗，60%感应电动机模型。该地区风电场考虑在额定容量的60%出力方式运行，考虑站点4到电厂二一回500 kV线路发生三相短路故障，保护动作切出故障线路。本次研究考虑比较极端的两种情况，一是所有风电机组具有LVRT功能；二是所有机组不具有LVRT功能，即不能实现低电压穿越而跳机。

3.2 故障分析

经计算，500 kV线路跳闸故障发生后，当风电机组具有LVRT功能，则风电机组没有脱网现象出现；如风电机组不具备LVRT功能，由于动态过程中部分变电站母线电压偏低，无低电压穿越能力风电机组的低压保护动作，出现部分风电场群体脱网现象，脱网容量共计为570 MW。

3.3 区域电网电压分析

短路故障后，该地区220 kV站点2、站点3电压数据结果见表1。由表1的数据可以看出，站点2的电压跌幅较站点3要大（0 s和0.2 s值之差），站点2离脱网风电群距离较近，站点3离脱网风电群相对较远，说明离脱网风电群电气距离越近的站点跌幅越大；从表1中0.2 s值可以看出，站点2、站点3的电压值，有LVRT功能的标幺值为0.505、0.573，无LVRT功能的标幺值为0.497、0.566，明显前者电压跌幅小于后者。从站点2的电压曲线图的稳态值及站点2、站点3的0 s值和10 s后值比较看出，故障后，有LVRT功能的站点电压经过一段时间后恢复到故障前的状态，而无LVRT功能的站点电压略高于故障前的电压，说明有LVRT功能更有利于电网电压的恢复。无LVRT功能比有LVRT功能的站点电压略高，这主要是因为风电场在正常运行时需要从电网吸收一定的无功功率，风电场根据需要适当进行无功容量补偿，当风电机组大量脱网后，一方面风电场从电网吸收无功减少，另一方面无功补偿容量依然挂网运行，因此，故障后电网站点电压要偏高于故障前的电压水平。

表1 区域电网站点2和站点3电压值

3.4 系统频率分析

当风电机组没有LVRT功能时，系统发生低电压故障部分风电机组退出运行，电网共计切除风电机组容量为570 MW，切除的容量造成功率缺额，使系统频率降低；而有低电压穿越能力的风电机组在电网故障动态过程中无机组切除。通过仿真分析，风电机组具有LVRT功能时，系统发生故障后，在10 s后系统频率恢复到初始状态；而风电机组不具有LVRT功能时，在10 s后系统频率较初始状态仍低0.02 Hz，说明在系统频率恢复方面，有LVRT功能要明显优于无LVRT功能。

3.5 常规机组特性

图2中，电厂三功角曲线初始功角86.9°，500 kV线路跳闸故障发生后，30 s达到稳态时，风电机组具有LVRT功能，电厂三相对功角为87.55°与初始角的偏差为0.65°，风电机组无LVRT功能，电厂三相对功角为84.57°与初始角的偏差为－2.33°，有LVRT功能更有助于常规机组恢复至原有水平，而无LVRT功能使常规机组偏离原水平较大，达到了新的稳定状态。

4 结论

通过系统仿真计算，从电网电压、频率及常规机组特性三方面分析了在大规模风电系统中，风电机组LVRT功能对电网的影响，通过仿真结果的比较，证明风电机组具有LVRT功能的电网运行状态要优于风电机组无LVRT功能的电网，风电机组的LVRT功能不仅对处于低电压故障时的机组起到保护作用，而且对电网故障后恢复正常运行也有积极的作用。

电网在正常状态下，风电机组具有LVRT功能能够对系统起到积极的作用，不会进一步加重系统故障的影响；风电机组无LVRT功能，风电机组抗干扰能力较差极易脱网，脱网造成了有功缺额，当达到一定数量级时，可对电网的频率构成冲击，将给电网带来运行风险。

［1］ 国网能源研究院，维斯塔斯风力技术（中国）有限公司.风电与电网协调发展综合解决策略［M］.北京：中国电力出版社，2011：38-40.

［2］ 张兴，张龙云，杨淑英，等.风力发电低电压穿越技术综述［J］.电力系统及其自动化，2008，20（2）：22-26.

［3］ 关宏亮，赵海翔，迟永宁，等.电力系统对并网风电机组承受低电压能力的要求［J］.电网技术，2007，31（7）：78-82.