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并网准则要求下的风电场设计和分析方法


第 32 卷第 2 期 2011 年 4 月

电力与能源

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并网准则要求下的风电场设计和分析方法
占艳琴, 李毅山, ZH AO Patrick
( 维斯塔斯技术 研究中心, 新加坡 摘 138632) 要: 随着风力发电比重的增加, 电网对风电场并网的技 术要求也 越来越严格。为 了确保

规 划的风电场 满

足电网的并网技术准则, 并网运行风电场的方案 必须根据并网技术准则的要求进行设计。对风电场并网准则 的技术内容进行了分析, 介绍了维斯塔斯公司根 据并网准则进行风电场方案设计的方法。这些方法包括根据 并网准则要求设计主回路; 计算短路电流, 检验方案的短路容量是否满足要求; 通过潮流计算确定并网准则对 无功补偿设备的容量要求; 分析风电场在电网电 压下降时的暂态行 为, 判 断并网准 则中的低电 压穿越要 求对 方案的影响; 给出了当规划的风电场不符合并网 准则时应采取的解 决措施, 如采用 无功补偿及 相应的补 偿设 备和补偿量。文章最后给出了相应的算例分析。 关键词: 风电场; 并网准则; 低电压穿越; 无功补偿 中图分类号: T M 614 文献标志码: A 文章 编号: 2095- 1256( 2011) 02- 0153- 05

Assessment of Grid Code Requirements for Wind Power Plant
ZH A N Yanqi n, L I Yi shan, ZH A O Patr ick
( Vestas T echno log y R & D, 138632, Singapor e) Abstract: Gr id code r equir ements o n w ind power plant are beco ming mor e str ingent as the w ind pow er penetra tion lev el incr eases. T o ensur e that a w ind pow er plant meets the g rid code requirement s, the wind pow er plant must be desig ned acco rding to the r equirements o f the gr id codes. T his paper analyzes the gr id codes in general and then intr oduces the g rid code study methods emplo yed in V estas. T hese methods include w ind pow er plant main circuit design; calculat ion of sho rt circuit cur rent s, v alidatio n of the sho rt circuit capacity o f the equip ment; co mputatio n o f the steady state r eact ive po wer requir ements; analy sis o f the w ind po wer plant s low voltage r ide throug h capability. T he paper concludes w ith a det ailed case study of such methods. Key words: w ind po wer plant ; g rid code; low voltage r ide throug h ( L VRT ) ; reactiv e po wer co mpensation

近年来风力发电快速发展, 风电容量所占比 重越来越大, 电网对并网运行的风电场的控制如 有功出力、 无功容量的范围及电压调节等要求的 难度也越大。为了保证风电持续增长的同时不影 响电力系统的可靠性和安全性, 一些国家已经开 始制定了风电场并网准则技术要求。维斯塔斯公 司作为全球风能行业的领先企业, 为了保证其规 划的风电场能满足电网的并网准则技术要求, 建 立了一套严格的风电场并网准则的分析方法。本 文将对此方法进行详细的介绍, 并给出相应的算 例分析。

性和安全性。风电场的并网准则通常包括电压和 频率的运行范围、 无功水平和电能质量等, 以及在 电网受到扰动时对风机的动态行为( 如低电压穿 越) 的技术要求 [ 1 3] 。 ( 1) 频率和电压运行范围 风机必须能连续 地运行在电网的正常电压和频率范围内, 当电网 的电压或频率短时间偏离正常运行范围时, 风机 也必须能保持运行。 ( 2) 无功功率控制和电压调节 对于传统能 源的电网, 运行人员可通过调节发电机的出力或 无功补偿设备的容量范围来控制系统的电压。对 于新能源如风能并网, 电网也提出了类似的无功 功率控制 要求, 通常 要求风 电场在 电网 接入点 ( PCC 点) 的功率因数在一定的范围内; 为了应对 系统的电压波动, 有的并网准则还要求风电场配 备动态无功补偿设备。

