海上風電集群與火電打捆外送系統低電壓穿越特性

余浩，王盼盼，段瑤，田書新，陳武暉

（1.廣東電網有限責任公司電網規劃研究中心，廣東省廣州市 510080；2.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西省太原市 030024）

0 引言

隨著全球一次能源的不斷減少以及“雙碳”目標的提出，提升新能源在電力系統中的比例，逐步形成以新能源為主的新型電力系統，已經成為國家戰略要求。風力發電是新能源發電當中發展比較成熟的一種。相比陸上風電，海上風電具有更豐富的風能資源、年利用小時數高、節省土地資源等優點。海上風電在廣東、江蘇、山東等省份迅速發展，目前在電力系統當中占據相當規模。廣東電網海上風電發展迅速，截止2021年7月底，廣東海上風電裝機1472 MW。但海上風電依賴于天氣與氣候的變化，因此具有間歇性、波動性與不確定性，這對電能質量與電網穩定性都是巨大的挑戰。

為平抑海上風電的波動性和間歇性對輸電通道及系統功率平衡的影響，海上風電通常與火電打捆外送。為確保海上風電與火電打捆外送系統的穩定性與安全性，相關學者在外送系統穩定性方面，其中風、火配置比例與方案，風、火打捆系統次同步振蕩以及風、火打捆調控策略等方面進行了較多的研究。文獻[1-2]從風、火打捆直流輸電系統穩定性出發，研究對比了不同風、火配比下的影響，提出最優風、火容量配置比例；文獻[3]綜合考慮了輸電成本與火電機組的影響，結合風電場持續出力曲線給出了最優的風、火配置方案；文獻[4-5]分別基于風、火打捆系統風機與直流輸電的動態交互問題和線路串補度等，進一步研究了風、火打捆系統的次同步振蕩產生機理與抑制措施；文獻[6]從系統暫態穩定性角度，研究了電力系統穩定器與靜止同步串聯補償器對風、火打捆系統低頻振蕩的削弱作用；文獻[7]基于擴展等面積定則，分析了風電場選址與火電機組出力等因素對系統暫態功角穩定性的影響；文獻[8-9]針對目前風、火打捆系統存在的有功控制問題，結合中國風電輸送調度現狀，給出了風、火打捆有功控制系統的智能調節策略。盡管風、火打捆技術研究發展迅速，但低電壓穿越問題在風、火打捆系統安全穩定運行當中作為關鍵性技術，目前研究仍然很少涉及。

在風電場低電壓穿越方面，文獻[10]基于6臺1.5 MW永磁直驅式風機研究了單相與三相短路故障下，風電機組通過降低有功功率，增大無功功率維持電網電壓；文獻[11]采用12臺0.989 MW的風力發電機，分析了靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)控制策略在低電壓穿越當中的正確性。但單臺或小容量風機研究在風、火打捆實際場景中缺少適用于我國風電集中開發并網的場景。文獻[12]基于150臺2 MW變速風機，對電壓故障下不同接入方案進行比較，分析了系統接入方案與風電場接入方案對低電壓穿越的影響；文獻[13]在80臺1.5 MW風機基礎上，利用變異系數法對風電場進行性能評估，進而調整各臺風力發電機的無功出力，故障發生時支撐電網電壓；文獻[14-15]側重考慮打捆系統中雙饋風機的影響，證明了撬棒保護在故障穿越中的作用。以上風電場低電壓穿越研究僅考慮了風電場低電壓穿越，更加側重風電場本身，未考慮大規模風電場集群之間動態耦合對故障風電場低電壓穿越的影響，也沒有計及風電集群與打捆火電之間的相互耦合對低電壓穿越的影響。

由上述分析可知，當前研究主要針對單個風電場的低電壓穿越問題，而隨著“十四五”規劃的提出，基地式集中連片開發成為我國海上風電開發的主流模式，多個風電場集中并網故障期間各風電場之間的動態特性耦合、各風電場故障期間的相互影響、低電壓穿越過程特性復雜等問題，亟需進一步研究。而且風電集群與打捆火電之間的相互耦合對低電壓穿越的影響也需要進一步研究。

