考虑抑制DFIG机群脱网的风电场无功补偿配置新方法

马瑞，王柯懿，吴刚

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙市 410076；2.湖南省交通规划勘察设计院，长沙市 410008；3.国家电网吉林省电力有限公司，长春市 130021)



考虑抑制DFIG机群脱网的风电场无功补偿配置新方法

马瑞1，王柯懿2，吴刚3

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙市 410076；2.湖南省交通规划勘察设计院，长沙市 410008；3.国家电网吉林省电力有限公司，长春市 130021)

随着大规模风电并网，电网故障情况下风电机群连锁脱网事故严重威胁电网安全稳定运行。为此，从抑制DFIG机群脱网的角度，提出了一种考虑抑制双馈异步风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)机群脱网的风电场无功补偿配置新方法。该方法首先以风电场为中心进行无功平衡初步分析，通过无功需求和有功传输之间的定量关系，确定风电场所需要配置的低压电抗器组和低压电容器组容量。然后通过不同负荷方式下风电出力波动和线路N-1运行时的风电场母线电压无功分析，校核初步配置方案对系统静态安全的适应能力。最后，在分析电网故障情况下DFIG机群无功需求特征基础上，通过加入一定容量的静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)来抑制机群脱网，从而使无功补偿方案能满足系统安全运行的要求。该方法已应用到了某省网大容量风电接入220 kV的无功配置专题研究中，在经济和技术上是可行的和有效的。

无功补偿; 风电场; 电网故障; 电容器组;STATCOM

0 引 言

目前，风电场无功补偿的配置一般根据风电场设计标准来进行粗略地估算，极少考虑到无功需求和有功传输之间的定量关系[1]，而对电网故障情况下配置方案是否能够满足系统安全稳定运行的要求，一般未充分考虑。电网故障情况下，风电机组向系统吸收大量无功[2]，若此时的无功配置无法满足系统需求，最终可能导致风场机组因电压瞬时跌落而群体脱网，从而威胁整个系统的安全稳定运行，因此，亟需对电网故障情况下风电场的无功补偿配置是否满足运行要求进行研究。

双馈异步风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)以其调速范围广和有功功率和无功功率控制解耦等优势成为主流风电机。通过对DFIG机组连锁脱网事故[3-5]的典型过程分析发现，在因DFIG撬棒保护动作导致的异常脱网事故中，机组脱网前存在短时鼠笼异步运行状态而向系统吸收大量无功，导致局部电压降低，进而引起相邻机组低电压保护动作停机，该过程可能呈雪崩式发展，即使停机前电网电压可能处于较高水平，最终仍会导致全场所有机组因电压瞬时跌落而脱网。这就要求风力发电系统具有较强的低电压穿越能力[6-11]，同时也应充分考虑抑制机群脱网的动态无功支持。

学者对风电场的无功补偿配置进行了相关研究[12-15]。如应用并联电容器组加静止无功补偿器(static var compensator，SVC)对风电场进行联合无功补偿策略[12]、在风电场不同类型的无功需求基础上制定了风电场的静态和动态无功补偿的容量配置和优化配合运行方法[13]、利用鼠笼机与双馈风机的容量比和临界容量的关系来确定无功补偿装置的容量[14]，研究了机会约束规划的无功补偿度模型[15]，但从抑制风电机群脱网角度对风电场无功补偿配置进行研究的尚未见报道，且风机的不脱网运行研究方面则多为电气量控制策略[16-19]。

针对抑制DFIG机群脱网风电场无功配置问题，本文首先通过有功传输和无功需求之间的对应关系计算出初步的低压无功补偿装置容量。其次，在不同负荷方式下，通过考虑风电出力波动的风电场N-1校核来验证初步配置方案适应风电场不同运行方式和静态安全的能力。最后，在电网故障情况下观察风电场的无功缺额变化情况，在已有的无功补偿装置基础上加入一定容量的静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)来抑制机群脱网。从而提出一种考虑抑制机群脱网的风电场无功补偿配置新方法。

1 考虑抑制DFIG机群脱网的风电场无功补偿配置方法

1.1 风电场无功补偿容量初步分析

在设计阶段，有功潮流比较确定，而无功潮流的不确定性却相对较大，为了简化计算，假设线路和变压器的容性无功损耗均为流经元件有功潮流的平方乘以元件电抗(均为标幺值)，隐含元件的功率因数为1。

根据上述假设，无功需求在工程上可采用下述公式近似，即

(1)

(2)

因此，在相应的潮流方式下，通过计算无功平衡可得需补偿的容性无功为

Qr=(Qdemand.out+Qdemand.t)-Qc,t

(3)

感性无功需求在工程上可采用下述公式近似，即

(4)

风电场主要的感性无功补偿是低压电抗补偿，但补偿容量受主变压器容量限制。因此，在相应的潮流方式下，通过计算无功平衡可得需要补偿的感性无功为

Qg=Qdemand.out-Ql,t

(5)

