基于风机主动控制的风电场低电压穿越能力深度挖掘
林湘宁，卓毅鑫，李正天，童宁，徐铝洋，张伟，M. Shoaib Khalid
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.161226
1项目背景
采用Crowbar保护的双馈风机已具备了一定的抗电压跌落能力，但由于低电压穿越允许时间的有限性，在风电并网容量、渗透率逐年提高的背景下，风电场的低电压穿越能力仍有进一步挖掘提升的空间。在一些风电场内外电压扰动场景下，存在即便风电场内可控无功资源已耗尽，仍然无法达到电压控制目标的可能性。
2论文所解决的问题及意义
对风电场内的双馈风机进行相应的控制，对处于异步运行状态的风机进行适量削减，是进一步提升风电场低电压穿越能力的可行途径。而目前鲜有从整个风电场层面出发，以电压紧急调控为目标，对双馈状态可控无功以及处于异步状态运行的风机无功负荷进行协调控制的研究，本文提出了一种试图实现上述目的的风机主动控制策略。
3论文重点内容
1）风机主动控制策略适用场景分析。
对于风电场外扰动场景，目前，风电场常位于风火打捆集中送出的电力系统末端，当火电外送走廊发生永久性故障时，由于无同步电源支持，电网采取电压调控措施使风电场电压恢复至额定电压所需的时间较长，有可能导致大规模风机脱网。
对于风电场内扰动场景，目前风电场升压站低压侧主要采用单母线接线。当集电线路发生短路故障且断路器失灵时，只能由失灵保护隔离故障点。但与此同时，若失灵保护动作时间长于非故障线路风机低电压穿越允许时间，整个风电场也将被切除。
上述两个场景均需要通过风机增发无功或采取风机切机措施，使风电场电压抬升，减少风机脱网台数，提升风电场的低电压穿越能力。
2）风机主动控制策略的实现。
风机主动控制策略通过设置电压调控裕度、求解电压约束下的无功增量及切机比例可行域、以及设置多轮无功增量及切机的方式确保电压控制目标的实现。
在正常运行时，风电场内风机处于双馈状态。当风电场内或系统内邻近风电场的区域发生故障时，整个风电场内都有可能感应到低电压的存在。由于各风机距故障点电气距离差异，各风机机端残压也可能会造成部分风机Crowbar风机投入成为异步运行状态，而Crowbar未投入的风机仍保持双馈运行状态。通过列写风电场内各风机的电压约束上下限方程，可得到实现电压控制目标的二维平面可行域。
图1 实现风机电压控制目标的可行域
通过可行域可得到实现电压目标的风电场内异步状态风机最小切机比例及其对应的风电场内双馈状态风机无功增发比例。求解完成后，依据各风机电压状态执行切机或无功增发指令，以抬升风电场电压。
图2 暂态扰动期间风电场并网风机台数对比
通过算例仿真验证了所提策略的有效性。虽然有可能部分风机将被主动切除，但与全网多数风机因无法完成低电压穿越而群体脱网的确定性风险相比，主动切除部分风机的代价是可以接受的。
4结论
本文基于风电场内外电压扰动可能导致风机脱网的场景分析，提出了基于可用无功输出与异步无功负荷削减相协调的风电场风机主动控制策略，通过列写风机的电压约束方程组，在二维平面上形成方程组可行域，得出可用无功输出比例及异步风机削减比例。通过依据可用无功输出比例调节风电场双馈风机无功输出，并依据异步风机削减比例牺牲部分以异步运行状态的风机，使其余风机电压恢复到电压控制目标以上，从而实现风电场低电压穿越能力的深度挖掘。
引文信息
林湘宁,卓毅鑫,李正天,等. 基于风机主动控制的风电场低电压穿越能力深度挖掘研究[J]. 中国电机工程学报,2017,37(15):4388-4398.
Lin Xiangning, Zhuo Yixin, Li Zhengtian, et al. Study on Deeply Improving Low Voltage Ride Through Ability of Wind Farm Based on Wind Turbine Active Control Strategy[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(15):4388-4398(in Chinese).
原标题:华中科技大学林湘宁，卓毅鑫等：基于风机主动控制的风电场低电压穿越能力深度挖掘研究
