风电场低电压穿越能力对电网稳定性的影响分析

赵洲　高雅洁

一、绪论

随着我国可持续发展改革的不断深入，寻找新能源被提上了日程，在电力方面，风电能源成为了我国主要研究领域，通过近几年的发展，已经取得了很大的成就，在规模上也实现了突破，连续五年成倍增长。由于我国得天独厚的地理条件，到如今，我国的风电装机容量已经成为了世界第一。但由于风电的不稳定性导致风电时高时低，当风电较低时，风电场呈分散式接入电网中，控制较方便，一旦发生故障能及时停止运行，不会对电网稳定性带来较大影响；而当风电较高时，影响会越来越显著。为了使电网稳定性得到增强，就应提高风电开发技术，相关专家研究出了更为严密的风电并网技术，对风电场的能力要求也越来越高，例如低电压穿越能力（Low Voltage Ride-though简称LVRT）、输出稳定性、可控能力等。其中风电场低电压穿越能力是并网发电的基本能力，维持着并网发电的运行。

二、低电压穿越能力

低电压穿越能力是维持风电场在风电电压较低时能够并网运行的基本能力，即使电网出现故障，也能保持电力的输出，维持电网稳定，带故障排出后使电力输出功率在最短时间内达到正常水平。技术支持的情况下，风电场还可以具有无功支撑能力，为电网输出无功电流，加快电网恢复速度。风电场能够在电网电压低于20%时维持电网运行0.625秒，并且在此后3秒内网络电压低于正常水平90%的情况下维持并网运行。这就是其低电压穿越能力。

三、风电机组低电压穿越能力的实现

风电场类型的不同导致了实现低电压穿越能力的方法不同。目前，风电场主要有两种，异步电机为发电机的固定转速风电场和双馈变速风电场，在双馈变速风电场中，风电场电压为690伏特，经过变压器后，输出电压为110伏特或220伏特。

1.异步电机为发电机的固定转速风电场

（1）安装无功补偿器，使其在静态条件下对不同功率电网进行补偿输出；（2）安装同步补偿器，在静态条件下使风电场具备低电压穿越能力。

2.双馈变速风电场

（1）短路保护技术；（2）正确的控制方法；（3）加装新型拓扑结构，由于外界原因造成的电网电压急剧下降时，风电场能继续运转，利用其低电压穿越能力维持并网运行。

3.同步直驱式风电场

（1）减少风电场输出功率，保持电网的功率平衡；（2）加装保护电路。

四、电力系统模型分析

1.系统仿真模型

以我国某地区为例，如下图所示。

图中的每一个风电群都包含数量不等的风电场，这些风电厂内部都得到了定量的功率补偿。该模型的建立用到了我国电力研究院研发的软件，模型中用到了百分之四十的恒阻抗，百分之六十的感应电动机。在设计时，使该风电场输出功率为60%，设置的故障为站点4与电厂二之间电路（550k伏特）发生短路，在两种情况下进行研究，（1）所有风电场都具有低电压穿越能力；（2）所有风电场都没有低电压穿越能力。

2.故障分析

根据计算得出，当电路发生短路时，具有低电压穿越能力的风电场没有发生脱网；而没有低电压穿越能力的风电场则出现了变电站低电压的状况，部分风电场脱网，总量为570MW。

3.系统频率分析

对于没有低电压穿越能力的风电场，电网出现故障时会有部分机组停止运行，共计容量是570MW，而由于容量的缺损造成电网频率下降；而对于具有低电压穿越能力的风电场则不会出现机组停工的情况。此外，具有低电压穿越能力的风电场，电网出现故障10秒后频率即可恢复正常；而没有低电压穿越能力的风电场则恢复不到初始频率（会低0.02赫兹），这表明有低电压穿越能力的风电场能更好的维持电网稳定性。

4.常规机组特性

在该模型中，已知电厂三的初始功角为86.9度，当短路发生时，经过30秒恢复稳定，之后进行测量，具有低电压穿越能力的风电场功角为87.55度，相差0.65度；而没有低电压穿越能力的风电场功角为84.57度，相差﹣2.33度，由此看出，具有低電压穿越能力的风电场能够帮助电厂三尽快恢复至初始水平，而没有低电压穿越能力的风电场由于与初始值相差过大，已经形成了新的稳定状态。

五、结论

通过对该模型的计算分析，我们了解到了低电压穿越功能对电网中电网电压、输出频率和机组特性的影响，实验结果表明有低电压穿越能力的电网稳定性更强，风电场不仅能维持低电压下电网的运行，也有助于电网的恢复。正常运行时，具有低电压穿越能力的风电场起到的作用是积极的，并且会减轻电网故障造成的影响；而没有低电压穿越能力的风电场则很容易在电网发生故障时出现风机大规模脱网，造成功率缺失，影响电网正常带来不利影响。

（作者单位：1.国网新源张家口风光储示范电站有限公司；2.国网冀北张家口供电公司）