风电场接入电网引起的无功电压运行问题主要包括两个方面：一是降低损耗；二是保证电能质量，即保证随风电出力变化母线电压波动在合理范围内。若网架结构和规划电源都已确定，则为了适应风电出力波动对电压的影响，还需在风电场配置动态无功补偿并跟踪风电出力的变化进行无功调控，同时，辅以主网无功控制手段的协同动作，进而将风电出力变化对电压波动的影响降至最低。......
2023-06-28
风电机组电压穿越问题的概述
【摘要】：将式在输送无功功率为零的平衡点处进行局部线性化处理：学习目标了解 ABB 机器人直线、弧线、曲面线路点的编程方法。执行程序时，机器人将 TCP 移至编程位置，程序中所描述的速度与位置就是 TCP点在对应工件坐标中的速度与位置。机器人可以拥有若干工件坐标系，或者表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干副本。
电网电压的波动主要是系统短路故障、机组投切和大负荷投切造成的。由于电力电子设备自身的过电压和过电流能力较弱，因此，当电网电压发生剧烈变动超出某预设的阈值时，如±5%或±10%，电力电子设备为了保护自身的设备安全，往往会从电网中切出。当风电机组的装机容量在电力系统电源中比重较大时，如果大量风电机组同时切机，会造成电网系统功率大量缺额，潮流分布发生剧烈变化，引起电网频率稳定问题，甚至会引起大面积停电事故。因此，从电力系统的稳定性角度出发，风电机组需具备电压穿越能力，要求风电机组在电压跌落或者电压骤升故障下，保持不脱网运行，同时希望风电机组向电网提供无功功率，支持电网电压恢复，即要求风电机组具备低电压穿越（Low Voltage Ride－Through，LVRT）和高电压穿越能力（High Voltage Ride－Through，HVRT）。世界各国并网导则对风电场接入电网的电压穿越能力提出了具体要求［1－4］。不同国家的电压穿越要求在电压变动幅度（骤升幅度或者跌落幅度）和不脱网连续运行时间等具体数据指标上存在差异。风电机组并网规范以及国家、行业标准也会随着行业发展不断更新。
根据GB／T 36995—2018《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》可知，我国目前现行的电压穿越曲线如图5－1所示，点画线、实线分别是低电压、高电压穿越曲线。当风电场并网点电压在90%～110%范围内时，风电机组连续不脱网运行。当电压跌落幅度为0.8 p.u.时，机组至少不脱网连续运行0.625 s。当电压骤升幅度为0.3 p.u.时，机组至少不脱网连续运行0.5 s。当电压骤升幅度为0.2 p.u.时，机组至少不脱网连续运行10 s。当风电机组并网点电压时间变化曲线处于高低电压穿越曲线之间区域时，电网要求机组不脱网连续运行。当风电机组并网点电压时间变化曲线处于高电压穿越曲线之上或者低电压穿越曲线之下区域时，电网允许机组从电网切出。
图5-1 我国风电场电压故障穿越曲线
电网电压发生故障（骤升或者跌落）会对风电机组的运行造成不利影响，表现在风电机组的电气功率发生扰动，机械功率与电气功率不平衡可能损坏机械部件。电压故障会引发机组的一系列暂态过程，例如过电压和过电流现象，会损坏电气部件，影响机组的安全稳定运行。目前市场上主流的风电机组是双馈风力发电机组和永磁直驱风力发电机组。由于双馈风电机组定子绕组与转子绕组之间存在紧密磁耦合，电压故障会引发磁链暂态过程，同时背靠背变换器容量有限，因此，电网故障对双馈风电机组影响较为严重。相比于永磁直驱型风电机组，双馈风电机组的电压故障穿越方案的设计存在较大的挑战［5－8］。
1.风力发电机的低电压穿越
上述的低电压穿越能力［9］，指当电网发生故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围内，要求风电机组能够不间断并网运行，甚至向电网提供一定的无功支持，直到电网恢复［10］。对于开发风电的国家（地区）而言，它们在电网配置、风电占发电总量比重、基于风电的电网调度要求，以及电力市场引入机制等方面都存在或大或小的差异，因此，只能根据自身的实际情况对大型风电场制定相应的并网技术规范［11－15］，而不能形成统一的国际并网标准。由此可见，不同的开发风电的国家（地区），其风电场低电压穿越的具体要求亦不同。
2006年德国E.ON公司制定的针对（超）高压输电网技术规范中，最先提出了风电场并网的LVRT技术规范，其他风电国家（地区）也随之产生了规范风电场并网的类似标准。2009年，中国电力科学研究院与丹麦合作，制定了国内风电场并网LVRT技术规范（试行）；2011年12月30日，以中国电力科学研究院为主要起草单位，正式颁布了《风电场接入电力系统技术规定》［16］国家标准，并于2012年6月1日开始正式实施。这一国家标准对并网风电场的LVRT能力给出了硬性的详细规定。图5－2所示为各个国家（地区）的LVRT标准曲线。我国的LVRT标准曲线要求是，当风电机组并网点电压跌落至额定值的20%时，机组可以维持并网运行625 ms［17］；如果跌落发生2 s内，电压能逐步恢复到额定值的90%，风电机组需保持并网状态下，实现低电压穿越［18］。不同的LVRT标准限定了不同的最低穿越电压、穿越时长及电压恢复率。德国及英国的最低穿越电压限定较严格，要求风电机组能够实现一定时长的零电压穿越；西班牙对穿越时长要求较高，允许的机端低电压最长达15 s。从穿越面积和最低穿越电压两个方面对图5－2所示LVRT标准曲线的特性进行排序，图5－3所示为排序的结果，穿越难度由下到上递增。