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并网准则
风电并网准则是指风电场接入电网时所必须

遵循的技术规范, 制定该技术规范主要是为了保 证风电特别是大规模风电并入后电网运行的可靠

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( 3) 电能质量 由于风的间歇性和随机性风 机的运行不稳定, 导致风力发电发生闪变或者电 压波动等问题。风机 中使用的变流 器会产生谐 波, 可能会导致风电场中的电感和电网相互作用 而产生谐振的现象。因此风力发电的并网运行可 能影响电网供电的质量, 大部分的并网准则要求 风电场必须要将电压波动, 闪变以及谐波分量控 制在规定的范围之内。 ( 4) 故障穿越 过去小容量的风电场并网运 行, 当系统发生故障时, 为了确保安全一般会将风 电场从电网中解列出来。但是随着风机容量的增 大, 系统发生故障时一旦将风电场解列可能导致 失稳, 因此新的并网准则要求当系统出现故障时, 要求风电场必须要能继续运行一段时间, 并且当 系统电压恢复时要求风电场的有功和无功出力必 须能迅速恢复到系统故障前的水平。有些并网准 则还要求当系统故障时, 风场能提供无功功率以 帮助系统迅速恢复电压水平。 ( 5) 有功功率和频率控制 并网准则要求风 电场要有能力将有功出力调节至系统调度要求的 水平。和传统发电厂的调频功能类似, 风机还应 该有能力根据电网的频率变化调整有功出力。 并网准则对并网运行的风电机组技术性能有 一定的要求, 不过考虑到目前风机设备厂家的实 际制造能力, 过分严格的准则可能限制现有风机 设备的并网运行, 不利于风电的发展, 因此各个国 家或地区应根据自己的电网实际情况制定合适的 并网准则。 2. 2
图1 风电场的并网准则研究过程

主回路的设计 在对一个风电场进行并网准则分析之前需要

了解该项目的基本数据, 包括风电场的地理位置、 风机类型以及每个风机的具体位置等, 同时还需 要弄清该风电场所连接电网有关的技术条件, 如 PCC 点的短路水平, 并网准则的具体要求等。在 获得必要的数据之后, 首先要进行的是风电场的 主回路设计, 即电气设计。电气设计第一步是确 定连接风机的电缆的走线布置, 根据每个风机的 地理位置和环境条件决定风机之间的电气连接路 线以及风电场和电网间的连接方式。风电场内的 电气回路一般由多回路辐射性的地下电缆馈线构 成, 每回馈线最多连接 10 台风机, 但在某些情况 下馈线也有采用网状连接的, 每条电缆都安装有 一个断路器, 当风电场内出现故障时这种连接方 式可以迅速改变风电场的结构, 减少切机量。 当风机的位置和电缆的连接走向确定后, 就 可以计算电缆的长度, 然后根据风机的容量以及 电缆的接线方式估计每条电缆的最大负荷和进行 电缆选型, 并通过优化减少风电场运行时的电缆 功率损耗。确定了电缆的走向和类型后, 可以决 定风电场连接至电网的变压器的数目和容量。通 常, 风电场的电压等级较低, 必须通过升压变压器 才能连接至电网, 为了适应电网电压的变化变压 器一般采用有载调压型。但是在某些情况下, 风 电场和电网之间不采用变压器 在这种情况下电 网侧电压的变动就会直接影响到风电场, 应当特

2

风电场并网准则的分析
在风电场的规划阶段, 即当风电场的地理条

件、 风机的位置和风机的参数确定后, 就应当评估 风电场的设计方案是否满足并网准则, 如果该方 案的风电场不满足并网准则就必须分析会给电网 得运行带来产生哪些影响, 以及风电场满足并网 的技术要求应当采取的措施, 因此并网准则的分 析对风电场项目方案的确定非常重要。 2. 1 并网准则分析的内容和程序 目前维斯塔斯公司对风电场的并网准则分析 方法可以分为主回路设计、 短路电流研究、 潮流计 算、 保护整定和低电压穿越分析 5 个部分, 分析的 内容与程序见图 1。图中, 右侧的菱形方块的内 容是每部分经过分析后的输出结果。

