风电场电压无功协调控制及低电压穿越问题探究

风电场电压无功协调控制及低电压穿越问题探究

宋贵红

关键词：风电场；电压无功协调控制；低电压穿越

1引言

在全球能源危机和环境恶化不断加剧的形势下，我国在进行能源结构调整、开发风能、水能等可再生清洁型能源的同时，也提出了在各个行业进行节能减排的号召。而对于风电企业来说，目前风电场建设的规模、数量和装机容量在不断增加，且风力发电技术的技术含量较高，风力发电技术在快速发展的同时，也暴露出许多由于缺少低电压穿越能力而引起的脱网事故等影响其运行稳定性的问题，严重影响着风电场并网发电的稳定性和供电服务质量，所以风电场运行的安全性和稳定性成为电力行业对风电场关注的重点，本文主要对风电场电压无功协调控制与低电压穿越问题进行研究，以期提高风电场并网运行的安全与稳定。

2风力发电系统概述

近年来，尤其是进入本世纪以来，风力发电逐渐成为世界诸多国家的可持续发展战略的重要组成部分，尤其是近几年以来，全球风电产业飞速增长，以欧洲各国以及美国等发达国家为例，其风电发展已经成为重要的战略目标，风电装机容量以及单机容量都呈增加趋势。而我国的风能资源极其丰富，进入本世纪以来风电装机容量每年都以超过100%的增长速度飞速增长，目前已经成为累积和新增风电装机容量和单机容量最多的国家。总结其发展情况具有以下特点：一是风电企业的整体规模在不断扩大，而且在所有的发电形式中所占的份额在不断增长；二是风电装机单机容量呈递增趋势；三是以我国为例，我国的风力发电行业正在向着商业化和稳定化方向发展，并且由于海风具有稳定性高、抗干扰性强、风能储量大等优点逐渐成为风电开发的热点；四是风电开发的成本较高，但是目前随着风力发电技术的发展而逐渐降低，而且其风力发电企业的运营成本较其他发电形式要低很多。

但是在风电场的运行过程中，由于电网失压或风电自身中存在的低电压穿越、无功补偿和变流器故障等问题，容易导致风电场在并网运行中出现脱网事故，所以为了确保其运行的稳定性，通常采用桨距失速调节技术、主动失速调节技术、变桨距调节技术和变速恒频技术等对风电机组进行控制，但是由于其并网结构较为薄弱且自动控制技术较低，容易出现风电机组由于缺乏低电压保护而出现各类事故的问题，所以需要对风电场的电压无功协调控制和低电压穿越能力进行研究。

3电网电压控制要求和低电压穿越的意义

为了提高风力发电在电网中的渗透率并同时确保风力发电供电的连续性和安全性，相关规范在功率的可控性、电能质量和在电压骤降情况下风力发电机组通过对电网进行无功功率支撑进而实现的故障穿越能力，电压稳定时，运行条件保持不变，向系统中的任一节点注入无功功率，节点的电压幅值随着所注入的无功功率的增加而变大。反之，若有一个节点的电压幅值在无功功率增加时变小，则可以判定系统不稳定。所以，若所有节点的电压无功灵敏度都是正的，则电压稳定；若有一个节点的电压无功灵敏度是负的，可判定系统不稳定。

风电场的低电压穿越能力，通常是指风电场能顺利度过电压跌落时间的能力。它要求在电网发生不平衡短路故障或三相短路故障时，在规定的故障清除时间内，风电并网系统能保持暂态稳定，能够不切除机组、保持并网运行的能力。理想情况下，它是指能向电网提供无功功率帮助系统恢复电压的能力。电网大扰动事故后，系统电压可能会出现大幅度的跌落。当有风电场接入电网时，不仅要求以最快的速度恢复风电场并网点的电压，并且希望风电场能对电网提供无功支持，以缩小故障恢复的时间，避免更严重的后果发生。大规模风电场的低电压穿越能力有利于系统平衡有功，以及提高局部地区的无功电压支撑能力。

