基于短路試驗的風電場低電壓穿越能力驗證方法研究

戈陽陽，蔡志遠，馬少華，董鶴楠

(1.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110023；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

基于短路試驗的風電場低電壓穿越能力驗證方法研究

戈陽陽1,2，蔡志遠1，馬少華1，董鶴楠2

(1.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110023；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著電網風電裝機規模的不斷增大，風電場是否具有低電壓穿越功能直接影響風電并網安全。目前風電場低電壓穿越測試的方法主要以設備測試為主，即對單臺風力發電機組進行抽檢測試，驗證整個風電場具備低電壓穿越能力。采用單臺測試設備檢驗風電場低電壓穿越能力效率較低，且不能驗證整個風電場其他設備的低電壓穿越能力。通過短路試驗方式來驗證風電場低電壓穿越能力，并在通遼地區進行現場試驗驗證。試驗結果表明采用短路試驗的方法能夠更好、更快地開展低電壓穿越測試工作，確保大規模風電接入后的電網安全穩定運行。

風電場；低電壓穿越；短路試驗

2006年1月1日，《中華人民共和國可再生能源法》正式頒布實施，在該法的引導和鼓勵下，中國風力發電迅猛發展。截止2015年底全國風電累計裝機容量1.29億kW，占全部裝機容量的8.6%；風電發電量1 863億kWh，占全部發電量的3.3%。受地區風力資源分布、負荷分布和電網結構特點的影響，我國風電發展和運行體現了規模化發展和大風電融入小電網兩種趨勢，具體有以下幾個主要特點。

a.集中接入超高壓電網并遠距離外送。

b.地區系統風電裝機比重較大。

c.目前風機、風場技術裝備水平難以滿足系統安全穩定運行需要。

隨著風電大規模的發展，越來越多的風電運行安全問題顯露出來，其中風電機組的低電壓穿越能力缺失成為目前風電運行最突出的問題。2011年初發生了多起由于風電機組不具備低電壓穿越能力而造成的大面積脫網事故[1]。

目前我國風力發電機組存在著機型繁雜、數量龐大的問題，大量新機型建成投產也需要并網性能檢測，檢測工作量巨大，且普遍存在單機檢測時間過長的問題。目前采用低電壓穿越測試設備開展抽檢工作存在主要問題如下[2]。

a.移動式低電壓穿越測試設備(如西班牙Dipgen)測試周期較長，測試設備重量較大，一般超過10 t以上(見圖1)，運輸比較困難，并且測試周期較長。

圖1 風電機組低電壓穿越測試設備

b.對于風電場內所有風機的低電壓穿越能力不能同時驗證。

c.不能驗證無功補償裝置等其它電氣設備低電壓穿越能力。

d.不能考核風電場整體無功輸出情況。

針對目前采用低電壓穿越測試設備進行抽檢存在的問題，為了快速掌握并網風電場的低電壓穿越能力，本文提出了采用現場短路試驗方式來輔助驗證風電場的低電壓穿越能力。該方法能夠在沒有低電壓穿越測試設備的情況下，采用現場短路試驗的方法驗證整個風電場運行風機的低電壓穿越能力[3-4]。

1 工作原理及方案設置

采用現場短路試驗方法來輔助驗證風電場低電壓穿越能力基本原理為：根據風電場實際情況，一般在風電場內集電線路上(35 kV)進行人工短路試驗，通過合理選擇短路點，即選擇合理的集電線路阻抗來控制35 kV母線的電壓跌落深度，從而達到考核風電場其他并列集電線路上運行風電機組低電壓穿越能力的目的。具體的短路試驗基本原理如圖2所示。

圖2 短路試驗基本原理

電力系統的故障一般分為對稱故障及不對稱故障，系統發生不對稱故障時，各電氣元件承受的三相電壓和通過的三相電流都將不對稱，此時可運用對稱分量法來處理不對稱故障，具體為將不對稱的電壓和電流分解，分解成三組對稱分量，同時對每一組分量可按對稱三相系統來進行計算[5-6]。

以兩相接地故障為例，具體為BC相接地短路故障，如圖3所示。

圖3 B、C兩相接地故障圖

B、C相短路邊界條件用相量表示為

(1)

故障處序電流為

(2)

故障處序電壓根據式(1)計算如下：

(3)

驗證風電場低電壓穿越能力采用短路試驗的方法可解決很多問題，如抽檢時間長、測試設備少、費用高等。同時，這種方法相對簡單、易行，能夠檢測風電場內整體低電壓穿越能力，并能為繼電保護設置的合理性提供校核。

2 風電機組短路模型建立及計算方法

風電機組短路模型建立的流程如下。

a.風電機組阻抗確定

目前很多風電廠家無法提供準確的數學模型，短路試驗過程中最大的誤差就是風機模型的誤差。在進行短路試驗過程中風電機組在故障期間的無功出力情況直接影響電壓跌落過程中的風電場主變低壓側的電壓跌落情況。