本文在總結國內外風電場低電壓穿越標準的基礎上，應用風、火打捆系統的短路比和火電機組的無功調整機理，從理論角度解釋了火電提升了海上風電與火電打捆系統電壓的支撐能力，進而指出火電對多風電場的低電壓穿越能力也有一定程度的提升。并在PSCAD/EMTDC中搭建某實際規劃場景的海上風電集群與火電打捆系統模型進行仿真驗證，結果表明：火電機組提升了與其打捆的風電集群的低電壓穿越能力。而在風電集群單獨外送系統中，由于多風電場之間動態相互作用導致故障風電場的電壓、電流以及功率等發生振蕩，即使在電壓跌落至額定電壓75%的情況下也可能無法實現低電壓穿越；在故障風電場電壓跌落嚴重的情況，可能導致非故障風電場也無法正常運行。這些研究結果驗證了上述理論分析的合理性。

1 我國風電場低電壓穿越

電力系統中電網短路故障是較為常見且后果也比較嚴重的一類故障，電網發生短路故障常常引起風電場并網點母線不同程度的電壓跌落，風機無法像火電機組一樣在電力系統發生故障時對系統提供一定的無功與有功功率協助系統恢復穩定，嚴重時將使得風電場無法正常運行甚至脫網，進而使電網產生電能缺額，對電力系統穩定性提出了挑戰，因此各國根據各自電網運行需求，制訂了不同的風電場低電壓穿越標準。

1.1 我國低電壓穿越要求

我國規定的風電場低電壓穿越能力是指當電網故障或擾動引起電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內，風電機組保證不脫網連續運行的能力[16]。在《GB∕T 19963.1—2021風電場接入電力系統技術規定》中給出了風電場低電壓穿越的具體標準，要求即使在電壓跌落很嚴重的情況下，發電設備也應該保持并網并持續運行，只有在電壓跌落至標準線下，才允許風機脫網。

從圖1可以看出，我國要求風力發電機組在并網點電壓降至20%時仍能并網連續運行0.625 s，并且故障發生2 s內并網點電壓能恢復至正常運行時的90%。同時國標上也對不同故障類型下風電場未脫網風機的有功功率恢復速率、動態無功支撐能力等做出了相應要求。三相短路故障在所有類型的故障當中最為嚴重，對電網穩定性的影響更加顯著，因而規范中對三相短路故障時的動態無功支撐能力有著更加嚴苛的要求。

圖1 我國低電壓穿越標準Fig.1 The LVRT specified in CNS

風電場動態無功電流增量應響應并網點電壓變化，并應滿足公式（1）[16]

式中：ΔIt為風電場注入的動態無功電流增量；K1為風電場動態無功電流比例系數，取值范圍應不小于1.5、不大于3；Ut為風電場并網點電壓標幺值；IN為風電場額定電流。

除此之外，規范也要求風電場并網點電壓正序分量跌至額定電壓的80%及以下時，風電場輸出的無功電流不能低于風電場正常情況下并網額定電流的1.05倍，且要求風電場故障切除后有功功率速率不小于0.2 PN/s 恢復至故障前的值，PN為風電場額定有功功率。

1.2 風電集群動態相互作用對故障穿越的影響

我國海上風電目前呈現出大規模連片開發特點，大規模風電集群集中并網成為典型場景之一，圖2所示為我國某地區實際海上風電集群規劃項目。A區域7個風電場與B區域4個風電場并網外送，這些海上風電場相互之間存在動態相互作用，包括同一區域內風電場間相互作用，不同區域之間風電場相互作用。假設風電場Wind8送出線路發生短路故障時，故障風場母線電壓下降，與此同時，非故障風電場Wind9-11由于與故障風電場之間存在電氣連接，電壓也會受到影響，不同區域的風電場Wind1-7也會存在不同程度的電壓下降。與單獨風電場接入相比，非故障風電場的電壓下降，將吸收大量的無功，進一步惡化故障風電場故障穿越的電網環境，為協調控制所有風電場電壓，需要向系統注入大量無功功率，造成多場站系統低電壓穿越所需無功功率比單獨風電場大很多，若系統不能及時向風電集群注入大量無功功率支撐電網電壓，風電集群之間無功串動，可能遭受動態電壓振蕩失穩，無法實現故障穿越。因此，與單個風電場低電壓穿越相比，對多風場系統低電壓穿越能力的要求更高，需要進一步研究。

