風(fēng)電場低電壓穿越特性仿真分析范文
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《寧夏電力雜志》2014年第六期
1直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場低電壓穿越特性分析
直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓最能反映風(fēng)機(jī)低電壓穿越特性，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致風(fēng)電場電壓下降時，風(fēng)電場內(nèi)各直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的響應(yīng)會有所不同，這對各風(fēng)機(jī)低電壓穿越有不同的影響，在計及風(fēng)電場低電壓穿越的等值建模中，有必要對風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)機(jī)的低電壓穿越特性特別是風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓進(jìn)行分析。將電力線路抽象為圖2所示的線路進(jìn)行分析。
1.1單臺風(fēng)機(jī)接電網(wǎng)將風(fēng)電場內(nèi)單臺風(fēng)機(jī)接電網(wǎng)時電力線路抽象為圖3所示的線路進(jìn)行分析。圖中U1為風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓，U2為風(fēng)機(jī)箱式變壓器高壓側(cè)電壓，U3為風(fēng)機(jī)箱式變壓器高壓側(cè)電壓，P1+jQ1為風(fēng)機(jī)輸出功率，P2+jQ2為箱式變壓器高壓側(cè)功率，P3+jQ3為風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)功率，jXT為風(fēng)機(jī)箱式變壓器漏抗，R+jX為集電線路阻抗。這是由于風(fēng)電場無功從風(fēng)機(jī)箱變壓器高壓側(cè)流向風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)，和有功流向相同，因此風(fēng)電場箱式變壓器高壓側(cè)電壓高于風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)電壓。直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組通過變流器并網(wǎng)，在低電壓穿越期間，由于變流器功率器件的限制，輸出電流會達(dá)到其上限，因此在低電壓穿越運行期間，風(fēng)機(jī)發(fā)出電流較穩(wěn)態(tài)時變化不會很大，因此風(fēng)電場內(nèi)各風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓差及各風(fēng)機(jī)機(jī)端與風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)的電壓差也不會出現(xiàn)大的改變。由上述分析可知：當(dāng)風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時，風(fēng)機(jī)不發(fā)無功，一般情況下離風(fēng)電場電氣距離最近的那臺風(fēng)機(jī)到風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)也有一段距離，這段距離大致可以使風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓與箱式變壓器高壓側(cè)的電壓差比風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)到箱式變壓器高壓側(cè)的電壓差要小，即可大致認(rèn)為風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓高于風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)電壓，具體大小還需計算得知。當(dāng)風(fēng)機(jī)低電壓穿越運行時，風(fēng)機(jī)發(fā)出無功，風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓高于風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)電壓。風(fēng)機(jī)模型低電壓穿越時不發(fā)無功，同時由于電壓的降低，風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功也會減少，因此風(fēng)機(jī)在低電壓穿越期間，風(fēng)機(jī)機(jī)端與箱式變壓器高壓側(cè)之間、箱式變壓器高壓側(cè)和風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)之間電壓差反而會減小。
1.2多臺風(fēng)機(jī)接電網(wǎng)當(dāng)風(fēng)電場場內(nèi)風(fēng)機(jī)按干線式接線時，將風(fēng)電場內(nèi)多臺風(fēng)機(jī)接電網(wǎng)時電力線路抽象為圖4所示的線路進(jìn)行分析。多臺風(fēng)機(jī)接電網(wǎng)只是單臺風(fēng)機(jī)接電網(wǎng)時的疊加，分析過程和單臺風(fēng)機(jī)分析方法一致。風(fēng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運行和低電壓穿越運行時，越遠(yuǎn)離風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)的風(fēng)機(jī)，機(jī)端電壓越高，且低電壓穿越運行時電壓差要比穩(wěn)態(tài)運行時電壓差小。
2.1風(fēng)電場各風(fēng)機(jī)低電壓穿越電壓響應(yīng)仿真為了更進(jìn)一步比較風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)機(jī)低電壓穿越特性，本文在寧夏嘉澤風(fēng)電場中進(jìn)行了仿真研究。在風(fēng)電場出線上構(gòu)造故障，使風(fēng)電場電壓跌落至不同水平，分析風(fēng)電場低電壓穿越期間各風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓的響應(yīng)。由于寧夏電網(wǎng)有2種運行方式：甘電送寧和寧電送甘。風(fēng)電場有2種工況：大風(fēng)和小風(fēng)。因此本文中所有的故障均要在4種方式下進(jìn)行仿真。本文構(gòu)造故障如下：風(fēng)電場出線50%處三相短路接地故障，接地阻抗為X=0.09p.u.，1.0s出現(xiàn)故障，1.3s故障消失。風(fēng)電場電壓大致跌落至45%。甘電送寧大風(fēng)、甘電送寧小風(fēng)、寧電送甘大風(fēng)、寧電送甘小風(fēng)情況下各監(jiān)測點的電壓曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)風(fēng)電場電壓跌落至45%左右時，風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)電壓和風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓相差不大，從圖中基本上看不出差別。