《大规模风电机组脱网原因分析及对策》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大规模风电机组脱网原因分析及对策（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、大规模风电机组脱网原因分析及对策针对酒泉风电基地2011 年发生的几次大规模风机脱网事故，根据现场调查和录波数据分析得出起因是风电场电气设备故障引发相间短路故障，引起站内和系统电压跌落，在此期间大量风机因不具备低电压穿越能力而脱网;故障切除后系统电压恢复，各风电场的无功补偿装置无法及时进行自动电压调整，引起系统电压升高，导致部分风机因过电压保护动作脱网。据此从工程实用角度提出了改造风电机组、完善风电场集电系统及保护配置等措施，并结合大型风电基地特点提出可以合理避免大规模脱网事故进一步研究的问题。0 引言2005 年底，全国风电装机容量仅为1 220 MW，位居世界第八位。“十一五”时期，在可再
2、生能源法及相关配套政策支持下，我国风电产业得到了快速发展。到“十一五”末，全国(不含港、澳、台)共建设802 个风电场，安装风电机组32 400 台，总吊装容量达到41 460 MW(建设容量38 280 MW，并网运营容量31 310 MW)，年均增长率为102%，累计和新增吊装容量均位居世界第一位，装机规模达到了新的水平，但2010 年全年风电发电量约为490 亿kWh，仍低于美国同期的风电发电量1-2。从国际、国内可再生能源发展历程看，风力发电是目前除水电外最成熟、经济效益最好的可再生能源发电技术，重点发展风电等可再生能源必然且已经成为我国能源发展的重大战略决策。在中华人民共和国国民经济
3、和社会发展第十二个五年规划纲要中亦明确指出“新能源产业重点发展新一代核能、太阳能热利用和光伏光热发电、风电技术装备、智能电网、生物质能”及“加强并网配套工程建设，有效发展风电”。虽然全国风电装机规模达到世界第一，八大千万千瓦级风电基地开始建设，但对风电在建设和运行中逐渐暴露出大量的问题要有清醒的认识，包括风电整体质量和技术水平偏低、运行管理缺乏经验与规范、大规模脱网事件频发等;并网运营容量低于总吊装容量接近三分之一，远远落后于发达国家，风电投资效益大打折扣;风电发展规划与电网脱节，风电出力受限严重影响了风电健康、可持续发展，也危害了电网的安全稳定运行3-5。1 大规模风电基地发展截止2010
4、年底，甘肃、新疆、河北、吉林、内蒙古(东、西)、江苏六个省区的七个千万千瓦级风电基地都通过了国家规划审查6。2011 年1 月山东半岛蓝色经济区发展规划被国务院批复7，其中风电规划为“到2015 年，陆地装机容量达到7 150MW，海上http:/ 850 MW。到2020 年，海上风电装机达到10 000 MW”。山东成为中国第八个千万千瓦级风电基地。八个千万千瓦级风电基地的总装机容量约占全国的80%，由此可知风电基地在我国风电规划中的分量，风电基地的发展和运行情况决定了我国风电事业的整体水平。1.1 酒泉基地发展规划甘肃是全国风能资源较丰富的省区之一。根据甘肃省风电工程规划报告和气象部门分
5、析成果，全省风能资源理论储量为2.37 亿kW，风能总储量居全国第五位，其中酒泉地区年有效风能储量在800 kWh/m2 以上，年平均有效风能密度在150 W/m2以上，有效风速时数在6 000 h 以上，可开发风电装机容量在40 GW 左右8。2007 年甘肃省政府提出了“建设河西风电走廊，再造西部陆上三峡”的战略目标。酒泉地区是我国最早批准的千万千瓦风电基地。风能条件好，年内、年际风速偏差较小，有利于风力发电机组安全稳定运行;风力气候环境好，干燥无盐，有利于延长风机寿命;地域辽阔，风电场选址较易，受区域内季风影响小，有利于风电场开发建设;工程地质条件好，有利于降低风电项目建设成本;交通运输
6、便利，有利于风电设备运输。2009 年8 月8 日，酒泉千万千瓦级风电基地期项目正式http:/ 月期项目基本完成。2011 年5 月，酒泉风电基地期工程建设规划已经得到批准。依据规划，到2015 年酒泉风电基地装机容量接近14 GW，至2020 年，超过20 GW。1.2 酒泉基地特点截止2011 年6 月底，风电并网容量达4 135 MW，在运风电机组2996 台，机组平均容量1.38 MW。其中，1 月至6 月完成风电发电量35.1 亿kWh;全网风电场累计利用小时数924 h。截止2011 年6 月底，在运风电场共有15 座具有利用小电流接地选线装置快速切除场内35 kV 系统单相故障
