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随着9个千万千瓦风电基地的建设, 中国在2013年就已经成为世界上风电装机容量最大的国家, 预计到2015年和2020年, 中国风电装机容量将分别达到100 GW和200 GW。然而, 在风电并网容量快速增加的同时, 由风电并网所带来的电网安全稳定问题也日益突出。据不完全统计, 仅2011年就发生了193起风电机组脱网事故, 其中损失风电出力500 MW以上的脱网事故就达12起。
纵观这些大规模风电脱网事故, 均存在因电网电压超过了风电机组的最低或者最高工作电压导致机组脱网的现象。分析可知, 故障期间风电场内部汇集系统保护设备不能快速切除故障、风电机组不具备低电压穿越能力是造成机组低电压脱网的主要原因; 风电场无功补偿装置的响应滞后将导致故障清除后机端电压升高, 此外具备低电压穿越能力的风电机组有可能进一步诱发机端电压骤升。
以现阶段并网风电机组的主流机型双馈风电机组(DFIG)为例, 由于定子侧绕组与电网直接相连且转子侧变流器容量有限, 电压骤升对机组的影响更为严重。机端电压升高将导致转子绕组感应出高电压, 当转子电压超过转子侧变流器的控制范围时将造成风电机组运行不受控, 甚至引起变流器内部器件击穿。因此, 机端电压骤升将严重影响风电机组的运行安全。
2、风电机组机端电压骤升的原因
通过分析现阶段已发生的高电压脱网事故, 造成故障清除后系统电压骤升的主要原因可以归结为以下2个方面。
1) 电网电压恢复后, 风电场无功补偿装置受到锁相、电压判断以及执行机构动作时间等因素的影响导致控制响应时间过长、未及时动作, 造成系统无功功率过剩;
2) 具备低电压穿越能力的风电机组受到无功电流注入比例系数以及控制策略响应时间的影响, 有可能造成电网电压恢复瞬间机端电压骤升。
图1为某型号2.5 MW DFIG低电压穿越现场测试试验结果。电网电压变化后该机组动态无功控制的响应时间约为30～40 ms。此外, 受现行并网标准的影响, 该型号机组在机端电压低于0.2 pu时不进行无功注入即k=0, 故图 1(a)所示工况下电网电压恢复瞬间机端电压未发生过冲。