圖2 海上多風場并網示意圖Fig.2 Sketch map of grid-connected multi offshore wind farms

2 火電機組對與其打捆的海上風電系統低電壓穿越性能的提升作用

我國海上風電目前呈現出大規模連片開發而且集中并網的特點，由于風電場間的動態耦合，大規模風電集群集中并網的低電壓穿越問題嚴重。目前海上風電與火電打捆系統發展迅速，風、火打捆系統低電壓穿越問題還有待研究。本文從系統短路比和火電機組勵磁調節系統提供無功支持原理2個方面來闡述火電機組對海上風電集群低電壓穿越的提升作用。

2.1 風、火打捆提高風電場短路比對電壓支持作用

火電的接入可以改善新能源系統并網的抗擾性能，增大系統阻尼提高系統的穩定性[17-18]。短路比作為工程實際中衡量電網強度的指標，可以為電網規劃和運行提供一定程度的參考，當風、火打捆系統短路比過低時，系統會存在寬頻振蕩風險；短路比越高，系統強度越大，可以應對的嚴重故障的能力越強?；痣姷慕尤雽ο到y短路比具有提升作用，具體如下：

通常將單獨風電場接入交流系統用戴維南等值方法簡化為一個理想電壓源串聯電阻的形式[19]，以受端系統為例，如圖3所示。

圖3 單獨風電場示意圖Fig.3 Sketch map of grid-connected individual wind farm

將系統三相短路容量與送出額定有功功率的比值作為衡量電網強度的短路比指標，計算單獨風電場的短路比

式中： Zeq1=ZW+ZX， ZW為風電場送出線路等值電抗；ZX為 打捆系統輸電線路等值電抗；SN為系統三相短路容量；PN為新能源系統送出有功功率；UN為風機并網點額定電壓。

進一步將單獨風電場戴維南等值方法推廣至風、火打捆系統，同樣可以將其簡化為一個電壓源串聯電阻的形式，圖4為風、火打捆系統接入受端電網示意圖。

圖4 風、火打捆系統示意圖Fig.4 Sketch map of bundled system composed of offshorewind power cluster and thermal power units

考慮到火電機組在風、火打捆系統中能夠像交流系統一樣提供短路電流，增大交流系統的短路容量，故將火電機組并入受端電網，機組阻抗與受端電網阻抗并聯得到新能源風電場短路比計算公式為

式中： Zeq2=ZW1+ZX//ZF2，為風、火打捆系統等值阻抗；ZF2為同步電機電抗與線路阻抗的和。一般情況下火電接入后，系統網架會因傳輸功率上升而進一步加強，ZX也會減小。顯然，由式（2）（3）可以看出，當風電場傳輸容量相同，輸電線路阻抗同樣保持不變的情況下，風、火打捆系統短路比要大于單獨風電場短路比：

當增大火電廠容量時，火電機組等效電抗由ZF變 為Zf

式中： Zeq3=ZW+ZX//Zf，由于火電廠容量增大導致Zf＜ZF，故 Zeq3＜Zeq2，代入式（3）和（5）可以得到如下關系

從短路比角度來看，上述分析可以歸納為：風、火打捆系統由于火電廠的接入，短路比相對變大，且隨著火電廠容量增大，風、火打捆系統短路比提高，風、火打捆系統電網強度大于單獨風電場電網強度。當系統發生故障時，風電場并網點電壓保持能力也進一步增強，系統在電壓跌落故障時受擾能力也相應增強。

