大規(guī)模風電并網電能質量問題探討甘肅電力公司風電技術中心副主任何世恩

大規(guī)模風電并網

電能質量問題探討主要內容甘肅電網概況酒泉千萬千瓦風電基地概況風電并網電能質量標準風電機組及風電場電能質量測試結論及展望

甘肅電網概況2011年底電網主網

2011年新增裝機容量2011年總裝機容量

甘肅電網統(tǒng)調（五級調度）裝機容量27941.43兆瓦，較2010年增長5919.43兆瓦。2011年電網運行指標2012年風電、光伏發(fā)電2012年裝機容量年初5703.1MW,年底7941.1MW

預計風速瓜州6.8米/秒玉門6.5米/秒其它6.0米/秒平均利用小時瓜州1610玉門1570其它1600發(fā)電量100億光伏發(fā)電量6.41億2012年電網調峰能力

隨著2012年全網峰谷差增大,全網發(fā)電裝機容量增加、大容量機組所占比例提高，但甘肅電網風電裝機容量大量增加，受風電反調峰影響，電網調峰壓力增大，甘肅電網調峰仍將面臨很大的困難。風電大量并網后，在低谷期間風電大發(fā)，高峰期間風電全停方式下，甘肅電網調峰能力不能滿足電網調峰需要。因風力發(fā)電的不穩(wěn)定性，為保證全網發(fā)用電供需平衡，必須保證在用電負荷高峰期間無風的情況下，留取600兆瓦或以上的火電旋轉備用容量，因此造成火電最小開機方式受限，用電負荷低谷期間，當風電大發(fā)時，系統(tǒng)調峰困難，火電負荷率偏低。甘肅電網內目前安裝運行的動態(tài)無功補償裝置主要有三種類型：磁控電抗器（MCR）、晶閘管控制電抗器（TCR）型無功補償器（SVC），靜止無功發(fā)生器（SVG）、750kV可控電抗器（CSR）。

2012年無功電壓

750千伏電網，無論冬大還是夏小方式下，線路充電功率都較大，感性無功補償不足，所有聯(lián)絡線均反映為無功功率在線路兩側同時下網。

330千伏電網，在夏小方式下，甘寧、甘陜斷面無功功率兩側同時下網，甘青斷面無功功率由甘肅送向青海。冬大方式下，甘陜斷面無功功率陜西送向甘肅，甘寧、甘青斷面為甘肅送向寧夏與青海。（1）加快適合調度運行體系的全網（或河西電網）AVC系統(tǒng)的研究工作，并盡早實施。（2）盡快完成網內風電場動態(tài)無功補償裝置的升級改造，確保河西電網電壓的穩(wěn)定。（3）盡快實現(xiàn)750/330千伏電網的解環(huán)運行。2012年無功電壓酒泉千萬千瓦風電基地概況風電(5703.1MW)主要分布在酒泉(瓜州、玉門)和白銀。風電裝機容量千萬千瓦級風電基地之一

