CN104901330A - 一种预防风电场高压脱网的综合设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源发电技术中的风电并网技术领域的方法，具体涉及一种预防风电场高压脱网的综合设计方法。该方法包括下述步骤：（1）评估可能导致风电场高压脱网的影响因素；（2）调整风电场内无功补偿装置的控制策略；（3）调整风电机组的控制策略；（4）提出风电机组的高电压耐受要求。本发明提出的预防风电场高压脱网的综合设计方法符合中国风电并网导则（GB/T19963-2011）的要求，提出的预防风电场高压脱网的综合设计方法能够降低风电场高压脱网的风险。

Description

一种预防风电场高压脱网的综合设计方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术中的风电并网技术领域的方法，具体涉及一种预防风电场高压脱网的综合设计方法。

背景技术

风电发展迅猛，但是由于资源和负荷之间的逆向分布，使得“建设大基地，融入大电网”成为中国风电开发的必选模式。目前，随着8大千万千瓦风电基地的建设，中国在2012年已经成为世界上风电装机容量最大的国家，风电总装机容量超过60GW。预计到2015年和2020年，风电装机将分别达到100GW和200GW。在风电并网容量快速增加的同时，风电对电网的安全稳定运行带来越来越大的挑战。特别是在风电穿透率较高的地区，风电的动态特性对当地电网影响较为明显，集中体现在系统调峰和调频、风电故障穿越等运行控制问题。近几年来，我国风电脱网事故频发，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100-500MW的脱网事故54起，损失风电出力500MW以上的脱网事故12起。风电障穿越能力对电网安全构成的影响倍受各界关注，对电网的安全稳定运行带来越来越大的挑战。

“故障穿越”是指电网电压异常时风电机组能够不间断连续运行的能力，其中包括低电压穿越和高电压穿越。风电的低电压穿越（Low Voltage Ride Through）问题过去一直是被关注的热点，国内外研究机构进行了大量的研究并提出了诸多的解决方案，对问题的认识和解决的方法相对比较成熟。然而。对于风电的高电压穿越（High Voltage Ride Through）问题，国内外虽然开展了一定的研究工作，但针对由于短路故障结束后电网电压恢复阶段高电压引起的风电机组大规模脱网问题，还缺少系统的预防风电场高电压脱网方法。评估导致风电机组高压脱网的原因，主要有如下的几个原因：

（1）电网电压恢复阶段无功补偿装置未动作或者未及时动作，导致未脱网风电机组机端电压抬升，进而导致风电机组因过压保护而脱网。

（2）风电机组动态无功支撑控制策略中的无功电流注入比例系数较大，从而导致电网电压恢复后机端电压瞬间抬升，出现较大的控制超调；或是风电机组动态无功支撑控制策略的响应滞后，当电网电压恢复之后，其还将继续向电网注入一段时间的无功功率，进而有可能造成机端电压的暂态升高，从而导致风电机组脱网。

（3）风电机组高电压耐受能力较差。

由此可知，预防风电场高电压脱网，可从风电机组和风电场无功补偿装置两方面综合考虑，根据仿真评估高电压穿越期间风电机组电压暂态响应特性设计预防方法，从而降低风电场高压脱网发生的概率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种预防风电场高压脱网的综合设计方法，该方法是在确保满足中国风电并网导则（GB/T19963-2011）的基本要求前提下，综合考虑风电场无功补偿装置类型和控制策略，控制无功补偿装置在故障穿越期间的补偿容量和响应时间，控制风电机组在故障穿越期间无功电流注入比例系数和故障结束后无功注入的时间，提出风电机组高电压的耐受要求，从而预防风电场高电压脱网。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种预防风电场高压脱网的综合设计方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

（1）评估可能导致风电场高压脱网的影响因素；

（2）调整风电场内无功补偿装置的控制策略；

（3）调整风电机组的控制策略；

（4）提出风电机组的高电压耐受要求。

进一步地，所述步骤（1）中，评估可能导致风电场高压脱网的影响因素包括下述步骤：

1）校核风电场无功补偿装置的数据：针对采用电容器组作为无功补偿设备的风电场，校核风电场电容器组的容量；针对采用动态无功补偿装置作为无功补偿设备的风电场，校核动态无功补偿装置所能输出的最大容性无功、最大感性无功的能力以及动态无功补偿装置的响应速度；

2）校核风电机组动态无功支撑控制策略：包括故障期间无功电流注入比例系数、无功电流注入的响应时间，以及当电网电压恢复至动态无功支撑控制策略退出的响应时间。

进一步地，所述步骤（2）中，仿真评估无调整措施时风电场是否能预防高电压脱网，若不能则调整风电场内无功补偿装置的控制策略；调整风电场内无功补偿装置的控制策略包括下述步骤：