2.2 火電機組對風、火打捆系統的動態無功支撐

火電廠通過勵磁調節器調節發電機的勵磁電流，原理如圖5所示。測量環節采集到的機端電壓與發電機機端電流經過濾波環節與電壓參考值Uref比較后，再經過綜合放大與移相觸發環節等控制發電機勵磁繞組的勵磁電壓uf。

圖5 交流勵磁機勵磁系統傳遞函數Fig.5 Transfer function of AC exciter excitation system

由于發電機的內電勢與發電機勵磁電流成正比 E0=kfIf。根據圖5，發電機勵磁系統通過調節勵磁電壓uf可以改變勵磁電流If，從而改變發電機的內電勢，保持發電機的機端電壓恒定，同時控制同步機輸出的無功功率，如圖6所示。E0、E0′、分別表示發電機正常勵磁、欠勵和過勵時的激磁電動勢。

圖6 勵磁調節原理圖Fig.6 Schematic diagram of Excitation regulation

正常運行時，勵磁電動勢與機端電壓和電流的關系E˙0=U˙t+j I˙tXa。為保持發電機的機端電壓恒定不變，當機端電壓降低時，發電機勵磁調節器會增大勵磁電流，發電機運行在過勵磁狀態，向電網輸出無功功率；當系統電壓升高時，發電機勵磁調節器減小勵磁電流，發電機運行于欠勵磁狀態，發電機從電網吸收無功功率。

風電場在正常運行期間，只向電網發出有功功率而幾乎不發出無功功率，功率因數接近1。發生短路故障時，短路點電壓會瞬間跌落，形成較大的無功功率缺口，因而需要系統中的無功功率電源發出一定的無功功率填補缺額，阻止短路點電壓進一步跌落，最終實現風電場的低電壓穿越。系統正常運行情況下，火電機組發出的有功功率和無功功率為恒定值。當風電場發生短路故障時，電網電壓跌落，火電機組機端電壓下降，機組為保持機端電壓恒定，通過勵磁調節器自動增大勵磁電流，為系統提供動態無功功率，在一定程度上也會減少風、火打捆系統的電壓跌落，提升風電場低電壓穿越能力。

綜上分析，風、火打捆系統中火電機組對風電場的低電壓穿越能力有一定的提升作用，主要表現在2個方面：一方面火電接入可以提高系統短路比，增強系統電壓抗擾能力；另一方面火電在系統故障時可以提供動態無功功率，幫助電網電壓更快恢復至穩定值。

3 火電接入對風電場低壓穿越的影響

3.1 某實際規劃海上風電集群與火電打捆場景及參數

本文研究的算例為某海上風電集群與火電打捆接入系統的實際規劃項目，風、火容量配比為1：1.35，其中海上風電集群包括11個風電場，海上風電場分布在2個地區，總容量3320 MW，A區7個風電場總容量為1600 MW；B區4個風電場總容量為1720 MW，其中的500 MW風電場為該區容量最大的風電場。打捆外送火電廠2個，總容量4480 MW，而2個火電廠只分布在C市與D市，總容量分別為2480 MW與2000 MW。

風電場均采用額定容量為5.5 MW的永磁半直驅風電機組，風機接背靠背脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)變流器后連接0.69 kV/35 kV變壓器，經11回路傳輸線(A區7回路、B區4回路)匯集到35 kV母線，再經過2次集控站升壓到500 kV接入電網。另一側火電機組也經22 kV/500 kV變壓器將電能輸送到遠端受電系統，最終實現風、火打捆。海上風電場集中并網場景如圖2所示，與火打捆場景如圖7所示，場景詳細規劃參數見表1—4。

表1 線路參數Table 1 Line parameters

圖7 風、火打捆系統場景圖Fig.7 Scene of bundled system composed of offshorewind power cluster and thermal power units