總裝機全國處于第三風電總裝機全國處于第三風電基地風電場地理位置風電接入系統(tǒng)輸電方案示意典型風電場的接線及SVC配置地點示意圖風電場內系統(tǒng)示意2012年，二期8000兆瓦開工建設。2013年預計將達到958萬千瓦。2015年達到1448萬千瓦。酒泉基地風機運行情況風電輸送能力—2010年11月3日建成雙回750kV輸電線路，新疆與西北750kV主網相連，與原有雙回330kV輸電線路并列運行基本滿足一期風電送出，開始建設750kV第二通道。規(guī)劃風電輸送能力—±800kV特高壓直流輸電技術，酒泉——三華（湖南）力爭2013年建成，滿足二期送出電網電壓控制750kV線路距離長，充電功率大，高抗補償度偏小，網架結構較弱，短路容量小，電壓波動大。電網擾動對風電機組和風電場母線電壓影響明顯，當酒泉風電集中上網點附近750/330kV線路發(fā)生短路，大范圍切機。2011年風電場電氣設備故障84次，其中電纜頭制作工藝不良引起電纜頭爆炸、絕緣擊穿跳閘38次（占45.24%），晶閘管擊穿、瓷瓶裂縫等設備故障引起跳閘24次（占28.57%），其它原因22次（26.19%）。其中造成風機大面積脫網的故障6次。2月24日，甘肅橋西第一風電場內35千伏電纜頭單相擊穿后發(fā)展成三相故障，導致酒泉地區(qū)16座風電場598臺機組脫網，損失出力84萬千瓦，西北電網頻率最低至49.854赫茲。故障原因是橋西一場35B4饋線進線柜電纜頭制作工藝不良。2011年2月24日實際短路橋西升壓站#1變35kV電壓曲線（短路60ms）橋西升壓站#1變330千伏電壓曲線，204降至138（0.676PU）敦煌變#2主變330kV電壓曲線，204降至154（0.755PU）4月17日，甘肅干西第二風電場內35千伏兩個電纜頭絕緣擊穿，發(fā)生三相接地短路故障，導致酒泉地區(qū)16座風電場699臺機組脫網，損失風電出力100.6萬千瓦，西北電網頻率最低至49.815赫茲。故障原因是35C2線電纜施工工藝不良，35D2線故障電纜存在質量問題以及35千伏I母保護出口壓板未投入，低壓側后備保護定值“過流III段時限”定值現(xiàn)場整定錯誤。

4月25日，因大風影響（瞬時最大風力11級），甘肅嘉峪關變電站330千伏嘉酒二線線路側高跨龍門架跌落到地面，造成330千伏玉門變電站失壓，330千伏玉門變所接的風電場全停，共甩風機533臺，損失出力47.9萬千瓦。受故障沖擊，瓜州地區(qū)低電壓期間676臺機組脫網，損失出力94.62萬千瓦，風機脫網后造成局部電網電壓升高，敦煌330千伏母線電壓最高至370千伏，部分風機因過電壓保護動作跳閘，69臺機組脫網，損失出力11萬千瓦。整個事故過程中共計1278臺風機跳閘，損失出力153.52萬千瓦,西北電網頻率最低至49.765赫茲，持續(xù)5ms。酒泉風電基地大規(guī)模脫網故障情況表（出力單位：MW）故障日期故障前狀態(tài)故障切機低電壓切機高電壓切機其他原因脫網合計脫網率（%）臺數(shù)出力臺數(shù)出力臺數(shù)出力臺數(shù)出力臺數(shù)出力臺數(shù)出力2.2412261544.831218262359.13300424.212436.00598840.4354.404.315071963.02530295415.5067103.001319.50400568.0028.944.1715231826.8797118.40536794.224463.0000677975.6253.404.2518801974.9533479676946.269110.000012781535.277.74事故特征：首先，風電大發(fā)期間，風電場電氣設備故障引發(fā)相間短路故障（以電纜饋線為主），保護動作跳閘切除故障區(qū)的風機，升壓站內35千伏系統(tǒng)電壓大幅跌落，引起系統(tǒng)上級電壓和周邊35千伏電壓跌落(持續(xù)約60ms)，在此期間大量風機因各種原因而發(fā)生脫網；隨后，故障切除后系統(tǒng)電壓回升，各風電場的無功補償裝置（SVC）無法進行自動電壓調整，引起系統(tǒng)電壓大幅升高，導致部分風機因過電壓保護動作脫網，部分風機由于變流器模塊故障、誤發(fā)頻率越限信號脫網，造成事故擴大。不是由于風電特性引起的事故?。。〉碗妷捍┰?/p>

LowVoltageRide-Through(LVRT)LVRT是指當電網發(fā)生故障，或擾動引起風電場并網點電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內，風力發(fā)電機組能夠不脫網，從而為電網的自行調節(jié)贏得時間，這是提高電網安全穩(wěn)定性的關鍵技術之一。正常風電機組運行電壓范圍(未投入低電壓穿越功能)

