基于并網(wǎng)準(zhǔn)則的風(fēng)電場(chǎng)方案設(shè)計(jì)

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展，風(fēng)電容量占主導(dǎo)地位。越來(lái)越多的權(quán)利和義務(wù)在電網(wǎng)上的風(fēng)電站控制系統(tǒng)中變得困難。為了保證風(fēng)電持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)不影響電力系統(tǒng)的可靠性和安全性,一些國(guó)家已經(jīng)開始制定了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)準(zhǔn)則技術(shù)要求。維斯塔斯公司作為全球風(fēng)能行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè),為了保證其規(guī)劃的風(fēng)電場(chǎng)能滿足電網(wǎng)的并網(wǎng)準(zhǔn)則技術(shù)要求,建立了一套嚴(yán)格的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)準(zhǔn)則的分析方法。本文將對(duì)此方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹,并給出相應(yīng)的算例分析。1風(fēng)電場(chǎng)和用電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)控制風(fēng)電并網(wǎng)準(zhǔn)則是指風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)時(shí)所必須遵循的技術(shù)規(guī)范,制定該技術(shù)規(guī)范主要是為了保證風(fēng)電特別是大規(guī)模風(fēng)電并入后電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性。風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)準(zhǔn)則通常包括電壓和頻率的運(yùn)行范圍、無(wú)功水平和電能質(zhì)量等,以及在電網(wǎng)受到擾動(dòng)時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)行為(如低電壓穿越)的技術(shù)要求(1)頻率和電壓運(yùn)行范圍風(fēng)機(jī)必須能連續(xù)地運(yùn)行在電網(wǎng)的正常電壓和頻率范圍內(nèi),當(dāng)電網(wǎng)的電壓或頻率短時(shí)間偏離正常運(yùn)行范圍時(shí),風(fēng)機(jī)也必須能保持運(yùn)行。(2)無(wú)功功率控制和電壓調(diào)節(jié)對(duì)于傳統(tǒng)能源的電網(wǎng),運(yùn)行人員可通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的出力或無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量范圍來(lái)控制系統(tǒng)的電壓。對(duì)于新能源如風(fēng)能并網(wǎng),電網(wǎng)也提出了類似的無(wú)功功率控制要求,通常要求風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)接入點(diǎn)(PCC點(diǎn))的功率因數(shù)在一定的范圍內(nèi);為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的電壓波動(dòng),有的并網(wǎng)準(zhǔn)則還要求風(fēng)電場(chǎng)配備動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(3)電能質(zhì)量由于風(fēng)的間歇性和隨機(jī)性風(fēng)機(jī)的運(yùn)行不穩(wěn)定,導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電發(fā)生閃變或者電壓波動(dòng)等問(wèn)題。風(fēng)機(jī)中使用的變流器會(huì)產(chǎn)生諧波,可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)中的電感和電網(wǎng)相互作用而產(chǎn)生諧振的現(xiàn)象。因此風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行可能影響電網(wǎng)供電的質(zhì)量,大部分的并網(wǎng)準(zhǔn)則要求風(fēng)電場(chǎng)必須要將電壓波動(dòng),閃變以及諧波分量控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。(4)故障穿越過(guò)去小容量的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),為了確保安全一般會(huì)將風(fēng)電場(chǎng)從電網(wǎng)中解列出來(lái)。但是隨著風(fēng)機(jī)容量的增大,系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)一旦將風(fēng)電場(chǎng)解列可能導(dǎo)致失穩(wěn),因此新的并網(wǎng)準(zhǔn)則要求當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),要求風(fēng)電場(chǎng)必須要能繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間,并且當(dāng)系統(tǒng)電壓恢復(fù)時(shí)要求風(fēng)電場(chǎng)的有功和無(wú)功出力必須能迅速恢復(fù)到系統(tǒng)故障前的水平。有些并網(wǎng)準(zhǔn)則還要求當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí),風(fēng)場(chǎng)能提供無(wú)功功率以幫助系統(tǒng)迅速恢復(fù)電壓水平。