本文在PSCAD仿真的基礎上搭建上述實際規劃的風、火打捆的場景，通過在風電場并網點設置三相接地短路故障進行對比，探究多風電場與多火電機廠的打捆外送對風電場低電壓穿越產生的影響。如圖7所示，B區容量為500 MW的風電場在并網點發生三相經電感接地故障，通過改變電感大小控制電壓跌落程度。故障起始時間4 s，持續時間0.625 s。

3.2 火電廠對故障穿越能力提升作用分析

1)系統短路比變化對低電壓穿越影響。

由圖8可以看出，隨著系統阻抗從0.02 H提升到0.06 H，系統短路比逐漸減小，相同故障下風機電壓跌落程度也逐漸從0.785 pu變化到0.776 pu。同樣，由圖9可以看出，隨著火電接入阻抗從0 H提升到0.1 H，系統短路比減小，相同故障下風機電壓跌落程度也逐漸從0.781 pu變化到0.752 pu。綜合圖8—9，說明風、火打捆系統

圖8 改變外送線路阻抗時風電場并網點電壓示意圖Fig.8 Voltage at grid-connected point of wind farm when impedance of outwardsdelivery transmission line ischanged

圖9 改變火電廠接入阻抗時風電場并網點電壓示意圖Fig.9 Voltage at grid-connected point of wind farm when grid-connected impedanceof thermal power plant ischanged

低電壓穿越能力與短路比正相關，火電的接入使系統短路比增強，維持系統電壓保持能力也增強，風、火打捆系統故障穿越能力也同時提升。

表2 變壓器參數Table 2 Transformer parameters

表3 風機參數Table3 Parametersof wind-driven generator

表4 同步機參數Table 4 Parametersof synchronousgenerator

2)火電機組勵磁調節器對低電壓穿越的作用。

為探究火電機組提升風電場低電壓穿越能力的運行機理，給出火電機組3種程度故障時勵磁電流與無功功率曲線，如圖10所示。

從圖10可以看出，風電場發生故障引起電壓跌落后，火電機組的勵磁電流會相應上升，過勵磁的火電機組會向電網發出感性無功功率支撐電網電壓。并且跌落程度越嚴重，勵磁電流上升的越多，火電機組發出的無功功率也越多。

圖10 火電廠穿越故障的無功支持作用Fig.10 Reactive power supporting action of thermal power plant under fault ride-through

為進一步研究火電機組勵磁電流的變化對系統低電壓穿越能力的作用，本文選取電壓跌落至20%的場景，改變故障發生時勵磁電流的大小，測量故障點電壓變化情況，得出圖11。

如圖11所示，相同跌落程度下，隨著勵磁電流的上升，故障點電壓跌落程度有所減小，說明火電機組除了提高系統短路比，增強系統電壓保持能力外，還可以通過改變勵磁電流，增大故障時提供給系統動態的無功功率，故障結束后幫助電網電壓恢復至穩定值，與前文分析一致。

圖11 不同勵磁電流時故障點電壓示意圖Fig.11 Voltage at faulty point under different exciting currents

3.3 風電單獨外送與風、火打捆系統的低電壓穿越性能對比

選擇接地電感為0.003、0.001和0.00025 H的場景，設置3種故障程度，分別為75%、50%、20%電壓跌落，數據測量點為35 kV并網點風機側。本文給出了75%與20%跌落程度仿真圖，50%跌落程度與前2者相似。圖12—15給出了2組測試結果，包括風電場并網點電壓、電流、有功功率、無功功率。

通過觀察圖12—13中(a)、(b)、(c)和(d)，可以看出：當風電場故障點跌落至75%、20%時，無論是電壓、電流、有功功率還是無功功率，風、火打捆系統都比未接入火電的系統波動程度要小，故障后都能恢復穩定，且符合國標低電壓穿越標準。