額定工作電壓Un：690V；長期工作電壓：0.9Un≤U≤1.1Un；低電壓持續(xù)時間：U≤0.9Un0.2s；即0≤U≤0.9Un0.2s；或者：0.2Un≤U≤0.9Un0.2s。2010年10月23日下午16時56分，750千伏敦煌至哈密輸電線路7號鐵塔附近。風機大規(guī)模脫網整改措施

國家、國網系統(tǒng)召開了多次調查分析會，發(fā)出了一系列通報和整飭，出臺了一系列措施和要求，進行了一系列的調研和督查。國家能源局連續(xù)下發(fā)兩道通知“整飭”酒泉風電基地建設，起草并下發(fā)一系列標準、規(guī)定等。國家電監(jiān)會《關于切實加強風電場安全管理有效遏止大規(guī)模風電機組脫網事故頻發(fā)的通知》、《關于近期三期風電機組大規(guī)模脫網事故的通報》、西北電監(jiān)局《西北區(qū)域風電場并網管理辦法》，組織完成了全國風電安全大檢查。2012年3月1日發(fā)布的《關于加強風電安全工作的意見》對風電場的設計、建設、并網、運行、調度、監(jiān)管六個方面提出了明確要求。

國家電力調度通信中心于2011年4月25日發(fā)布《關于近期風電大規(guī)模脫網情況的通報》，《防止風電大規(guī)模脫網重點措施》，西北網調《關于進一步加強風電安全生產工作的通知》（西北電網調度[2011]156號），《網調直調風電場整改評價辦法》（西電調字〔2011〕49號）等。電纜頭等施工質量的檢查整改發(fā)揮風電機組的基本承受電壓變化的能力，高低電壓、高低頻率大部分風電場實現(xiàn)集電線路單相故障的快速切除小電流接地選線裝置改造為在選線告警的基礎上增加選線跳閘功能：選線告警后應經過短延時（如0.5s）直接跳該饋線開關；若未切除接地線路，母線監(jiān)測到零序電壓且U0＞50V，則經過較長延時(如1.0s)通過母差保護直接跳開低壓母線所有支路開關。優(yōu)先選用性能優(yōu)異的行波選線裝置。集電系統(tǒng)采用低電阻接地系統(tǒng)。無功補償設備檢查及整改LVRT改造和測試風電場風電功率預測系統(tǒng)系統(tǒng)AB故障，風電場聯(lián)網線實際波形2011年風能資源狀況

2011年甘肅風電場風資源較差，片區(qū)間差異較大，月季間差異也較大。全網風電場平均風速6.7米/秒，同比小2.9％。2011年風電運行情況

2011年受風電場來風較小、新設備調試多、風電機組多次大面積脫網、安全整改和電網檢修、安全約束等因素影響，全年風電發(fā)電量指標完成情況較差，平均發(fā)電利用小時數(shù)較低。全年風電場平均發(fā)電利用小時數(shù)1640小時，同比減少242小時。風電最大發(fā)電出力（4月22日）266萬千瓦，占當時全網總發(fā)電出力的21%，占當時全網用電負荷的27%，占當日全網最低用電負荷的32%。光伏發(fā)電運行風電并網電能質量標準GB/T19963-2011風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定

前言1 范圍2 規(guī)范性引用文件3術語和定義4 風電場送出線路5 風電場有功功率

6 風電場功率預測7 風電場無功容量

8 風電場電壓控制

風電場低電壓穿越10風電場運行適應性11 風電場電能質量

12 風電場仿真模型和參數(shù)13 風電場二次系統(tǒng)14 風電場接入系統(tǒng)測試參考文獻風電場有功功率有功功率控制系統(tǒng)，具備有功功率調節(jié)能力

