风电场高电压穿越能力特性分析

风电场高电压穿越能力特性分析
摘要：基于风电机组高电压穿越能力测试设备的运行原理，针对单台机组开展高电压穿越能力测试分析，测试结果表明：本文所采用的检测方法及分析结果与机组实际运行中的高电压穿越能力一致，为开展大规模集中并入直流近区电网的风电场高电压穿越能力评估提供了必要手段和参考依据。

关键词：高电压穿越能力、电压骤升、风力发电机组
引言
风力发电作为新能源当中具备大规模开发条件和商业化发展中最具有前景发电的方式之一，在能源开发中占有不可替代的作用。

我国近些年以来风电装机容量的迅速的增加，大规模风电机组并网给电网带来了前所未有的压力和挑战，其中电压扰动问题尤为显著。

国内某装机832MW的风场发生低电压故障，由于无功补偿装置响应滞后，使风场在低电压故障恢复后进入高电压穿越，造成220千伏母线电压升高至262千伏（1.19Pu），风场脱网风机310台，损失出力412MW。

系统故障电压跌落，750 kV XX变330 kV 母线电压最低跌至267 kV（0. 735 pu），持续时间20 ms，因机组不具备LVRT 而脱网274 台风机，共损失出力377.13 MW。

故障切除后，系统电压回升，而各风电场升压站的SVC 装置电容器支路因无自动切除功能而继续挂网运行，同时因风电大量切除，共同引起系统电压升高，XX变330 kV 母线电压瞬间达到365 kV（1.11 pu），最高达到380 kV（1.15pu），750 kV 母线电压瞬间达到800 kV，最高达到808 kV。

网内部分风电机组由于过电压保护动作而脱网300 台，共损失出力424.21MW。

高电压穿越期间，风电场是否能够保证风机不脱网持续运行，关系到整个电网的安全稳定运行。

根据我国风电场的实际运行情况，对风电机组的高电压穿越能力做了详细要求，要求并网发电的风电机组必须具备高电压穿越能力。

1高电压穿越ＨＶＲＴ
高电压穿越（high voltage ride –through,HVRT）是指当发生高电压故障时，风电机组保证不脱网连续运行，在电压升高期间风机能够通过变流器调节输出一定量的无功来维持并网点电压水平，同时保证风机可以快速进行有功恢复。

从电网电压骤升时刻起到电网电压恢复到正常运行状态，这个时间段我们称为高电压穿越时间（区域）[1,2]。

风机的电机输出功率与传送到电网功率相等时，风机里直流环节电压保持恒定。

当电网电压突然骤升，电网侧功率无法送出，且功率由电网侧流入风机侧变频器当中，直流电压会快速升高，当电压超过电力半导体IGBT耐压极限时将会损坏变频器。

因此正常运行的电网突发电压扰动时，风机为保护自身不受损坏就会立即解列脱网[3,5,6]。

此类措施在风力发电的电网穿透率较低时是还可以承受。

当风电装机容量在当地电网中占有比重较大时，若出现电压骤升故障时风电机组仍然采取解列脱网自我保护，就会影响当地整个电力系统的恢复时间，甚至可能使整个电力系统崩溃，造成大面积停电事故。

因此必须采取有效措施，保证风场及电网的安全稳定运行[1,2,3]。

高电压穿越是对并入电网的风电机组在电网出现短时电压骤升时仍保持并网发电的一种特定的运行状态能力要求。

不同国家提出的高电压穿越能力要求各不相同。

在中国西北和东北地区是风力发电集中区域，电网经营商 E.ONNETZ对风场/风机的HVRT要求如图1所示。

图 1 HVRT和LVRT
当电网系统电压在时间或数值上处于图示曲线2上方时，风机才允许从电网中切机解列出去。

在曲线2下方时风电机组应当保持并网正常发电。

同时当电压位于图中曲线2下方区域时，风机应该向电网补充无功功率，帮助电网渡过困难期[1,2]。

如图1所示，在电压骤升到110%Pu～130%Pu时要求风机能够持续提供无功支持，必须保证风电机组并网运行至少为500ms。

而在电压骤升到100%Pu～110%Pu时风机必须保持在正常并网运行状态[1]。

2风电机组高电压穿越移动测试装置
2.1设备概述
风电机组高电压穿越试验测试装置是串联在风机和电网系统中的，利用阻容升压原理抬高电网电压验证风电机组是否具备高电压穿越能力的设备。

高电压穿越试验测试装置集成安装于2台集装箱内，集装箱尺寸为（长×宽×高）：12192 mm ×2438 mm ×2896mm，重量为19吨和（长×宽×高）：12192 mm×3000 mm×2896mm，重量为20吨。

测试设备主要由电容器、电抗器、开关柜组合以及综合控制系统构成。

2.2设备工作原理
移动式高电压穿越试验测试装置是在风电机组实际正常运行状态下模拟电网系统电压骤升，导致风电机组并网点电压升高。

验证风电机组是否具备高电压穿越能力。

图2为移动式风电机组高电压穿越试验测试装置及电容器接线和高电压穿越检测系统的一次主接线图。

利用阻容分压法在测试点制造电压升高，考察风电机组对电网电压升高的反应[1,2,3]。

图中，S1、S2为隔离刀闸；
G1、G2为接地刀闸；
CB1、CB2、CB3、CB4为断路器；
JCQ-H为单相接触器。

图2 b ) 风电机组高电压穿试验电容器接线
图2 c）风电机组高电压穿越检测系统一次主接线图
2.3试验内容
更具当地电力系统和风场的实际情况按照《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》，对风力发机组正常运行状态下有功输出在10% Pn≦Pn≦30% Pn和P≧90% Pn两种有功范围内进行测试，模拟电网发生三相电压扰动和两相电压扰
动故障，通过利用阻容分压法，将电压骤升到额定电压的130% Pu时，风电机组进行高电压穿越能力抽检测试。

按照国标规定，风电机组从电压骤升时刻起保证持续并网500ms以上，风机有功波动应在±5% Pn范围内 [1]。

3测试结果
由图3和图4可以看出，测试设备通过阻容分压法将机侧空载三相电压扰动以及两相电压扰动时刻电压升高至额定电压的130%，电压升高时间超过500ms，证明设备具备测试条件，可以进行测试。

由图5和图6可以看出，在小风工况下（10% Pn≦Pn≦30% Pn），三相及两相电压扰动时机侧电压升高至额定电压130%，电压升高持续时间超过500ms，风机在电压升高期间保持并网运行，风机有功波动应在±5% Pn范围内。

由图7和图8可以看出，在大风工况下（P≧90% Pn），三相及两相电压扰动时机侧电压升高至额定电压130%，电压升高持续时间超过500ms，风机在电压升高期间内保持并网运行，风机有功波动应在±5% Pn范围内[1,2]。

图 5 10%~30%功率下三相电压
图 8 90%以上功率下两相电压
4结论
（1）风电机组高电压穿越移动式测试设备能够精确模拟高电压穿越故障，很好的检验了风电机组的高电压穿越能力。

（2）风电机组在电压升高到额定电压的130%时，能够持续并网发电运行至少500ms以上，并且按照标准要求，故障期间风机持续发出相应的感性无功电流。

（3）高电压穿越测试保证了风电机组及电力系统的稳定运行。

参考文献
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[2] 秦世耀，王瑞明．风电机组高电压穿越测试规程，2017：1-5
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