雙饋風電機組電機等值電路如圖4所示。

該模型沒有將變流器的控制模型加入其中，因此其無功輸出誤差較大。但是由于目前我國變流器主要依賴進口，對于變流器的控制模型掌握有限，因此很難擁有完整的變流器數學模型[7-8]。目前絕大部分廠家均開展了低電壓穿越短路試驗，本文所應用的雙饋風機低電壓穿越測試曲線如圖5、圖6所示。

圖4 雙饋風電機組電機等值電路

圖5 雙饋風機低電壓穿越測試曲線(線電壓有效值)

圖6 雙饋風機低電壓穿越測試曲線(有功及無功功率)

依據該風電機組的低電壓穿越型式試驗報告，可以修改風電機組電機模型，給出在電壓跌落過程中雙饋風電機組的新阻值，從而使其在低電壓穿越過程中的無功輸出特性與測試報告相同。通過該方法修正后的模型能夠提高短路試驗計算精度，保證計算的準確性。

b.系統阻抗建立

依據收集的資料建立系統至短路點的阻抗圖(見圖7)，其中阻抗包括系統阻抗、線路阻抗、變壓器阻抗和風機自身阻抗等。

圖7 阻抗模型

c.繪制網絡拓撲圖

依據風電場的接入情況繪制風電場接入系統網絡拓撲圖，并編寫網絡關系矩陣。通過網絡關系矩陣建立阻抗矩陣，為短路計算做好準備。

(4)

d.短路計算

依據網絡阻抗矩陣開展短路計算，計算過程中需要計算的結果主要包括系統短路電流、風電場短路電壓、系統短路電壓、風電機組短路電壓等。

e.繪制短路試驗結果

依據短路試驗計算結果繪制風電場電壓矢量圖、系統電壓矢量圖，同時評估短路試驗對系統產生的影響，并做好相應的調度預案。

3 短路試驗應用實例

短路試驗在通遼地區某風電場開展，依據事先制定的試驗方案進行，在風電場集電線路30號桿塔BC兩相進行接地短路線的連接。具體試驗結果及前期試驗計算結果見表1，試驗電流波形見圖8。

表1 試驗結果與計算結果對比

圖8 短路試驗風電場35 kV電壓有效值及短路試驗電流波形

本次短路試驗結果與試驗方案的計算結果相符，驗證了該風電場低電壓穿越能力。在短路試驗過程中，集電線路上所帶風機能夠發出一定的無功功率。

4 結束語

采用短路試驗方式來驗證風電場低電壓穿越能力，并以通遼某地區風電場試驗為例，通過前期收資、建模、計算到后期的試驗，整個計算過程及短路方式采用人工短路方法。試驗數據對比計算數據可知，該方法可較為準確地實現風電場低電壓穿越。

目前該方法已經在多個風電場開展了相關測試工作，在測試過程中發現了風電機組箱變保護配置不合理、風電場不平衡度保護設定不合理、風電場風電機組維護工作不到位等采用低電壓穿越測試設備不能發現的問題，彌補了采用低電壓穿越測試設備開展測試工作的缺點。該方法能夠解決風電場低電壓穿越抽檢設備少、測試任務繁重的燃眉之急，彌補了采用低電壓穿越設備進行抽檢存在的不足，可以作為輔助管理風電場運行的有效手段。今后，希望能將短路試驗方法與設備測試方法有效結合，為風電健康有序發展提供切實有效的技術支撐。

[1] 向 異，孫驍強，張小奇，等．2·24 甘肅酒泉大規模風電脫網事故暴露的問題及解決措施[J]．華北電力技術，2011,14(9):1-7.

[2] 徐海亮，章 瑋，賀益康，等．雙饋型風電機組低電壓穿越技術要點及展望[J]．電力系統自動化，2013,37(20)：8-15.

[3] 董鶴楠，王 剛，邢作霞，等．風電場低電壓穿越測試方法對比研究[J]．可再生能源，2013,31(7):25-28.

[4] 高 凱，李勝輝，黃 旭，等．風電機組低電壓穿越測試相關技術研究[J]．東北電力技術，2013,34(1):5-8．

[5] 孫 強，苗繼春．風電機組低電壓穿越能力分析[J]．東北電力技術，2009,30(6):42-44.

[6] 李明珠，趙清松，戈陽陽，等．風電機組低電壓穿越兩種測試方法分析[J]．東北電力技術，2014,35(10):5-9.

[7] 胡書舉，趙棟利，趙 斌，等．雙饋風電機組低電壓穿越特性的試驗研究[J]．高電壓技術,2010,36(3):789-795.

[8] 曾 輝，朱 鈺，劉勁松．DFIG風機低電壓穿越能力的現場測試與驗證[J]．東北電力技術，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

戈陽陽(1983)，男,在讀博士，高級工程師，研究方向為清潔能源并網與檢測技術。

2016-12-01)