風電場無功容量適當容量的無功補償裝置，一般有濾波功能

風電場電壓控制實現(xiàn)對風電場并網點電壓的控制

風電場運行適應性當風電場并網點的閃變值滿足GB/T12326、諧波值滿足GB/T14549、三相電壓不平衡度滿足GB/T15543等的規(guī)定時，風電場內的風電機組應能正常運行。

風電場電能質量（1）電壓偏差風電場并網點電壓正、負偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10％，正常運行方式下，其電壓偏差應在標稱電壓的－3％～＋7％范圍內。閃變風電場所接入公共連接點的閃變干擾值應滿足GB/T12326的要求，其中風電場引起的長時間閃變值的限值應按照風電場裝機容量與公共連接點上的干擾源總容量之比進行分配。風電場電能質量（2）諧波風電場所接入公共連接點的諧波注入電流應滿足GB/T14549的要求，其中風電場向電力系統(tǒng)注入的諧波電流允許值應按照風電場裝機容量與公共連接點上具有諧波源的發(fā)/供電設備總容量之比進行分配。監(jiān)測與治理風電場應配置電能質量監(jiān)測設備，以實時監(jiān)測風電場電能質量指標是否滿足要求；若不滿足要求，風電場需安裝電能質量治理設備，以確保風電場合格的電能質量。風電機組及風電場電能質量測試PS—3型電能質量分析儀PS—6型電能質量分析儀U900F型電能質量測試儀FLUCK1760電能質量測試儀大梁風電場大梁風電場裝機容量為66×0.75=49.5MW，通過一回110千伏線路接入330kV瓜州變，導線型號為LGJ-185，線路長約12公里。瓜大線諧波測試接線位置及設置：110kV瓜大線電度表屏(110kV出線)。PT取自110kV母線電壓，變比為1100：1；CT取自110kV出線電流，變比為600：1。據(jù)數(shù)據(jù)顯示瓜大線傳輸功率變化范圍為0—30MW。因此測試中選擇瓜大線平均傳輸功率為15MW和30MW相對穩(wěn)定運行階段進行測試分析。風電諧波測試報告

P=15MW時諧波測試最大值最小值平均值95%概率值限值合格率%總電壓(KV)69.17467.01168.04669.105基波電壓(KV)69.17067.00468.03769.098電壓總畸變率(%)2.6760.7431.5782.2522.0087.85諧波電壓含有率(%)20.0890.0050.0210.0380.80100.0030.3610.0080.1720.3221.60100.0040.2430.0050.0720.1980.80100.0052.6060.1141.4382.1801.6065.3060.1840.0060.0340.0630.80100.0070.6730.1190.3960.5901.60100.0080.0830.0050.0170.0320.80100.0090.4890.0120.1830.3561.60100.00參數(shù)最大值最小值平均值95%概率大值限值合格率%總電流(A)206.67852.220141.766188.284基波電流(A)206.67452.213141.759188.278總諧波電流(A)2.4010.5461.3122.0831000.00100.0諧波電流(A)20.7150.0600.2970.5569.62100.031.0360.0690.4780.9063.98100.040.4790.0330.1470.3784.81100.052.1830.1480.9941.8594.50100.060.2700.0250.1110.2333.21100.070.6060.0300.2770.5383.86100.080.1250.0250.0660.0952.40100.090.1200.0240.0590.0862.56100.0P=30MW時諧波測試