<1>针对采用电容器组作为无功补偿设备的风电场，检测风电场并网点电压，当电网电压恢复后风电场并网点电压升高至门槛值（例如设置为1.15pu）时，切除风电场中的无功补偿装置；

<2>针对采用动态无功补偿装置作为无功补偿设备的风电场，根据风电场充电功率数据，在满足风电场容性无功补偿要求的前提下，增加动态无功补偿装置最大感性无功的输出能力；检测风电场并网点电压，当电网电压恢复后风电场并网点电压升高至门槛值（例如设置为1.15pu）时，动态无功补偿装置输出最大感性无功，且动态无功补偿装置动态调节的响应时间不大于30ms。

进一步地，所述步骤（3）中，仿真评估采用步骤（2）控制策略后风电场是否能预防高电压脱网，若不能则调整风电机组的控制策略；调整风电机组的控制策略包括下述步骤：

①在确保满足中国风电并网导则（GB/T19963-2011）中关于风电场应具备的动态无功支撑能力基本要求的前提下，限定故障穿越期间风电机组无功电流注入比例系数；

②在不影响风电机组控制器性能的条件下，控制故障结束后无功注入的时间，理想情况下电网电压恢复后立即退出风电机组动态无功支撑控制策略。

进一步地，所述步骤（4）中，仿真评估采用步骤（2）和步骤（3）的控制策略后风电场是否能预防高电压脱网，若不能则提出风电机组高电压耐受要求；根据风电场接入点的电网强度进行仿真评估，提出风电机组高电压耐受要求。

与现有技术比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种预防风电场高压脱网的综合设计方法，与现有预防风电场高压脱网方法相比，本发明有以下优点：

（1）本发明建立在确保满足中国风电并网导则（GB/T19963-2011）的基本要求前提之上；

（2）本发明所提方法充分利用已有的设备及其控制策略，综合考虑风电场无功补偿装置类型和控制策略、风电机组无功控制策略、风电机组高电压的耐受要求，技术调整方案由易到难，原理清晰、可操作性强，能够得到有效地推广。

（3）本发明所提方法能够有效预防风电场高压脱网。

附图说明

图1是本发明提供的一种预防风电场高压脱网的综合设计方法的流程图；

图2是本发明提供的风电场群接入示意图；

图3是本发明提供的风电机组高电压耐受要求波形图；

图4是本发明提供的预防风电场高电压脱网的仿真验证的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

由于短路故障结束后电网电压恢复阶段高电压引起的风电机组大规模脱网问题已成为现阶段严重威胁电网安全运行、制约可再生能源产业发展的重要问题之一。针对此类问题，本发明提供一种预防风电场高压脱网的综合设计方法，该方法是在确保满足中国风电并网导则（GB/T19963-2011）的基本要求前提下，综合考虑风电场无功补偿装置类型和控制策略，控制无功补偿装置在故障穿越期间的补偿容量和响应时间，控制风电机组在故障穿越期间无功电流注入比例系数和故障结束后无功注入的时间，提出风电机组高电压的耐受要求，从而预防风电场高电压脱网。

本发明提供的一种预防风电场高压脱网的综合设计方法的流程图如图1所示，包括下述步骤：

（1）评估可能导致风电场高压脱网的影响因素，包括下述步骤：

1）校核风电场无功补偿装置的数据：针对采用电容器组作为无功补偿设备的风电场，校核风电场电容器组的容量；针对采用动态无功补偿装置作为无功补偿设备的风电场，校核动态无功补偿装置所能输出的最大容性无功、最大感性无功的能力以及动态无功补偿装置的响应速度；

2）校核风电机组动态无功支撑控制策略：包括故障期间无功电流注入比例系数、无功电流注入的响应时间，以及当电网电压恢复至动态无功支撑控制策略退出的响应时间。

（2）调整风电场内无功补偿装置的控制策略，仿真评估无调整措施时风电场是否能预防高电压脱网，若不能则调整风电场内无功补偿装置的控制策略；调整风电场内无功补偿装置的控制策略包括下述步骤：

<1>针对采用电容器组作为无功补偿设备的风电场，检测风电场并网点电压，当电网电压恢复后风电场并网点电压升高至一定门槛值（例如设置为1.15pu）时，切除风电场中的无功补偿装置；

<2>针对采用动态无功补偿装置作为无功补偿设备的风电场，根据风电场充电功率数据，在满足风电场容性无功补偿要求的前提下，增加动态无功补偿装置最大感性无功的输出能力；检测风电场并网点电压，当电网电压恢复后风电场并网点电压升高至一定门槛值（例如设置为1.15pu）时，动态无功补偿装置输出最大感性无功，且动态无功补偿装置动态调节的响应时间不大于30ms。

