小型風電場接入城市電網后的低電壓穿越特性研究

曾華初

（廣東電網公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

小型風電場接入城市電網后的低電壓穿越特性研究

曾華初

（廣東電網公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

由于國家政策的大力支持，風力發電得到了迅速發展。一些擁有足夠風力資源的城市新建了風力發電場，并將風電場的發電直接輸入城市電網。本文以珠海市橫琴風電場為例，分析了城市電網發生故障時對風電場的影響，并采用了一種提高風電場風機低電壓穿越能力的方法，通過PSCAD/EMTDC軟件建模仿真進行了驗證。

風力發電；城市電網；低電壓穿越；撬棒電路

1 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭和自然環境的日益惡化，新能源發電受到了世界各國的廣泛關注，其中風電以其特有的優勢獲得了最為迅速的發展。我國在近十年來新建了大量風力發電場，不僅包含位于西北部的大型風電場，也包括位于東南沿海城市周邊的小型風電場。對于接入城市電網的小型風電場，由于輸電距離短﹑城市電網故障頻發，其低電壓穿越能力顯得尤為重要。廣東省珠海市橫琴風電場位于珠海市橫琴島腦背山山體四周，所發電量主要在橫琴島就地消化，屬于此類小型風電場的典型代表，針對其低電壓穿越能力的研究具有典型意義。

表1 分布式電源并網的電壓等級

圖1 低電壓穿越標準

圖2 撬棒電路原理圖

2 風電場低電壓穿越能力概述

風電場低電壓穿越能力，即交流電網發生故障導致風力發電場接入電網點電壓跌落后，風電場保持不脫網并在故障消除后恢復風功率傳輸的能力。

世界各國通用的風電場低電壓穿越標準如圖 1所示。圖中U為風電場并網點交流電壓值，UN為其額定值，Umin為不允許風電場脫網的最低電壓值，tLVRT為不允許風電場脫網的最長時間。

故障發生后，當風電場與城市電網的并網點電壓值位于圖 1陰影部分以上時，不允許風電場脫網。各個國家的風電場低電壓穿越標準有所不同，一般來說，Umin/ UN應選取為15%～25%之間，tLVRT應選取為0.5s～3s之間。只有當并網點電壓下降至Umin以下或故障時間超過tLVRT時，才允許風電場的風力發電機從城市電網切斷。

可將連接至城市電網的風電場低電壓穿越要求歸結為：

（1）保持城市電網故障期間不脫網運行，以防風力發電機解列引發城市電網更大的后繼故障；

（2）連續﹑穩定地提供無功功率以協助城市電網電壓恢復，減小城市電網電壓崩潰的可能性；

（3）釋放剩余能量，抑制故障電流；

（4）延緩風力發電機轉速上升，防止飛車。

3 小型風電場并入城市電網實例分析

3.1 實例分析

珠海市橫琴風電場采用直接接入城市電網的模式，為橫琴島提供負荷電源。根據規定，分布式電源接入城市電網電壓等級如表 1所示。

橫琴風電場一期建設規模為15.75MW，應當通過兩回以上電纜線路并入20kV城市電網。目前橫琴風電場內共有5回集電線路匯集電能，然后經過2回10kV電纜線路（風電甲﹑乙線）接入石山站10kV母線，不符合表 1的規定；不過，根據橫琴新區的規劃，110kV石山站不久將退出運行，橫琴新區也將全面采用220kV/20kV電壓等級，屆時橫琴風電場并網電壓等級將滿足規定的要求。

除電壓等級要求外，并入城市電網的小型風電場還應當滿足有功功率控制的要求：通過20kV電壓等級并網的分布式電源，應當具備有功功率調節能力，并能根據電網頻率值﹑電網調度機構指令值等信號調節電源的有功功率輸出，確保分布式電源最大輸出功率及功率變化率不超過電網調度機構的給定值，以確保電網故障或特殊運行方式時電力系統的穩定。

本文以未來的橫琴新區20kV電網為例，研究橫琴風電場并入城市電網后的低電壓穿越問題。

3.2 低電壓穿越方法

現代電網規范要求風力發電系統低電壓穿越能力不得低于被其取代的傳統發電方式，所以各國的風電設備生產生及相關科研機構都對風電設備的低電壓穿越運行進行了大量研究，提出了各種低電壓穿越技術。常規的風電場低電壓穿越技術包括不需添加硬件設備的控制改進方法和需要安裝硬件設備的硬件方法。常規的控制改進方法包括改進的矢量控制﹑改進的魯棒控制等方法；常規的硬件方法包括定子側電阻陣列﹑直流母線撬棒電路等方法。