(5)有功功率和頻率控制并網(wǎng)準(zhǔn)則要求風(fēng)電場(chǎng)要有能力將有功出力調(diào)節(jié)至系統(tǒng)調(diào)度要求的水平。和傳統(tǒng)發(fā)電廠的調(diào)頻功能類似,風(fēng)機(jī)還應(yīng)該有能力根據(jù)電網(wǎng)的頻率變化調(diào)整有功出力。并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)性能有一定的要求,不過(guò)考慮到目前風(fēng)機(jī)設(shè)備廠家的實(shí)際制造能力,過(guò)分嚴(yán)格的準(zhǔn)則可能限制現(xiàn)有風(fēng)機(jī)設(shè)備的并網(wǎng)運(yùn)行,不利于風(fēng)電的發(fā)展,因此各個(gè)國(guó)家或地區(qū)應(yīng)根據(jù)自己的電網(wǎng)實(shí)際情況制定合適的并網(wǎng)準(zhǔn)則。2風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)方案并網(wǎng)準(zhǔn)則的分析在風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃階段,即當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的地理?xiàng)l件、風(fēng)機(jī)的位置和風(fēng)機(jī)的參數(shù)確定后,就應(yīng)當(dāng)評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案是否滿足并網(wǎng)準(zhǔn)則,如果該方案的風(fēng)電場(chǎng)不滿足并網(wǎng)準(zhǔn)則就必須分析會(huì)給電網(wǎng)得運(yùn)行帶來(lái)產(chǎn)生哪些影響,以及風(fēng)電場(chǎng)滿足并網(wǎng)的技術(shù)要求應(yīng)當(dāng)采取的措施,因此并網(wǎng)準(zhǔn)則的分析對(duì)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目方案的確定非常重要。2.1分析的內(nèi)容和程序目前維斯塔斯公司對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)準(zhǔn)則分析方法可以分為主回路設(shè)計(jì)、短路電流研究、潮流計(jì)算、保護(hù)整定和低電壓穿越分析5個(gè)部分,分析的內(nèi)容與程序見圖1。圖中,右側(cè)的菱形方塊的內(nèi)容是每部分經(jīng)過(guò)分析后的輸出結(jié)果。2.2風(fēng)機(jī)接觸方式的確定在對(duì)一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行并網(wǎng)準(zhǔn)則分析之前需要了解該項(xiàng)目的基本數(shù)據(jù),包括風(fēng)電場(chǎng)的地理位置、風(fēng)機(jī)類型以及每個(gè)風(fēng)機(jī)的具體位置等,同時(shí)還需要弄清該風(fēng)電場(chǎng)所連接電網(wǎng)有關(guān)的技術(shù)條件,如PCC點(diǎn)的短路水平,并網(wǎng)準(zhǔn)則的具體要求等。在獲得必要的數(shù)據(jù)之后,首先要進(jìn)行的是風(fēng)電場(chǎng)的主回路設(shè)計(jì),即電氣設(shè)計(jì)。電氣設(shè)計(jì)第一步是確定連接風(fēng)機(jī)的電纜的走線布置,根據(jù)每個(gè)風(fēng)機(jī)的地理位置和環(huán)境條件決定風(fēng)機(jī)之間的電氣連接路線以及風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)間的連接方式。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的電氣回路一般由多回路輻射性的地下電纜饋線構(gòu)成,每回饋線最多連接10臺(tái)風(fēng)機(jī),但在某些情況下饋線也有采用網(wǎng)狀連接的,每條電纜都安裝有一個(gè)斷路器,當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)故障時(shí)這種連接方式可以迅速改變風(fēng)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu),減少切機(jī)量。當(dāng)風(fēng)機(jī)的位置和電纜的連接走向確定后,就可以計(jì)算電纜的長(zhǎng)度,然后根據(jù)風(fēng)機(jī)的容量以及電纜的接線方式估計(jì)每條電纜的最大負(fù)荷和進(jìn)行電纜選型,并通過(guò)優(yōu)化減少風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的電纜功率損耗。確定了電纜的走向和類型后,可以決定風(fēng)電場(chǎng)連接至電網(wǎng)的變壓器的數(shù)目和容量。通常,風(fēng)電場(chǎng)的電壓等級(jí)較低,必須通過(guò)升壓變壓器才能連接至電網(wǎng),為了適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化變壓器一般采用有載調(diào)壓型。但是在某些情況下,風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)之間不采用變壓器在這種情況下電網(wǎng)側(cè)電壓的變動(dòng)就會(huì)直接影響到風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)特別加以注意。當(dāng)變壓器的數(shù)目和容量確定后,風(fēng)電場(chǎng)的主接線圖也就確定了。