從仿真數(shù)據(jù)中計算出風(fēng)電場內(nèi)機(jī)端電壓最低值與主變壓器低壓側(cè)電壓差、機(jī)端電壓最高值與機(jī)端電壓最低值的電壓差，如表1所示。從表1中可以看出，無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓都要比主變壓器低壓側(cè)電壓高；從另一方面來看，風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓之間、風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓和主變壓器低壓側(cè)電壓之間的電壓差都很小。因此，在故障的情況下，寧夏嘉澤風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓都要高于主變壓器低壓側(cè)電壓，所有風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓之間及風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓和主變壓器低壓側(cè)電壓之間的差別均很小。在4種運行方式下，分別選出2個電壓差—風(fēng)電場內(nèi)機(jī)端電壓最低值與主變壓器低壓側(cè)電壓差、機(jī)端電壓最高值與機(jī)端電壓最低值電壓差，如表2所示。由表2可以看出，寧夏嘉澤風(fēng)電場中各風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓在上述故障中的差別均很小，特別是在低電壓穿越期間，差別更小。因此可以認(rèn)為：在寧夏嘉澤風(fēng)電場中，所有風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓近似相等，當(dāng)所有風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運行時，這些風(fēng)機(jī)的電壓狀態(tài)是一致的。本文中直驅(qū)風(fēng)電場最長集電線路10km，風(fēng)機(jī)數(shù)為11臺，低電壓穿越期間各風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓差最大為0.00337p.u.；在實際風(fēng)電場中，每條集電線路的長度最長約12~15km，風(fēng)機(jī)數(shù)最多15臺，通過簡單比較可知，其各風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓差在10-3p.u.數(shù)量級，差別不大。
2.2系統(tǒng)故障對風(fēng)電場低電壓穿越能力驗證仿真風(fēng)機(jī)具有低電壓穿越能力是指，電網(wǎng)發(fā)生故障引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出端電壓跌落，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓值在圖6中電壓輪廓線及以上區(qū)域內(nèi)時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)能保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。寧夏嘉澤風(fēng)電場并入寧夏電網(wǎng)后，當(dāng)寧夏電網(wǎng)主網(wǎng)發(fā)生故障時，仿真研究了該風(fēng)電場的低電壓穿越性能。仿真過程中，當(dāng)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓滿足如圖6所示的曲線時，認(rèn)為風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)。風(fēng)電場附近線路的地理接線圖如圖7所示，各風(fēng)電場在寧夏牛首山變電站匯流后升壓輸送至330kV寧夏侯橋變電站。仿真故障選取時本著對寧夏嘉澤風(fēng)電場影響較大的原則，分別仿真“侯橋-黃河”“侯橋-甜水河”2條線路三相永久性故障，寧夏嘉澤風(fēng)電場是否能實現(xiàn)低電壓穿越，下面以“侯橋-黃河”線路三相永久性故障為例進(jìn)行說明。故障形式：在“侯橋-黃河”線路50%處引入三相短路接地故障，1.0s出現(xiàn)故障，1.1s切除線路。4種方式下風(fēng)電場內(nèi)機(jī)端電壓最低的風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓如圖8所示。由仿真可知，在“侯橋-黃河”線路上出現(xiàn)三相永久性故障時，甘電送寧大風(fēng)、甘電送寧小風(fēng)、寧電送甘大風(fēng)、寧電送甘小風(fēng)4種方式下寧夏嘉澤風(fēng)電場內(nèi)機(jī)端電壓最低的風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓分別降至0.6378p.u.、0.5519p.u.、0.7142p.u.、0.5579p.u.，遠(yuǎn)未達(dá)到風(fēng)機(jī)切機(jī)動作值。因此認(rèn)為，在“侯橋-黃河”線路上出現(xiàn)三相永久性故障時，寧夏嘉澤風(fēng)電場不會脫網(wǎng)。在“侯橋-甜水河”線路上同樣引入三相永久性故障，仿真結(jié)果表明，寧夏嘉澤風(fēng)電場依然不會脫網(wǎng)。
3仿真結(jié)果
（1）在風(fēng)電場饋線發(fā)生故障情況下，甘電送寧大風(fēng)、甘電送寧小風(fēng)、寧電送甘大風(fēng)、寧電送甘小風(fēng)不同運行方式下，風(fēng)電場內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓最大差別小于0.01p.u.，用聚類等值機(jī)能夠代表被等值機(jī)組的運行工況。（2）在系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，在甘電送寧大風(fēng)、甘電送寧小風(fēng)、寧電送甘大風(fēng)、寧電送甘小風(fēng)不同運行方式下，風(fēng)電場最低電壓大于0.55p.u.，未達(dá)到風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)限制，風(fēng)電場各風(fēng)電機(jī)組均未發(fā)生脫網(wǎng)，該風(fēng)電場具備低電壓穿越能力。
4結(jié)論
（1）在直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成的風(fēng)電場中，風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓狀態(tài)一致。經(jīng)仿真分析驗證，在不同的運行工況下，寧夏嘉澤風(fēng)電場不會脫網(wǎng)，具備低電壓穿越的能力。（2）在風(fēng)電場的其它風(fēng)機(jī)與其被抽檢的風(fēng)機(jī)型號相同的條件下，如果被抽檢的風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力，可認(rèn)為該風(fēng)電場也具備低電壓穿越能力。（3）本文仿真分析為檢驗風(fēng)電場低電壓穿越能力提供了行之有效的方法。
作者：楊雪紅單位：國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院