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别加以注意。 当变压器的数目和容量确定后, 风电场的主 接线图也就确定了。 2. 3 短路电流的计算 在获得风电场的主接线图后, 维斯塔斯公司

2. 6

暂态分析 风电场并网运行的很多并网准则, 要求根据

具体的电网条件规定相应的低电压穿越曲线, 要 求在电网电压降低时 风电场仍然能 连接在电网 上, 暂态分析就是为了检验风电场在电网电压下 降时的行 为。维 斯塔 斯公 司的 暂 态分 析, 利用 PSCAD 软件把电网的电压控制得与并网准则所 规定的低电压穿越曲线一致, 包括电网电压下降 的过程以及电网故障切除后电压的恢复过程。在 暂态分析过程中要求监控风机的端口电压, 如果 发现端口电压始终高于风机自身的能力曲线, 那 么就表示在整个低电压穿越的过程中风机能正常 连接在电网上, 相反如果风机的电压低于能力曲 线, 那么风机自身的保护会动作并脱离电网, 在这 种情况下可以采用无功补偿设备以改善风机端口 的电压水平。ST ACOM 能够在系统故障时快速 地反应, 因此被广泛地应用为控制风电场暂态行 为的无功补偿设备。

采用 Dig SIL ENT P ow erF act ory 软件对风电场的 短路电流进行计算, 根据 IEC60909 标准计算风 电场的最大三相短路电流和最大单相接地短路电 流[ 4] 。其中最大短路电流考虑了电网和风电场的 共同作用, 通过软件的计算, 可以确定每条电缆通 过的最大短路电流, 如果发现根据计算结果所选 的电缆的短路容量小于计算值, 则应换成容量较 大的电缆, 最大短路电流计算还可用于风电场的 断路器的选型。为了给保护整定时过流继电器进 行选型 , 除了计算最大短路电流外还要计算最小 短路电流, 这种计算只考虑来自于电网部分的短 路电流。 2. 4 潮流计算 和传统发电厂类似, 正常运行时风电场也需

把 PCC 点的功率因数或无功功率维持在一定范 围内。潮流计算将检验并网准则所要求的稳态无 功功率范围是否得到满足。为了满足电网在不同 运行条件下的无功功率要求, 维斯塔斯的并网准 则分析考虑了一系列的潮流计算, 包括 PCC 点的 电压变化、 无功容量的要求以及风电场的有功出 力的变化, 并采用集中无功控制点来设置每个风 机以及补偿设备的无功出力。此外, 在不同的电 压条件下调节风电场升压变压器的分接头, 可以 帮助维持风电场的电压水平。通过潮流计算还可 以确定并网准则对无功补偿设备的容量要求, 分 析风电场的有功损耗和能量消耗。 维斯塔斯的潮流计 算也采用 P ow erF act ory 软件, 风电场不同有功出力下 P CC 点的无功功率 可用 P Q 图来表示, 该图是在不同有功调度方式 下运行所获得的, 为了反映无功补偿设备的作用, PQ 图通常包含了配备和没有配备无功补偿设备 的情况。 2. 5 保护整定 风电场保护的目的, 是为了快速发现和切除 故障, 并将故障的影响限制在最小的范围, 保护所 作的整定包括过流保护、 相间短路和对地短路的 继电设备的定值整定和配合, 以及母线电压和频 率的保护以及变压器差动保护等。