2.3短路電流的計(jì)算在獲得風(fēng)電場(chǎng)的主接線圖后,維斯塔斯公司采用DigSILENTPowerFactory軟件對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的短路電流進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)IEC60909標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的最大三相短路電流和最大單相接地短路電流2.4并網(wǎng)準(zhǔn)則分析和傳統(tǒng)發(fā)電廠類似,正常運(yùn)行時(shí)風(fēng)電場(chǎng)也需把PCC點(diǎn)的功率因數(shù)或無(wú)功功率維持在一定范圍內(nèi)。潮流計(jì)算將檢驗(yàn)并網(wǎng)準(zhǔn)則所要求的穩(wěn)態(tài)無(wú)功功率范圍是否得到滿足。為了滿足電網(wǎng)在不同運(yùn)行條件下的無(wú)功功率要求,維斯塔斯的并網(wǎng)準(zhǔn)則分析考慮了一系列的潮流計(jì)算,包括PCC點(diǎn)的電壓變化、無(wú)功容量的要求以及風(fēng)電場(chǎng)的有功出力的變化,并采用集中無(wú)功控制點(diǎn)來(lái)設(shè)置每個(gè)風(fēng)機(jī)以及補(bǔ)償設(shè)備的無(wú)功出力。此外,在不同的電壓條件下調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器的分接頭,可以幫助維持風(fēng)電場(chǎng)的電壓水平。通過(guò)潮流計(jì)算還可以確定并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量要求,分析風(fēng)電場(chǎng)的有功損耗和能量消耗。維斯塔斯的潮流計(jì)算也采用PowerFactory軟件,風(fēng)電場(chǎng)不同有功出力下PCC點(diǎn)的無(wú)功功率可用PQ圖來(lái)表示,該圖是在不同有功調(diào)度方式下運(yùn)行所獲得的,為了反映無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的作用,PQ圖通常包含了配備和沒(méi)有配備無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的情況。2.5保護(hù)所作的整定風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)的目的,是為了快速發(fā)現(xiàn)和切除故障,并將故障的影響限制在最小的范圍,保護(hù)所作的整定包括過(guò)流保護(hù)、相間短路和對(duì)地短路的繼電設(shè)備的定值整定和配合,以及母線電壓和頻率的保護(hù)以及變壓器差動(dòng)保護(hù)等2.6風(fēng)機(jī)端口電壓監(jiān)控風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的很多并網(wǎng)準(zhǔn)則,要求根據(jù)具體的電網(wǎng)條件規(guī)定相應(yīng)的低電壓穿越曲線,要求在電網(wǎng)電壓降低時(shí)風(fēng)電場(chǎng)仍然能連接在電網(wǎng)上,暫態(tài)分析就是為了檢驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)電壓下降時(shí)的行為。維斯塔斯公司的暫態(tài)分析,利用PSCAD軟件把電網(wǎng)的電壓控制得與并網(wǎng)準(zhǔn)則所規(guī)定的低電壓穿越曲線一致,包括電網(wǎng)電壓下降的過(guò)程以及電網(wǎng)故障切除后電壓的恢復(fù)過(guò)程。在暫態(tài)分析過(guò)程中要求監(jiān)控風(fēng)機(jī)的端口電壓,如果發(fā)現(xiàn)端口電壓始終高于風(fēng)機(jī)自身的能力曲線,那么就表示在整個(gè)低電壓穿越的過(guò)程中風(fēng)機(jī)能正常連接在電網(wǎng)上,相反如果風(fēng)機(jī)的電壓低于能力曲線,那么風(fēng)機(jī)自身的保護(hù)會(huì)動(dòng)作并脫離電網(wǎng),在這種情況下可以采用無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以改善風(fēng)機(jī)端口的電壓水平。STACOM能夠在系統(tǒng)故障時(shí)快速地反應(yīng),因此被廣泛地應(yīng)用為控制風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)行為的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。3計(jì)算與分析為了說(shuō)明維斯塔斯公司根據(jù)并網(wǎng)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)及確定在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)條件下所需的無(wú)功補(bǔ)償容量的方法,以下給出一個(gè)具體的算例。3.1風(fēng)電場(chǎng)變配電風(fēng)電場(chǎng)的容量為50MW,與風(fēng)電場(chǎng)相連的電網(wǎng)的信息以及并網(wǎng)準(zhǔn)則要求如表1所示,低電壓穿越要求參見圖2。風(fēng)電場(chǎng)的出力通過(guò)4條輻射型的地下電纜饋線連接至22kV的母線送出,每條饋線最多有7臺(tái)風(fēng)機(jī);風(fēng)電場(chǎng)再通過(guò)一臺(tái)22/132kV的變壓器升壓至132kV,然后通過(guò)1條20km長(zhǎng)的架空線連接至PCC點(diǎn)。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的電纜連接方式可以估計(jì)每條電纜的最大負(fù)荷,從而選擇電纜類型為3芯XLPE電纜,短路電流計(jì)算表明所選電纜能夠承受風(fēng)電場(chǎng)的最大短路電流。考慮到對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功容量和功率因數(shù)的要求,采用兩繞組容量為63MVA的YNd11型作為主變壓器,其132kV側(cè)采用Y型接線、中性點(diǎn)接地,22kV側(cè)采用三角形接線;變壓器裝有分接頭,調(diào)節(jié)范圍為-8到+8(每個(gè)分接頭的電壓變化率為1.25%)。