圖12(a)中，當風場故障點電壓最低跌落至標稱電壓的75%時，無打捆火電的系統的故障點電壓在120%與80%之間劇烈振蕩，且故障后電壓無法恢復至故障前狀態。而當風電集群與火電打捆后的系統并網點電壓故障時能夠平穩地維持在額定80%，且在故障后電壓很快恢復至初始的穩定電壓。圖13(a)中，也同樣顯示，當風場故障點電壓最低跌落至標稱電壓的20%時，無打捆火電的系統故障點電壓在120%與20%之間劇烈振蕩，且故障后電壓無法恢復至故障前狀態。而風電集群與火電打捆后的系統并網點電壓故障時能夠平穩地維持在額定電壓的20%，且在故障后電壓很快恢復至初始的穩定電壓。從圖12—13還可以看出，無火電打捆時，風電場故障點的電流、有功和無功也發生劇烈振蕩，且無法恢復到穩態運行。

圖12 故障風場電壓跌落至75%時的測試結果對比Fig.12 Comparison of test results when voltage of faulty wind farm dropsto 75%

圖13 故障風場電壓跌落至20%時的測試結果對比Fig.13 Comparison of test results when voltage of faulty wind farm drops to 20%

從圖12—13分析可知，當風電集群單獨并網時，由于系統短路比較小，一個風電場發生三相電壓跌落時，故障風電場并網點電壓會瞬間跌落并產生劇烈波動，風電場交流電壓支撐能力不足使系統出現振蕩，最終導致風電場低電壓穿越的失敗，其他參量如電流、有功功率和無功功率與電壓一樣，也發生劇烈振蕩，說明當風電集群容量較大或者故障程度較為嚴重時，單純依靠風電機組網側的控制難以恢復穩定。而當風電集群與火電打捆外送時，火電對風電場的故障穿越性能有重要的提升作用。

如圖14(a)當風電場故障點電壓跌落至75%、時，非故障風電場并網點電壓跌落至86%，與風、火打捆時并網點電壓、電流、有功和無功曲線相比，風電集群單獨并網系統的各量的曲線都有不同程度的振蕩。圖15(a)所示，當風電場故障點電壓跌落至20%時，非故障風電場并網點電壓跌落至71%，并網點電壓、電流、有功和無功都發生劇烈振蕩，無法正常運行。而風、火打捆系統中，各非故障風電場并網參數很快恢復到穩定運行狀態。

圖15 非故障風場電壓跌落至20%時的測試結果對比Fig.15 Comparison of test results when voltage of nonfaulty wind farm dropsto 20%

從圖14—15(a)來看，風電集群集中并網系統在一個風電場故障后，其他風電場電壓也會有所下降，進一步吸收大量無功，惡化故障風電場故障穿越的電網環境，甚至在故障風電場電壓跌落嚴重的情況（跌落至額定電壓20%時），非故障風電場電壓、電流、有功和無功也發生劇烈振蕩，無法恢復到穩態運行點。這說明，風電集群中各風電場動態相互作用會降低風電場故障穿越的能力。

圖14 非故障風場電壓跌落至75%時的測試結果對比Fig.14 Comparison of test results when voltage of nonfaulty wind farm dropsto 75%

從圖12—15可以看出，風電集群與火電打捆接入系統后，火電能夠提供無功，提升風電集群低電壓穿越能力。

4 結論

1）風電集群中各風電場之間存在動態耦合，風電場低電壓穿越時對電網支撐能力要求較高，風電集群單獨并網（無打捆火電廠）時，故障風電場很難實現故障穿越；在電壓跌落嚴重時，非故障風電場也會發生劇烈的電壓、電流和功率振蕩，故障后無法恢復到穩定運行狀態。

2)當海上風電集群與火電打捆時，系統短路比提高，風、火打捆系統低電壓穿越能力增強。而且，火電還能夠調節勵磁電流，增大無功功率支撐，降低系統電壓跌落程度，實現海上風電集群故障穿越，故障后穩定運行。

3）不同電壓跌落程度下，火電機組提供的無功功率有所不同，跌落程度越大，火電機組提供的無功功率越大。由于火電機組能提供的無功功率有限，在工程實際中，為提高風、火打捆系統低電壓穿越能力，應當配合其他無功調節手段，根據實際情況需進一步對多種無功支撐手段進行仿真研究。