基于短路试验的风电场低电压穿越能力验证方法研究

戈阳阳，蔡志远，马少华，董鹤楠

(1.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110023；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

基于短路试验的风电场低电压穿越能力验证方法研究

戈阳阳1,2，蔡志远1，马少华1，董鹤楠2

(1.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110023；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

随着电网风电装机规模的不断增大，风电场是否具有低电压穿越功能直接影响风电并网安全。目前风电场低电压穿越测试的方法主要以设备测试为主，即对单台风力发电机组进行抽检测试，验证整个风电场具备低电压穿越能力。采用单台测试设备检验风电场低电压穿越能力效率较低，且不能验证整个风电场其他设备的低电压穿越能力。通过短路试验方式来验证风电场低电压穿越能力，并在通辽地区进行现场试验验证。试验结果表明采用短路试验的方法能够更好、更快地开展低电压穿越测试工作，确保大规模风电接入后的电网安全稳定运行。

风电场；低电压穿越；短路试验

2006年1月1日，《中华人民共和国可再生能源法》正式颁布实施，在该法的引导和鼓励下，中国风力发电迅猛发展。截止2015年底全国风电累计装机容量1.29亿kW，占全部装机容量的8.6%；风电发电量1 863亿kWh，占全部发电量的3.3%。受地区风力资源分布、负荷分布和电网结构特点的影响，我国风电发展和运行体现了规模化发展和大风电融入小电网两种趋势，具体有以下几个主要特点。

a.集中接入超高压电网并远距离外送。

b.地区系统风电装机比重较大。

c.目前风机、风场技术装备水平难以满足系统安全稳定运行需要。

随着风电大规模的发展，越来越多的风电运行安全问题显露出来，其中风电机组的低电压穿越能力缺失成为目前风电运行最突出的问题。2011年初发生了多起由于风电机组不具备低电压穿越能力而造成的大面积脱网事故[1]。

目前我国风力发电机组存在着机型繁杂、数量庞大的问题，大量新机型建成投产也需要并网性能检测，检测工作量巨大，且普遍存在单机检测时间过长的问题。目前采用低电压穿越测试设备开展抽检工作存在主要问题如下[2]。

a.移动式低电压穿越测试设备(如西班牙Dipgen)测试周期较长，测试设备重量较大，一般超过10 t以上(见图1)，运输比较困难，并且测试周期较长。

图1 风电机组低电压穿越测试设备

b.对于风电场内所有风机的低电压穿越能力不能同时验证。

c.不能验证无功补偿装置等其它电气设备低电压穿越能力。

d.不能考核风电场整体无功输出情况。

针对目前采用低电压穿越测试设备进行抽检存在的问题，为了快速掌握并网风电场的低电压穿越能力，本文提出了采用现场短路试验方式来辅助验证风电场的低电压穿越能力。该方法能够在没有低电压穿越测试设备的情况下，采用现场短路试验的方法验证整个风电场运行风机的低电压穿越能力[3-4]。

1 工作原理及方案设置

采用现场短路试验方法来辅助验证风电场低电压穿越能力基本原理为：根据风电场实际情况，一般在风电场内集电线路上(35 kV)进行人工短路试验，通过合理选择短路点，即选择合理的集电线路阻抗来控制35 kV母线的电压跌落深度，从而达到考核风电场其他并列集电线路上运行风电机组低电压穿越能力的目的。具体的短路试验基本原理如图2所示。

图2 短路试验基本原理

电力系统的故障一般分为对称故障及不对称故障，系统发生不对称故障时，各电气元件承受的三相电压和通过的三相电流都将不对称，此时可运用对称分量法来处理不对称故障，具体为将不对称的电压和电流分解，分解成三组对称分量，同时对每一组分量可按对称三相系统来进行计算[5-6]。

以两相接地故障为例，具体为BC相接地短路故障，如图3所示。

图3 B、C两相接地故障图

B、C相短路边界条件用相量表示为

(1)

故障处序电流为

(2)

故障处序电压根据式(1)计算如下：

(3)

验证风电场低电压穿越能力采用短路试验的方法可解决很多问题，如抽检时间长、测试设备少、费用高等。同时，这种方法相对简单、易行，能够检测风电场内整体低电压穿越能力，并能为继电保护设置的合理性提供校核。

2 风电机组短路模型建立及计算方法

风电机组短路模型建立的流程如下。

a.风电机组阻抗确定

目前很多风电厂家无法提供准确的数学模型，短路试验过程中最大的误差就是风机模型的误差。在进行短路试验过程中风电机组在故障期间的无功出力情况直接影响电压跌落过程中的风电场主变低压侧的电压跌落情况。

双馈风电机组电机等值电路如图4所示。

该模型没有将变流器的控制模型加入其中，因此其无功输出误差较大。但是由于目前我国变流器主要依赖进口，对于变流器的控制模型掌握有限，因此很难拥有完整的变流器数学模型[7-8]。目前绝大部分厂家均开展了低电压穿越短路试验，本文所应用的双馈风机低电压穿越测试曲线如图5、图6所示。