另外,主變壓器的低電壓側(cè)裝了一臺(tái)Z型接地變壓器,可將對(duì)地電流限制在1200A之內(nèi)。3.2無(wú)功容量控制器的確定根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的接線可在PowerFactory中建立潮流計(jì)算的模型,在潮流的計(jì)算中電網(wǎng)在PCC點(diǎn)的電壓波動(dòng)范圍為0.9～1.1p.u.,PCC點(diǎn)的功率因數(shù)范圍從0.95超前到0.95滯后,同時(shí)考慮主變壓器的分接頭的調(diào)節(jié)范圍。潮流計(jì)算假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)的有功出力為額定值,無(wú)功出力以及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量由一個(gè)集中的無(wú)功容量控制器確定。由于風(fēng)機(jī)的無(wú)功出力有限,為了滿足并網(wǎng)準(zhǔn)則關(guān)于PCC點(diǎn)的功率因數(shù)范圍要求,可能需要在變壓器的22kV側(cè)安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。表3為潮流計(jì)算的結(jié)果,包括風(fēng)電場(chǎng)中的電纜載荷以及節(jié)點(diǎn)電壓的校驗(yàn)。根據(jù)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的要求,風(fēng)電場(chǎng)中的節(jié)點(diǎn)電壓應(yīng)在0.9～1.1p.u之間。表3還給出了為了滿足每種運(yùn)行條件下的功率因數(shù)的要求而所需的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,最小的補(bǔ)償容量為21.65MVA的容性功率,其對(duì)應(yīng)的電壓為1p.u.的無(wú)功設(shè)備額定容量為20MVA;而感性補(bǔ)償設(shè)備則不需要。在所有運(yùn)行工況中,最大電纜載荷始終發(fā)生在C38號(hào)電纜,最高電壓在44號(hào)風(fēng)機(jī)出口,而最小電壓可能是22kV母線或32號(hào)風(fēng)機(jī),具體取決于運(yùn)行條件。通過(guò)在不同風(fēng)機(jī)出力水平下計(jì)算潮流得出的PQ圖如圖3。其中圖3(a)為沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)PCC點(diǎn)的功率情況,該圖清楚地表明,當(dāng)風(fēng)機(jī)出力大時(shí)風(fēng)電場(chǎng)不能滿足并網(wǎng)準(zhǔn)則所要求的0.95的容性功率因數(shù)要求,但在加裝了一套20MVA的容性補(bǔ)償設(shè)備之后,該功率因數(shù)要求則能滿足,見圖3(b)。3.3無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在低電壓降至能力曲線下的應(yīng)用風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的暫態(tài)過(guò)程可以采用PSCAD軟件進(jìn)行仿真分析,仿真模型包括了風(fēng)機(jī)的葉片、傳動(dòng)裝置和雙饋電機(jī),以及風(fēng)機(jī)中的控制器、保護(hù)系統(tǒng)和測(cè)量設(shè)備;仿真中的電纜采用π模型。仿真根據(jù)圖2的電壓曲線控制PCC點(diǎn)的電壓,該曲線包括了電網(wǎng)電壓下降和恢復(fù)的過(guò)程。仿真過(guò)程中觀察每臺(tái)風(fēng)機(jī)的端電壓,如果發(fā)現(xiàn)其中某臺(tái)風(fēng)機(jī)的端電壓降至能力曲線之下不能滿足并網(wǎng)準(zhǔn)則中的低電壓穿越要求,就必須采用無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以提高風(fēng)機(jī)的端電壓水平。圖4給出了26號(hào)、27號(hào)以及28號(hào)風(fēng)機(jī)的端口電壓,從該圖可知在4.2s時(shí),3臺(tái)風(fēng)機(jī)的端電壓都低于其能力曲線,因此不滿足風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的要求。圖5給出了PCC點(diǎn)測(cè)得的有功和無(wú)功大小。該圖顯示當(dāng)電網(wǎng)電壓降低后,PCC點(diǎn)的有功不能恢復(fù)到故障前的水平。這表明有些風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓降低時(shí)被切除了。圖4和圖5都表明該風(fēng)電場(chǎng)需要有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以幫助其實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。圖6和圖7給出了風(fēng)電場(chǎng)裝有10MVA的STACOM無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(接在主變壓器的低壓側(cè))的仿真結(jié)果,圖6表明三臺(tái)風(fēng)機(jī)(即26號(hào)、27號(hào)和28號(hào)風(fēng)機(jī))的端電壓都高于風(fēng)機(jī)自身的能力曲線,因此這三臺(tái)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)低電壓時(shí)仍能并網(wǎng)運(yùn)行。圖7表示PCC點(diǎn)的有功水平恢復(fù)到了電網(wǎng)故障前的出力水平表明仿真過(guò)程中沒(méi)有一臺(tái)風(fēng)機(jī)被切除。表3概括了仿真結(jié)果,根據(jù)以上計(jì)算和分