4风电场电压无功协调控制及低电压穿越能力

4.1风电场特性

风电场由于其结构和发电原理与传统的火力发电以及新型的水力和光伏发电等有着较大的差异，所以表现出一定的特殊性，主要表现为风电机组的结构较为复杂，且由于风电场通常建立在西北风能资源较为丰富的地区，所以需要较长的电力输送线路，此外，风电机组的总装机容量通常较大，这样才能满足风电场并网的要求，而且为了确保其并网的稳定性，需要对其无功补偿配置、无功补偿协调等问题进行分析和研究，通过最优协调控制策略确保其运行的安全与稳定。

4.2风电场无功功率需求

风电机组在运行过程中与其他传统的发电形式最大的不同就是由于风能具有随机性和不可控性，而导致风电机组的电能输出也具有显著的随机性、波动性和不稳定性，正是由于风电机组的这一特性，所以导致其在并网发电过程中容易出现电压波动和闪变等问题的发生。所以我国的发电行业对风电场提出了更高的要求，要求其在正常运行状态下能够具有较高的无功控制能力，而且在系统发生故障时，具有较高的穿越能力。根据风电机组的构造可知，其无功功率需求主要有风机、输电线路和变压器等组成，从目前主要的发电机组形式来说，对于恒频发电机组的无功特性，其不仅不能满足无功功率补偿要求，甚至会出现严重故障影响电能质量；而对于变速恒频风电机组，虽然其拥有一定的电压控制能力，但是却具有较低的无功补偿能力，所以在并网时也会对电压造成不利的影响。综上所述，产生以上问题的主要原因就是缺少无功补偿，所以可以通过采用新型风机等无功电源配置来进行网架建设和无功储备。

4.3风电场电压无功协调控制

目前在风电场中主要应用的发电机有永磁驱动风力发电机和双馈异步风力发电机两种，而且这两种发电机都可以实现在一定范围内对有功和无功功率的输出，且对前者来说，主要是通过变流器瞬间功率平衡理论进行控制，而对后者则是通过变流器SVPWM控制技术进行控制。正是由于风电场在出现故障时会出现电压跌落的现象，所以此时风力发电机会经历电压跌落后的低压运行阶段，以及从低电压运行到恢复正常的运行阶段，为了研究其电压运动的特点以采取控制措施发挥其无功支撑能力，需要进行相应的仿真试验分析。通过试验之后来确定对风电场无功整定和分配的方案，还要优化其风力发电机和风电场间无功协调控制方法，即电压分层控制方法，从而确保风电系统电压的稳定性。

4.4测试结果

在对风力发电机组在低电压运行时测试时，采用的是移动式的低电压穿越设备，通过试验可以得出，在电压跌落的过程中，风机在提供了必要的无功支撑的情况下，可以满足并网发电的基本要求，确保机组和电网系统的稳定运行，而且对于直驱风力发电机，可以采用变流器瞬间功率平衡控制策略来提高其低电压穿越能力；而对于双馈异步发电机，其采用的变流器SVPWM控制策略也能有效提高其故障穿越适应能力。所以证明了分电厂电压无功协调控制策略具有显著的控制效果。

5结语

在目前风电场的运行中由于缺少低电压穿越能力和没有有效的电压无功协调控制策略而容易出现脱网等事故，所以在对风电场的特性进行分析的基础上，研究风电场的无功功率需求，针对永磁驱动风力发电机和双馈异步风力发电机的两种电压无功协调控制策略，通过试验证明其有效性，未来，通过相关研究的深入，风电场并网运行的稳定性会进一步提高，确保我国电网运行的稳定与安全。

参考文献：

[1]边晓燕,王本利,陈建平,等.改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制改善风电场低电压穿越能力[J].电力系统保护与控制,2016,44(1):9-16.