3

算例分析
为了说明维斯塔斯公司根据并网准则设计风

电场及确定在稳态和暂态条件下所需的无功补偿 容量的方法, 以下给出一个具体的算例。 3. 1 风场概况 风电场的容量为 50 MW, 与风电场相连的电

网的信息以及并网准则要求如表 1 所示, 低电压 穿越要求参见图 2。
表 1 电网和风电场 参数及并网准则要求
P CC 点 电压 频率 P CC 点 短路容量 P CC 点 无功控制 风机 数量和容量 风机 类型 风电 场电压 132 kV, 持续运行 范围: 0. 9 ~ 1. 1 p. u. 50 H z 最大 : 25 000 MVA 最小: 500 M VA 功率 因数运行范围 为: 0. 95 超 前和 0. 95 滞后 25 台, 每台容量 为 2 M W 双馈 感应电机 22 kV

图2

并网准则关于低电压穿越的要求

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风电场的出力通过 4 条辐射型的地下电缆馈 线连接至 22 kV 的母线送出, 每条馈线最多有 7 台风机; 风电场再通过一台 22/ 132 kV 的变压器 升压至 132 kV, 然后通过 1 条 20 km 长的架空线 连接至 PCC 点。根据风电场的电缆连接方式可 以估计每条电缆的最大负荷, 从而选择电缆类型 为 3 芯 XL PE 电缆, 短路电流计算表明所选电缆 能够承受风电场的最大短路电流。 考虑到对风电场的有功容量和功率因数的要 求, 采用两绕组容量为 63 MVA 的 YNd11 型作为 主变压器, 其 132 kV 侧采用 Y 型接线、 中性点接 地, 22 kV 侧采用三角形接线; 变压器装有分接头, 调节范围为- 8 到+ 8( 每个分接头的电压变化率 为 1. 25% ) 。另外, 主变压器的低电压侧装了一台 Z 型接地变压器, 可将对地电流限制在 1 200 A 之内。 3. 2 潮流计算 根据风电场的接线可在 P ow er Fact or y 中建

在所有运 行工况 中, 最大电 缆载荷 始终 发生在 C38 号电缆, 最高电压在 44 号风机出口, 而最小 电压可能是 22 kV 母线或 32 号风机, 具体取决于 运行条件。 通过在不同风机出力水平下计算潮流得出的 PQ 图如图 3。其中图 3( a) 为没有无功补偿设备 时 PCC 点的功率情况, 该图清楚地表明, 当风机 出力 大 时风 电场 不 能满 足 并网 准 则所 要 求的 0 95 的 容 性 功 率 因 数 要 求, 但 在 加 装 了 一 套 20 MVA的容性补偿设备之后, 该功率因数要求 则能满足, 见图 3( b) 。

立潮流计算的模型, 在潮流的计算中电网在 PCC 点的电压波动范围为 0. 9~ 1. 1 p. u. , P CC 点的 功率因数范围从 0. 95 超前到 0. 95 滞后, 同时考 虑主变压器的分接头的调节范围。潮流计算假设 风电场的风机的有功出力为额定值, 无功出力以 及无功补偿设备的容量由一个集中的无功容量控 制器确定。由于风机的无功出力有限, 为了满足 并网准则关于 P CC 点的功率因数范围要求, 可能 需要在变压器的 22 kV 侧安装无功补偿设备。 表 3 为潮流计算的结果, 包括风电场中的电 缆载荷以及节点电压的校验。根据风机正常运行 的要求, 风电场中的节点电压应在 0. 9~ 1. 1 p. u 之间。表 3 还给出了为了满足每种运行条件下的 功率因数的要求而所需的无功补偿设备的容量。 根据计算结果, 最小的 补偿容量 为 21. 65 M VA 的容性功率, 其对应的电压为 1 p. u. 的无功设备 额定容量为 20 M VA; 而感性补偿设备则不需要。
运行 工况 A B C D E F G PCC 点 电压( p. u. ) 1 1 1 0. 9 0. 9 1. 1 1. 1 PC 点 功率因数 1 0. 95( 容性) 0. 95 感性) 0. 95( 容性) 0. 95( 感性) 0. 95( 容性) 0. 95( 感性) 无功补偿 容量/ M V A 0 20. 26 0 19. 68 0 21. 65 0 图3 风电场接入点处出力曲线