（3）调整风电机组的控制策略，仿真评估采用步骤（2）控制策略后风电场是否能预防高电压脱网，若不能则调整风电机组的控制策略；调整风电机组的控制策略包括下述步骤：

①在确保满足中国风电并网导则（GB/T19963-2011）中关于风电场应具备的动态无功支撑能力基本要求的前提下，限定故障穿越期间风电机组无功电流注入比例系数；

②在不影响风电机组控制器性能的条件下，控制故障结束后无功注入的时间，理想情况下电网电压恢复后立即退出风电机组动态无功支撑控制策略。

（4）提出风电机组的高电压耐受要求：仿真评估采用步骤（2）和步骤（3）控制策略后风电场是否能预防高电压脱网，否则提出风电机组高电压耐受要求。由于风电机组、风电场控制响应时间的差异，机端电压会在电网电压恢复之后持续一段时间的高压，然后再缓慢降低。因此，根据风电场接入点的电网强度进行仿真评估，提出风电机组高电压耐受要求。

实施例

下面结合一个具体实施例，对本发明提出的预防风电场高压脱网的综合设计方法做进一步的说明。某风电基地内风电场群结构如图2所示，其具体参数如下表1所示：

表1某风电基地内风电场群具体参数

（1）调整风电场内无功补偿装置控制策略。其中“风电场1”和“风电场2”采用固定容量的电容器组作为无功补偿设备，将电压高于1.15pu作为无功补偿装置退出运行的判断依据。“风电场3”和“风电场4”采用动态无功补偿装置，在满足容性无功输出能力的前提下将感性无功的输出能力增加25%，动态响应时间应不大于30ms。

（2）调整风电机组控制策略，将无功注入比例系数k限定在1.5，电网电压恢复后20ms内停止无功注入。

（3）提出风电机组高电压耐受要求，如图3所示。

（4）仿真最恶劣工况，即风电机组均未发生低电压穿越脱网且故障期间机端电压跌落至0.2pu，仿真结果如图4所示。机端电压最高为1.18pu，电压未超过1.2pu，且超过1.1pu的时间为70ms左右。由此看出，本发明提出的技术方案能预防风电场发生高电压脱网。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种预防风电场高压脱网的综合设计方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

（1）评估可能导致风电场高压脱网的影响因素；

（2）调整风电场内无功补偿装置的控制策略；

（3）调整风电机组的控制策略；

（4）提出风电机组的高电压耐受要求。

2.如权利要求1所述的预防风电场高压脱网的综合设计方法，其特征在于，所述步骤（1）中，评估可能导致风电场高压脱网的影响因素包括下述步骤：

1）校核风电场无功补偿装置的数据：针对采用电容器组作为无功补偿设备的风电场，校核风电场电容器组的容量；针对采用动态无功补偿装置作为无功补偿设备的风电场，校核动态无功补偿装置所能输出的最大容性无功、最大感性无功的能力以及动态无功补偿装置的响应速度；

2）校核风电机组动态无功支撑控制策略：包括故障期间无功电流注入比例系数、无功电流注入的响应时间，以及当电网电压恢复至动态无功支撑控制策略退出的响应时间。

3.如权利要求1所述的预防风电场高压脱网的综合设计方法，其特征在于，所述步骤（2）中，仿真评估无调整措施时风电场是否能预防高电压脱网，若不能则调整风电场内无功补偿装置的控制策略；调整风电场内无功补偿装置的控制策略包括下述步骤：

<1>针对采用电容器组作为无功补偿设备的风电场，检测风电场并网点电压，当电网电压恢复后风电场并网点电压升高至门槛值时，切除风电场中的无功补偿装置；

<2>针对采用动态无功补偿装置作为无功补偿设备的风电场，根据风电场充电功率数据，在满足风电场容性无功补偿要求的前提下，增加动态无功补偿装置最大感性无功的输出能力；检测风电场并网点电压，当电网电压恢复后风电场并网点电压升高至门槛值时，动态无功补偿装置输出最大感性无功，且动态无功补偿装置动态调节的响应时间不大于30ms。

4.如权利要求1所述的预防风电场高压脱网的综合设计方法，其特征在于，所述步骤（3）中，仿真评估采用步骤（2）控制策略后风电场是否能预防高电压脱网，若不能则调整风电机组的控制策略；调整风电机组的控制策略包括下述步骤：

①在确保满足中国风电并网导则GB/T19963-2011中关于风电场应具备的动态无功支撑能力基本要求的前提下，限定故障穿越期间风电机组无功电流注入比例系数；

②在不影响风电机组控制器性能的条件下，控制故障结束后无功注入的时间，理想情况下电网电压恢复后立即退出风电机组动态无功支撑控制策略。

5.如权利要求1所述的预防风电场高压脱网的综合设计方法，其特征在于，所述步骤（4）中，仿真评估采用步骤（2）和步骤（3）的控制策略后风电场是否能预防高电压脱网，若不能则提出风电机组高电压耐受要求；根据风电场接入点的电网强度进行仿真评估，提出风电机组高电压耐受要求。