風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
直驅永磁發電機機端電壓最能反映風機低電壓穿越特性，當電網發生故障導致風電場電壓下降時，風電場內各直驅永磁風電機組機端電壓的響應會有所不同，這對各風機低電壓穿越有不同的影響，在計及風電場低電壓穿越的等值建模中，有必要對風電場內所有風機的低電壓穿越特性特別是風機機端電壓進行分析。將電力線路抽象為圖2所示的線路進行分析。
1.1單臺風機接電網將風電場內單臺風機接電網時電力線路抽象為圖3所示的線路進行分析。圖中U1為風機機端電壓，U2為風機箱式變壓器高壓側電壓，U3為風機箱式變壓器高壓側電壓，P1+jQ1為風機輸出功率，P2+jQ2為箱式變壓器高壓側功率，P3+jQ3為風電場主變壓器低壓側功率，jXT為風機箱式變壓器漏抗，R+jX為集電線路阻抗。這是由于風電場無功從風機箱變壓器高壓側流向風電場主變壓器低壓側，和有功流向相同，因此風電場箱式變壓器高壓側電壓高于風電場主變壓器低壓側電壓。直驅永磁風電機組通過變流器并網，在低電壓穿越期間，由于變流器功率器件的限制，輸出電流會達到其上限，因此在低電壓穿越運行期間，風機發出電流較穩態時變化不會很大，因此風電場內各風機機端電壓差及各風機機端與風電場主變壓器低壓側的電壓差也不會出現大的改變。由上述分析可知：當風機穩態運行時，風機不發無功，一般情況下離風電場電氣距離最近的那臺風機到風電場主變壓器低壓側也有一段距離，這段距離大致可以使風機機端電壓與箱式變壓器高壓側的電壓差比風電場主變壓器低壓側到箱式變壓器高壓側的電壓差要小，即可大致認為風機機端電壓高于風電場主變壓器低壓側電壓，具體大小還需計算得知。當風機低電壓穿越運行時，風機發出無功，風機機端電壓高于風電場主變壓器低壓側電壓。風機模型低電壓穿越時不發無功，同時由于電壓的降低，風機發出的有功也會減少，因此風機在低電壓穿越期間，風機機端與箱式變壓器高壓側之間、箱式變壓器高壓側和風電場主變壓器低壓側之間電壓差反而會減小。
1.2多臺風機接電網當風電場場內風機按干線式接線時，將風電場內多臺風機接電網時電力線路抽象為圖4所示的線路進行分析。多臺風機接電網只是單臺風機接電網時的疊加，分析過程和單臺風機分析方法一致。風機在穩態運行和低電壓穿越運行時，越遠離風電場主變壓器低壓側的風機，機端電壓越高，且低電壓穿越運行時電壓差要比穩態運行時電壓差小。
2.1風電場各風機低電壓穿越電壓響應仿真為了更進一步比較風電場內所有風機低電壓穿越特性，本文在寧夏嘉澤風電場中進行了仿真研究。在風電場出線上構造故障，使風電場電壓跌落至不同水平，分析風電場低電壓穿越期間各風機機端電壓的響應。由于寧夏電網有2種運行方式：甘電送寧和寧電送甘。風電場有2種工況：大風和小風。因此本文中所有的故障均要在4種方式下進行仿真。本文構造故障如下：風電場出線50%處三相短路接地故障，接地阻抗為X=0.09p.u.，1.0s出現故障，1.3s故障消失。風電場電壓大致跌落至45%。甘電送寧大風、甘電送寧小風、寧電送甘大風、寧電送甘小風情況下各監測點的電壓曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，當風電場電壓跌落至45%左右時，風電場主變壓器低壓側電壓和風機機端電壓相差不大，從圖中基本上看不出差別。從仿真數據中計算出風電場內機端電壓最低值與主變壓器低壓側電壓差、機端電壓最高值與機端電壓最低值的電壓差，如表1所示。從表1中可以看出，無論是穩態還是暫態，風機機端電壓都要比主變壓器低壓側電壓高；從另一方面來看，風機機端電壓之間、風機機端電壓和主變壓器低壓側電壓之間的電壓差都很小。因此，在故障的情況下，寧夏嘉澤風電場內所有風機機端電壓都要高于主變壓器低壓側電壓，所有風機機端電壓之間及風機機端電壓和主變壓器低壓側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—風電場內機端電壓最低值與主變壓器低壓側電壓差、機端電壓最高值與機端電壓最低值電壓差，如表2所示。由表2可以看出，寧夏嘉澤風電場中各風機機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。因此可以認為：在寧夏嘉澤風電場中，所有風機的機端電壓近似相等，當所有風機并網運行時，這些風機的電壓狀態是一致的。本文中直驅風電場最長集電線路10km，風機數為11臺，低電壓穿越期間各風機機端電壓差最大為0.00337p.u.；在實際風電場中，每條集電線路的長度最長約12~15km，風機數最多15臺，通過簡單比較可知，其各風機機端電壓差在10-3p.u.數量級，差別不大。
2.2系統故障對風電場低電壓穿越能力驗證仿真風機具有低電壓穿越能力是指，電網發生故障引起風力發電機組輸出端電壓跌落，當風力發電機機端電壓值在圖6中電壓輪廓線及以上區域內時，風力發電機組應能保證不脫網連續運行。寧夏嘉澤風電場并入寧夏電網后，當寧夏電網主網發生故障時，仿真研究了該風電場的低電壓穿越性能。仿真過程中，當風機機端電壓滿足如圖6所示的曲線時，認為風機不脫網。風電場附近線路的地理接線圖如圖7所示，各風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，寧夏嘉澤風電場是否能實現低電壓穿越，下面以“侯橋-黃河”線路三相永久性故障為例進行說明。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出現故障，1.1s切除線路。4種方式下風電場內機端電壓最低的風機的機端電壓如圖8所示。由仿真可知，在“侯橋-黃河”線路上出現三相永久性故障時，甘電送寧大風、甘電送寧小風、寧電送甘大風、寧電送甘小風4種方式下寧夏嘉澤風電場內機端電壓最低的風機的機端電壓分別降至0.6378p.u.、0.5519p.u.、0.7142p.u.、0.5579p.u.，遠未達到風機切機動作值。因此認為，在“侯橋-黃河”線路上出現三相永久性故障時，寧夏嘉澤風電場不會脫網。在“侯橋-甜水河”線路上同樣引入三相永久性故障，仿真結果表明，寧夏嘉澤風電場依然不會脫網。
3仿真結果
（1）在風電場饋線發生故障情況下，甘電送寧大風、甘電送寧小風、寧電送甘大風、寧電送甘小風不同運行方式下，風電場內各風電機組機端電壓最大差別小于0.01p.u.，用聚類等值機能夠代表被等值機組的運行工況。（2）在系統發生故障情況下，在甘電送寧大風、甘電送寧小風、寧電送甘大風、寧電送甘小風不同運行方式下，風電場最低電壓大于0.55p.u.，未達到風電機組脫網限制，風電場各風電機組均未發生脫網，該風電場具備低電壓穿越能力。
4結論
（1）在直驅永磁風電機組構成的風電場中，風機的機端電壓狀態一致。經仿真分析驗證，在不同的運行工況下，寧夏嘉澤風電場不會脫網，具備低電壓穿越的能力。（2）在風電場的其它風機與其被抽檢的風機型號相同的條件下，如果被抽檢的風電機組具備低電壓穿越能力，可認為該風電場也具備低電壓穿越能力。（3）本文仿真分析為檢驗風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：國網寧夏電力公司電力科學研究院