3. 3

暂态分析 风电 场 低电 压 穿 越 的 暂 态 过程 可 以 采 用

PSCAD 软件进行仿真分析, 仿真模型包括了风机 的叶片、 传动装置和双馈电机, 以及风机中的控制 器、 保护系统和测量设备; 仿真中的电缆采用 模 型。仿真根据图 2 的电压曲线控制 P CC 点的电 压, 该曲线包括了电网电压下降和恢复的过程。 仿真过程中观察每台风机的端电压, 如果发 现其中某台风机的端电压降至能力曲线之下不能

表 2 潮流计算结 果
电缆最大 载荷/ % C38: 81. 40 C38: 81. 25 C38: 84. 85 C38: 82. 47 C38: 85. 82 C38: 78. 65 C38: 84. 05 节点最高 电压( p. u. ) 44 号风机: 1. 050 44 号风机: 1. 045 44 号风机: 1. 004 44 号风机: 1. 032 44 号风机: 0. 992 44 号风机: 1. 074 44 号风机: 1. 022 节点最低 电压( p. u. ) 22 k V 母线: 1. 000 22 k V 母线: 1. 000 32 号风机: 0. 983 22 k V 母线: 0. 992 32 号风机: 0. 970 22 k V 母线: 1. 040 32 号风机: 0. 993

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满足并网准则中的低电压穿越要求, 就必须采用 无功补偿设备以提高风机的端电压水平。图 4 给 出了 26 号、 号以及 28 号风机 的端口电压, 从 27 该图可知在 4. 2 s 时, 3 台风机的端电压都低于其 能力曲线, 因此不满足风机正常运行的要求。图 5 给出了 P CC 点测得的有功和无功大 小。该图 显示当电网电压降低后, PCC 点的有功不能恢复 到故障前的水平。这表明有些风机在电网电压降 低时被切除了。 图 4 和图 5 都表明该风电场需要有无功补偿 设备以帮助其实现低电压穿越。
图 7 接入点处功率 ( 有无功补偿装置)

机被切除。 表 3 概括了仿真结果, 根据以上计算和分析 结果, 当 安装 了 10 M VA ST ACOM + 10 M VA 电容器的无功补偿设备后, 该风电场能满足并网 准则的技术要求。
表 3 并网准 则的仿真结果
并网准则要求 PQ 能力 电压范围 低电压穿越 计算结果 满足 满足 满足 无功补偿设备要求 20 M V A 容性设备 不需要 10 M V A S TA CO M

图4

风机定子端电压 ( 没有无功补偿装置)

4

结语
本文给出了维斯塔斯公司关于风电场并网准

则技术要求的分析计算过程。首先介绍了并网准 则的要求, 接着阐述了维斯塔斯公司规划风电场 时在并网准则方面的研究工作, 最后结合具体算 例对该并网准则研究进行了计算分析论证。结果 表明该并网准则研究能有效地评估规划的风电场
图 5 接入点处功率 ( 没有无功补偿装置)

是否能满足电网的并网准则, 对于不满足的情况 也给出了有效的解决方案。
参考文献:
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图 6 和 图 7 给出了风 电场装有 10 MVA 的 STACOM 无功补偿设备( 接在主变压器的低压侧) 的仿真结果, 图 6 表明三台风机( 即 26 号、 号和 27 28 号风机) 的端电压都高于风机自身的能力曲线, 因此这三台风机在电网低电压时仍能并网运行。

图6

风机定子端电压 ( 有无功补偿装置)

图 7 表示 PCC 点的有功水平恢复到了电网 故障前的出力水平, 表明仿真过程中没有一台风

收稿日期 : 2011 01 15 ( 编辑: 吴国梁)


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