式中Ql,t为风电场已装设感性无功补偿。

1.2 不同负荷方式下考虑风电出力波动的风电场无功补偿N-1校核

风电场无功补偿N-1校核是为了检验初步配置方案对风电场不同运行方式下静态安全的适应能力。对不同负荷方式下(最大负荷和最小负荷方式)网内主要线路进行N-1运行，同时从0到90%的比例逐步改变风电出力，观察风电场无功电压的变化情况，判断所配置的低压无功补偿装置是否能满足系统静态安全运行；若不能满足，应该重新考虑补偿方案，在N-1状态下再次进行有功潮流计算，得到N-1状态下相应的风电场感性、容性无功需求，适当调整低压无功补偿装置的容量。

1.3 电网故障情况下考虑抑制机群脱网的风电场无功分析

1.3.1 对称故障下的DFIG无功分析

在以同步角速度w1旋转的dq坐标系中DFIG磁链方程为

(6)

式中：ψs、ψr分别为定、转子磁链矢量；Is、Ir分别为定、转子绕组中电流矢量[20]；Ls和Lr分别是定子和转子的总的自感系数。

电压方程为

(7)

式中：Us、Ur分别为定、转子端电压矢量；w1是同步转速；wr是转子角速度；Rr和Rs分别是定子和转子电阻。

若不考虑因磁场变化引起而向电网输出的无功，则DFIG从电网吸收的无功功率为

(8)

1.3.2 不对称故障下的DFIG无功分析

定义正转同步速旋转dq+坐标系以w1逆时针旋转。则正转同步速旋转坐标系中分别由正、负序分量表示的DFIG定转子电压、磁链方程及DFIG从电网吸收的无功功率为

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：上标的“+”表示正转同步速旋转坐标系，下标的“dq+、dq-”分别表示正、反转同步旋转坐标系[21]。

DFIG定子从电网吸收无功功率为

(14)

上述针对电网故障时DFIG产生的瞬时无功缺额易导致机端电压持续下降，进而造成连锁脱网事故的发生。因此，在连续无功补偿适应系统稳态和静态安全基础上，通过对风电场低压母线设置不同类型的短路故障，确定是否加入相应容量动态无功补偿装置STATCOM来改善补偿效果，从而抑制DFIG机群脱网。

1.3.3 STATCOM对机群脱网的抑制作用

STATCOM作为动态无功补偿设备，可实现对无功的快速补偿和对电压的平滑调整。图1为STATCOM工作原理的等效电路图。

图1 STATCOM工作原理的等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of STATCOM working principle

经计算，STATCOM可以提供的无功为

(15)

由此可以看出，使用STATCOM来快速补充风机发生故障时的无功缺额并且平滑地调整电压，可以有效抑制机端电压持续下降导致的连锁脱网。

2 考虑抑制DFIG机群脱网的风电场无功补偿配置步骤

(1)计算风电场的出线以及风电场主变压器的有功潮流。

(2)根据有功潮流和无功潮流的定量关系计算感性、容性无功需求。

(3)根据无功初步分析配置一定容量的低压电容器组和低压电抗器组。

(4)在不同负荷方式下，改变风电出力，对风电场主要线路进行N-1运行，观察风电场无功电压。

(5)判断已配置的低压无功补偿装置是否可以满足N-1运行时的静态安全运行要求，若不能满足，计算N-1状态下的风电场出线以及风电场主变压器的有功潮流，再进行步骤(2)。

(6)对风电场内的低压母线进行短路故障设置，观察系统无功缺额的变化，在不满足机组无功缺额时配置一定容量的STATCOM。

3 工程实例分析

EQ地区的A风电基地的主导风向与主风能方向一致，年有效风速利用小时数达8 000 h，风能资源较为丰富，具备开发百万千瓦级风电基地的条件。A风电基地建有8座风电场(BQH、JH1、JH2、YHT1、TPZ、YHT2、WLJ、XJJ)。从地理位置上来看，BQH、JH1、JH2、WLJ、XJJ风电场位于A地区北部；YHT1、YHT2、TPZ风电场位于A地区西北部。图2为A风电基地地理接线图。

图2 A风电基地地理接线图Fig.2 Geographical connection diagram of A wind power base

3.1 风电场无功补偿容量的初步分析

A—BQH线路长为18 km；A—JH1线路长为22 km；A—JH2线路长为31 km；A—WLJ线路长为68 km；A—XJJ线路长为30 km；A—YHT1线路长为35 km；A—YHT2线路长为27 km；A—TPZ线路长为34 km，线路导线型号都为LGJ-400。利用电力系统仿真软件BPA，对风电场无功补偿容量进行初步分析后可得各风电场无功补偿容量，如表1所示。

表1 接入A风电汇集站各风电场低压无功补偿配置容量

Table 1 Low-voltage reactive power compensation configuration capacity of each wind farm connected to A wind power base