图5-2 各个国家（地区）的LVRT标准曲线
图5-3 各国LVRT标准曲线要求比较
（a）电压跌落面积；（b）允许最低电压跌落程度
正如Piwko［19］所指出的，LVRT标准曲线并不可能与某次故障所导致的电压跌落曲线相对应，它应该理解为风电机组应该能够适应的一系列故障的集合。各个国家（地区）需要综合电网配置、风电比例、调度规程等多方因素，才能确定合适的LVRT标准曲线。
2.风力发电机的高电压穿越
电网的高电压故障往往是由大量无功负荷突然切出造成的，尤其是在电网短路容量较小的情况下。受风能资源和社会环境等因素影响，风电场一般位于人烟稀少的偏远地区。偏远地区网架结构脆弱，短路容量小，因此，形成风电场接入弱电网的局面。同时，长距离传输、高压直流输电等各种因素结合在一起，也会给风电场的友好并网带来挑战。例如，当直流输电出现故障闭锁时，在直流输电故障点附近的风电场并网点电压会出现暂态尖峰，风电场必须对这种电网暂态现象具有良好的适应性。当风电场并网点与远端主干电网之间的等效电网阻抗较小，风电场在额定功率运行时，并网点的电压幅值及相位均接近于远端主干电网，这时风电场处于稳定运行状态；当风电场并网点与远端主干电网之间的等效电网阻抗较大时，就会带来电压不稳定、频率不稳定、次同步振荡和谐波谐振等多种问题，严重时会导致风电机组等设备的故障损坏，甚至危害局域电网的安全稳定运行。
短路容量比（Short Circuit Ratio，SCR）是并网点电网强弱的重要指标，该值越小电网越弱，并网稳定越困难。随着新能源接入电力系统的比例增加，SCR不断降低。风电机组的出力随风速波动，向电网输送的有功功率具有波动性和随机性，因此，有功功率在等效电网阻抗上传递时会造成电压波动，为了维持风电场并网点电压的稳定，风电场需要具备无功补偿的能力。风电场输送功率的等值阻抗拓扑结构如图5－4所示，等效电网阻抗用电阻和电感串联表示，功率输送方向在图中已标出。假定主干网电压保持不变，推导风电场输送的有功和无功功率如何影响风电场并网点的电压。
图5-4 风电场输送功率的等值阻抗拓扑结构
其中，
为风电场并网点线电压有效值相量，
为主干网线电压有效值相量，R＋j X为传输线的阻抗，P＋j Q为风电场输出的有功和无功功率。推导过程如下：
则并网点电压幅值满足
由式（5－4）可知，并网点电压幅值存在两个值，按照幅值大小关系分别记为上限电压值和下限电压值。上限电压值是稳定的，下限电压值是不稳定的，需舍去下限电压值。
上限电压满足
下限电压满足
根据上述表达式，可获取风电场并网点电压与风电场输送的有功、无功功率之间的关系曲线。并网点电压中上限电压值与主干网电压值接近，下限电压值远低于主干网电压值。当输电线路输送的有功和无功功率在某一范围内时，才能保证并网点电压上限电压值的稳定，否则存在电压崩溃问题。
以并网点电压为基准，并网点电压与输送有功、无功功率的关系如下：
针对高压传输线路R≪X，可以忽略等效电网阻抗中电阻作用，则风电场并网点线电压与主干网线电压之间的相角差主要决定有功功率，二者之间的幅值差主要决定无功功率。当忽略j分量，式（5－7）简化为
并网点电压取上限电压值，表达式如下：
将式（5－10）在输送无功功率为零的平衡点处进行局部线性化处理：
当输送无功功率较小时，并网点电压的简化表达式如下：
式中，
为输电线路的短路容量。
从上述推导过程可知，风电场的并网点电压受风电场输出有功和无功功率的影响，风电场调节无功功率可以补偿并网点电压的变化，维持并网点电压恒定。相比于无功功率，风电场输出有功功率对并网点电压影响相对较小。在并网点电压发生扰动时，风电机组输出无功功率进行调节，风电场如果向电网注入无功功率，可以提高并网点电压，如果从电网吸收无功功率，可以降低并网点电压。由于风电机组的容量有限，机组无功功率输送增加，相应的有功功率输出减少，这一特性有利于维持并网点电压的恒定。上述分析结果也表明，输电线路可输送的有功功率和无功功率必须在某一范围内，才能维持并网点电压的稳定，如果无功功率和有功功率超出稳定区间，则电压不稳定，会引发电网事故。
电力系统是一个发电、用电实时平衡的系统，风电场并网点电压并不是时刻维持恒定的，会随潮流分布和系统运行情况变化而波动。风电场并网点电压可能由电网侧潮流分布导致骤升，电网电压的骤升程度超过风电机组正常电压运行范围，会对风电机组的安全运行产生影响。另外，风电场并网点电压骤升也可能由风电场内部无功调节导致，当风电场中无功调节设备的响应动作不及时或者响应有误都会诱发并网点电压骤升。实际案例表明，当电网电压发生短路故障时，引起并网点电压跌落，若风电场中并联电容器等无功补偿设备协调控制能力不足、响应速度不足，导致电网电压恢复后系统无功过剩，会出现高电压现象。风电场内电气设备安装施工质量不足、运行能力不足也会造成电压的波动，影响机组的安全运行。由于故障检测或者故障切除都需要时间，电气设备响应存在滞后问题。因此，风电场并网点电压出现高电压故障是大概率事件，如果系统无功功率调节不足会造成高电压现象长时间存在。因此，风电机组等电气设备需要承受一定范围且持续一定时间的高电压故障，具备高电压穿越能力，并在故障期间参与无功调节，支撑并网点电压恢复。
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