改進的矢量控制和魯棒控制方法不僅包含傳統矢量控制和魯棒控制方法能夠實現有功﹑無功的獨立控制﹑具備一定的抗干擾能力的優點，還解決了電網電壓大幅度跌落時PI控制器易出現飽和的問題，但其控制效果往往受到勵磁變頻器容量的限制。

定子側電阻陣列的方法改進于定子側開關法。定子側開關法具備可以避免電網電壓驟降和驟升對風機沖擊的優點，但它并非是真正意義上的不脫網運行，由于其關鍵器件容量較小，該方法對電網恢復的作用非常有限。定子側電阻陣列由一系列與交流開關并聯的電阻陣列構成，其優點在于可以在電網電壓跌落的情況下保持風力發電機與電網的連接，缺點是需要使用大量大功率晶閘管，硬件成本高﹑電阻損耗大。

考慮到可行性和經濟性，本文采用在直流母線安裝撬棒電路的方法實現并入城市電網的小型風電場的低電壓穿越。

本文采用的撬棒電路如圖 2所示，圖中，Rcrowbar為撬棒電路阻尼電阻。

該撬棒電路與每臺風機直流母線電容并聯，當風電場并網點發生電壓跌落致使風功率無法外送時，各風機直流母線電壓升高；該電壓超過一定限值時，撬棒電路中原本開斷的串聯IGBT閥組被觸發閉合，投入阻尼電阻，消耗無法外送的風功率，保證風機不脫網，且釋放能量﹑降低風機受損的可能。

4 仿真分析

通過PSCAD/EMTDC建立小型風電場接入城市電網的仿真模型，城市電網并網點額定電壓設置為20kV，滿足分布式電源接入電網電壓等級的要求；通過鎖相環環節實時跟蹤城市電網頻率﹑采用槳距角控制和換流器有功功率控制方式確保風電場輸出功率滿足分布式電源有功功率控制的要求。0s～1.0s，風力發電場完成并網，系統運行于穩態；考慮最嚴重的情況，1.0s時刻，風電場并網點發生經大電阻三相相間短路故障，故障持續時間為0.1s。

圖 3 并網點交流電壓仿真波形（無撬棒）

圖 4 風機母線直流電壓仿真波形（無撬棒）

圖 5 并網點交流電壓仿真波形（有撬棒）

圖 6 風機母線直流電壓仿真波形（有撬棒）

4.1 無撬棒電路

當風電場中風力發電機未安裝撬棒電路時，仿真波形如圖 3﹑圖 4所示，其中圖 3為風電場與城市電網并網點三相電壓波形，圖 4為風機直流母線電壓波形。可見，1.0s～1.1s間，故障發生，并網點電壓跌落，并產生電壓尖峰；風電場功率無法外送，風機直流母線電壓上升至1.8倍標幺值左右，對風機安全造成嚴重威脅。

4.2 有撬棒電路

在風機直流母線電容處安裝并聯撬棒電路，以1.1倍直流電壓標幺值作為撬棒電路動作閾值。故障發生后極短時間內，直流電壓上升至動作閾值，撬棒電路投入，仿真波形如圖 5﹑圖 6所示。

觀察圖 5可知，1.1s時由于故障消除而產生的交流電壓尖峰峰值有所降低，三相交流電壓也在1.2s左右恢復到故障前正常值；由圖 6可見，撬棒電路的投入達到了吸收風電場功率的效果，直流電壓最高值由1.8倍標幺值下降至1.1倍標幺值左右，在釋放了風機剩余能量的同時抑制了過電壓，大大降低了了并網點短路故障對風機造成損害的可能性。

結語

橫琴風力發電場是一個典型的小型風電場接入城市電網的案例，其低電壓穿越能力具有重要的研究意義。本文采用在風力發電機直流母線側安裝撬棒電路的方法，提高風電場的低電壓穿越能力。仿真研究結果表明，該方法不僅大大提高了風電場的低電壓穿越能力，使得風電場達到了低電壓穿越標準，在故障發生期間不脫網運行，也釋放了故障期間無法外送的風功率，抑制了風機直流母線電壓上升，減輕了城市電網故障可能對風機造成的損害。

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TM 614

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