3.2 不同负荷方式下考虑风电出力波动的风电场无功补偿N-1校核

以JH1风电场为例进行说明，该风电场的感性、容性无功补偿容量按表1进行配置。A—JH1线路受风电场出力影响比较大，对A—JH1线路进行N-1校核，未发现该线路出现过载情况，相关母线的电压水平稍受影响，但未越限，已有的无功补偿设备能够满足系统静态安全运行的要求。

以YHT1风电场为例进行说明，该风电场的感性、容性无功补偿容量按表1进行配置。A—YHT1线路受风电场出力影响比较大，对A—YHT1线路进行N-1校核，发现线路过载，无功缺额较大，初步分析时所得出的低压无功补偿装置容量无法满足无功需求。在此情况下，对N-1状态下的有功潮流重新进行计算，得到N-1状态下相应的无功缺额，调整低压无功补偿装置的容量，调整后的结果如表2所示。

表2 YHT1风电场低压无功补偿配置容量

Table 2 Low-voltage reactive power compensation configuration capacity of YHT1 wind farm

3.3 抑制机群脱网的风电场无功分析

在电力系统仿真软件BPA中，模拟JH1风电场风电大发时期某风机低压母线发生单相接地短路和三相短路。观察在35 kV处是否装设STATCOM的有功、无功、电压情况,仿真结果如图3、4所示。

图3 发生单相接地短路故障， B35 kV总线的 有功、无功及电压情况Fig.3 Active power, reactive power and voltage of B35 kV Bus under single-phase grounding fault

图4 发生三相短路，B35 kV总线的有功、无功及电压情况Fig.4 Active power, reactive power and voltage of B35 kV Bus under three-phase ground short-circuit fault

由图3、4可知：不同短路故障情况下，在风电场已经装设了一定容量的低压无功补偿装置的基础上，STATCOM可以迅速补充风机发生故障时的无功缺额以及平滑调整电压，有效抑制了极端电压持续下降导致的连锁脱网。

由于STATCOM无功补偿装置的造价较高，从满足系统稳定和节省投资的角度考虑，建议风电场采用STATCOM、电容器组及电抗器组联合控制的方式进行无功补偿。其中，STATCOM的配置容量为实现电压平滑控制的最低容量。JH1风电场考虑DFIG机群不脱网的风电场动态无功补偿配置方案如表3所示。

表3 JH1风电场补偿配置方案

Table 3 Reactive power compensation schemes of JH1 wind farm

4 结 论

本文提出了一种考虑抑制DFIG机群脱网的风电场无功补偿配置新方法。该方法已应用到了某省网220 kV风电场无功配置专题研究中，并验证了其的有效性。工程实践表明，该方法不仅能满足风电场不同情况下的无功需求，还能有效抑制DFIG机群脱网事故的发生。值得指出的是：风电机组在电网故障时产生的瞬时无功缺额容易导致机端电压持续下降，加入一定容量的STATCOM可有效抑制连锁脱网事故的发生。

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(编辑：蒋毅恒)

A Novel Reactive Power Compensation Configuration of Wind Farms on Inhibiting DFIG Fleet Off-Grid

MA Rui1, WANG Keyi2, WU Gang3

(1. School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology,Changsha 410076, China; 2.Hunan Communications Planning Survey and Design Institute, Changsha 410008, China；3. State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130021, China)

Along with the increasing scale of wind power, the electric grid stability and safety problems in wind farms have become increasingly prominent due to the DFIG (doubly-fed induction generator) fleet off-grid under grid failure conditions. In order to inhibit DFIG fleet off-grid, this paper presented a wind farm reactive power compensation configuration method with considering the inhibition of DFIG. Firstly, the wind farms were taken as the center to analyze the reactive power balance. Using the quantitative relationship between reactive power demand and active transport, this paper calculated the needed capacity of low-voltage reactor bank and low-voltage capacitor bank in wind farm. Secondly, through the reactive analysis on the fluctuation of wind power output under different load modes and the bus voltage of wind farm duringN-1 line running, this paper checked the adaptability of initial configuration scheme to the system’s static security. Finally, based on the analysis on the reactive power demand characteristics of DFIG fleet under grid failure condition, this paper added a STATCOM (static synchronous compensator) with certain capacity to inhibit the fleet off-grid, which could make the reactive power compensation scheme meet the safe operation requirements of the system. The proposed method has been used to configure the reactive power compensation in 220 kV wind farm with large capacity in a province, which can prove its feasibility and effectiveness in economy and technology.

reactive power compensation; wind farm; power grid fault; capacitor bank; STATCOM

国家自然科学基金项目(51277015)。

TM 614

A

1000-7229(2015)05-0014-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.003

2015-02-15

2015-03-11

马瑞(1971)，男，博士，教授，通信作者，主要研究方向为新能源接入电力系统安全分析、低碳电力、电力大数据；

王柯懿(1989)，女，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析与控制；

吴刚(1976)，男，硕士，高级工程师，从事电网调度运行及电网规划工作。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51277015).