图4 双馈风电机组电机等值电路

图5 双馈风机低电压穿越测试曲线(线电压有效值)

图6 双馈风机低电压穿越测试曲线(有功及无功功率)

依据该风电机组的低电压穿越型式试验报告，可以修改风电机组电机模型，给出在电压跌落过程中双馈风电机组的新阻值，从而使其在低电压穿越过程中的无功输出特性与测试报告相同。通过该方法修正后的模型能够提高短路试验计算精度，保证计算的准确性。

b.系统阻抗建立

依据收集的资料建立系统至短路点的阻抗图(见图7)，其中阻抗包括系统阻抗、线路阻抗、变压器阻抗和风机自身阻抗等。

图7 阻抗模型

c.绘制网络拓扑图

依据风电场的接入情况绘制风电场接入系统网络拓扑图，并编写网络关系矩阵。通过网络关系矩阵建立阻抗矩阵，为短路计算做好准备。

(4)

d.短路计算

依据网络阻抗矩阵开展短路计算，计算过程中需要计算的结果主要包括系统短路电流、风电场短路电压、系统短路电压、风电机组短路电压等。

e.绘制短路试验结果

依据短路试验计算结果绘制风电场电压矢量图、系统电压矢量图，同时评估短路试验对系统产生的影响，并做好相应的调度预案。

3 短路试验应用实例

短路试验在通辽地区某风电场开展，依据事先制定的试验方案进行，在风电场集电线路30号杆塔BC两相进行接地短路线的连接。具体试验结果及前期试验计算结果见表1，试验电流波形见图8。

表1 试验结果与计算结果对比

图8 短路试验风电场35 kV电压有效值及短路试验电流波形

本次短路试验结果与试验方案的计算结果相符，验证了该风电场低电压穿越能力。在短路试验过程中，集电线路上所带风机能够发出一定的无功功率。

4 结束语

采用短路试验方式来验证风电场低电压穿越能力，并以通辽某地区风电场试验为例，通过前期收资、建模、计算到后期的试验，整个计算过程及短路方式采用人工短路方法。试验数据对比计算数据可知，该方法可较为准确地实现风电场低电压穿越。

目前该方法已经在多个风电场开展了相关测试工作，在测试过程中发现了风电机组箱变保护配置不合理、风电场不平衡度保护设定不合理、风电场风电机组维护工作不到位等采用低电压穿越测试设备不能发现的问题，弥补了采用低电压穿越测试设备开展测试工作的缺点。该方法能够解决风电场低电压穿越抽检设备少、测试任务繁重的燃眉之急，弥补了采用低电压穿越设备进行抽检存在的不足，可以作为辅助管理风电场运行的有效手段。今后，希望能将短路试验方法与设备测试方法有效结合，为风电健康有序发展提供切实有效的技术支撑。

[1] 向 异，孙骁强，张小奇，等．2·24 甘肃酒泉大规模风电脱网事故暴露的问题及解决措施[J]．华北电力技术，2011,14(9):1-7.

[2] 徐海亮，章 玮，贺益康，等．双馈型风电机组低电压穿越技术要点及展望[J]．电力系统自动化，2013,37(20)：8-15.

[3] 董鹤楠，王 刚，邢作霞，等．风电场低电压穿越测试方法对比研究[J]．可再生能源，2013,31(7):25-28.

[4] 高 凯，李胜辉，黄 旭，等．风电机组低电压穿越测试相关技术研究[J]．东北电力技术，2013,34(1):5-8．

[5] 孙 强，苗继春．风电机组低电压穿越能力分析[J]．东北电力技术，2009,30(6):42-44.

[6] 李明珠，赵清松，戈阳阳，等．风电机组低电压穿越两种测试方法分析[J]．东北电力技术，2014,35(10):5-9.

[7] 胡书举，赵栋利，赵 斌，等．双馈风电机组低电压穿越特性的试验研究[J]．高电压技术,2010,36(3):789-795.

[8] 曾 辉，朱 钰，刘劲松．DFIG风机低电压穿越能力的现场测试与验证[J]．东北电力技术，2013,34(1):40-43.

Method Study on Low Voltage Ride Through Capability for Wind Farm Based on Short-circuit Test

GE Yangyang1,2，CAI Zhiyuan1，MA Shaohua1，DONG Henan2

(1.Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110023，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

With the continued large-scale wind power connected to the grid, grid security and stability is one of the elements that can not be ignored, especially if the wind farm has a low voltage ride through(LVRT)capabilities. Currently wind farm LVRT test methods based mainly on equipment testing, that a single wind turbines for sampling tests to verify the wind farm can be achieved. This method is simple but with limitations. This paper presents a new approach based on the short-circuit tests to verify the wind farm LVRT by the comparison of experiment in Tongliao. The results demonstrate that short-circuit test method can develop LVRT work better and faster, also ensure safe and stable operation of power grid.

wind farm; low voltage ride through; short-circuit test

TM614

A

1004-7913(2017)02-0011-04

戈阳阳(1983)，男,在读博士，高级工程师，研究方向为清洁能源并网与检测技术。

2016-12-01)