參數(shù)最大值最小值平均值95%概率大值限值合格率%

總電壓(KV)67.89366.83467.39467.796

基波電壓(KV)67.87366.82567.38267.781

電壓總畸變率(%)3.2370.7841.8452.9102.0059.77諧波電壓含有率(%)20.0790.0060.0230.0340.80100.0030.4390.0090.1810.3921.60100.0040.2280.0070.0820.1490.80100.0053.2040.0941.6962.8621.6046.5760.1280.0050.0310.0640.80100.0070.6340.1640.4080.5621.60100.0080.0660.0040.0160.0300.80100.0090.5840.0200.2640.5101.60100.00參數(shù)最大值最小值平均值95%概率大值限值合格率%總電流(A)176.55154.28164.94173.638基波電流(A)176.55154.27164.94173.64總諧波電流(A)2.4440.8101.5212.1881000.0100.0諧波電流(A)20.6100.0760.3660.5379.62100.030.9740.1570.6100.9253.98100.040.4170.0400.1610.2844.81100.052.2130.0741.1261.9424.50100.060.2840.0420.1360.2413.21100.070.5320.1700.3540.4993.86100.080.1340.0330.0730.1012.40100.090.1120.0160.0590.0882.56100.0在110kV瓜大線電壓5次諧波含量超標，由于瓜州變110kV母線的短路容量比較大，再加上瓜大線占總風電容量的1/4，所以測試電流值在國標范圍內，但諧波的幅值上看5次諧波占主導地位。通過平均傳輸功率在P=15MW和P=30MW測試數(shù)據(jù)的比較，可知：隨著風電機組運行數(shù)量的增多，支路中的諧波含量也越大。

JCT風電場位于甘肅電網中北部，通過單回110kV出線接入電網。風電場共安裝30臺單機容量為1500kW的FD77A/1500kW型風力發(fā)電機組，出口電壓為0.69kV，接線方式為一機一變，所發(fā)出電量經1kV電纜引接至箱式變電站低壓側，通過箱式變壓器升壓至35kV，再通過3回35kV架空線路送入110kV升壓站的35kV母線上，然后經主變壓器升壓至110kV通過架空導線并入電網。電流不對稱引起風機跳閘30臺風機的變頻器大部分為CONVERTEAM公司生產，有6臺風機變頻器為ABB公司生產，裝有CONVERTEAM變頻器的風機普遍存在報“電網電流不對稱”故障跳機現(xiàn)象，裝ABB公司變頻器的風機未發(fā)生跳機現(xiàn)象。|Ia|-0.5×(|Ib|+|Ic|)>75A跳機過程中110kV

線路電流母線電壓有效值風機正常運行、跳機時出口電流有效值在110kV線路側，諧波電壓和電壓三相不平衡度符合國家標準，主要存在17、19次諧波電流超標。從風機出口看，17、19次諧波電流含量最大為基波電流的1％，其不是構成跳機的主要原因。目前電網的運行水平能夠滿足風機正常運行條件，可以確定大規(guī)模風機跳機故障不是由電網的變化和風機電能質量因素引起的。測試中每臺CONVERTEAM風機都存在一定的電流不對稱現(xiàn)象，正常運行時達到50～60A，而ABB風機正常運行時的不對稱電流只有20A左右。由此可以看出，不同的風機變頻控制系統(tǒng)對電流不對稱程度影響較大。結論及展望

風電場較多地分布于距離電力主系統(tǒng)和負荷中心較遠的戈壁或草原等風力資源豐富的地帶,與相對較為薄弱的電網相連接,由于風能的波動性和間歇性以及風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率是波動的,當風電機組并網運行時,會給當?shù)厮诘碾娋W可能帶來較為嚴重的影響。結論

風電對電網穩(wěn)態(tài)頻率的影響頻率是全局電力平衡問題，目前問題不是很突出當風電穿透率比較大時，大風速擾動會使系統(tǒng)頻率產生較大影響當系統(tǒng)的運行條件比較惡劣(如電壓波動大)時，風電機組很容易在系統(tǒng)擾動或風速擾動條件下停機，或各種原因導致大面積脫網風速達到切除風速風電諧波問題現(xiàn)階段，諧波問題逐步顯現(xiàn)，主要是5、7次等高次諧波，測試表明還不是很嚴重。諧波的產生主要是由于電力系統(tǒng)存在鐵磁飽和設備、電