7、的功能，占在运风电场总数量的56%;完成风电机组低电压穿越能力(LVRT)改造676台，占总风机台数的22.6%;完成电缆头整改的风电场有25 座，占并网风电场数量的92.6%;有10座风电场已完成E 格式文本信息上传;3 家风电场已投运风功率预测系统。中国电科院正在中海油昌西二风电场对东汽风机做LVRT 实验，目前空负荷电压跌落至20%实验已经完成9。但进入5 月后，由于前一阶段酒泉基地频发风机脱网事件，出于电网安全考虑和加强风电企业自律的要求，对不满足风电并网要求的风电场采取了整改及限出力措施，并责令今后一定时段内完成整改。5 月以来，大规模风电脱网机组事故再未发生，说明整改有成效。基于甘
8、肃风电并网现状和风力风能特征，其4月份风电场基本运行指标很有典型意义(风电出力未受限)，经过数据对比分析，我们可以看出酒泉风电场具有如下基本特点。1)开发规模大，集中程度高，11 个风电场220万风电装机均接于750 kV 敦煌变330 kV 母线，出力波动范围大，反调峰特性明显;保证出力很小，接近于0;有效出力较大，大于装机容量60%，说明酒泉风电在用电高峰时进行电力平衡的作用很弱，在负荷低谷时段安排系统调峰也相对困难9-10。2)大型基地风电场群的积聚效应使整体出力变化趋缓，但是4 月份酒泉风电出力1 min、5 min、15 min 风电http:/ kV 新疆西北电网联网线路投产后，由
9、于风电场运行特性和电网安全水平影响，风电大发时其送出依然受限，整个河西地区网源协调能力受到严峻考验9。5)由于网架结构的约束，酒泉风电调峰基本由甘肃电网承担，运行方式安全压力大9。1.3 大规模风机脱网事故情况今年1月到4月份，酒泉各风电场共发生电气设备故障35起，其中电缆头故障造成集电线路跳闸21次，保护插件故障造成设备跳闸或断路器拒动5次，其他故障9次。特别是连续发生大规模风机脱网事故四起，“2·24”、“4·3”、“4·17”、“4·25”事故分别导致598、400、702和1 278台风电机组脱网，酒泉风电基地大规模脱网故障情况见
10、统计表1。事故的起因主要是单个http:/ 年2 月24 日事故前，并入750 kV 敦煌变的桥西一场68 台华锐风机并网运行，全场带出力9.60 MW，0:34，桥西一场35B4 馈线开关柜下侧电缆头发生C 相击穿，经过约11 s 很快发展为三相短路，35B4 开关过流保护段动作，60 ms 后开关动作跳闸，切除该馈线所带全部12 台风机，损失出力1.80 MW，桥西一场其余57 台在运风机均因不具备LVRT 而脱网，损失出力7.80 MW12。故障导致系统电压大幅跌落，750 kV 敦煌变330 kV 母线电压最低跌至267 kV(0. 735 pu)，其中低于0.8 pu 持续时间20
11、ms，在此期间因机组不具备LVRT 而脱网274 台，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，造成大量无功功率过剩涌入330 kV 电网，同时因风电大量切除，造成输变电设备负荷减轻，共同引起系统电压升高，敦煌变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http:/ 台，共损失出力424. 21 MW。此外在故障期间，有24 台机组因频率高保护动作脱网(后查原因为变频器模
12、块故障导致误发信号)，甩出力3.60MW。本次事故造成598 台风电机组脱网，共损失出力840.43 MW，西北主网频率最低跌至49.854Hz。经现场检查，发现35B4 开关间隔C 相电缆头半导电层切口不整齐、未作锥面处理，导致应力集中。另外，未按工艺要求涂刷硅脂，导致在电缆头应力锥部位出现绝缘薄弱点，在运行中发生单相接地故障;C 相单相接地发生后11 s，放电弧光及放电粉尘短接A、B 相电缆接线桩头，发展为三相放电故障，开关跳闸。风机集中脱网严重影响了电网电压和频率的稳定，造成短时间内局部电网指标大幅波动，直接威胁到电网整体安全稳定运行。即使类似酒泉“4·25”事件起因是由于
13、电网故障造成330 kV 变电站部分失压，直接影响风机533 台，甩出力479MW，但由于风电自身继电保护、低电压穿越、变流器故障、无功补偿和高电压穿越等问题造成风机扩大停运745 台，加重甩出力1 056.2 MW，导致西北电网频率最低至49.765 Hz，远较直接原因严重。从表1 可以看出，一是故障前系统都处于大风天气，风电大发，最高出力接近2 000 MW，约占当时风电总装机容量的一半;二是故障切除的机组数量相对较少，这里故障切机的意义是切除故障连带切除的机组，不论机组质量和有无LVRT;三是低电压切除风机的比例越来越大，而高电压切除风机的比例越来越小，说明风电机组的LVRT 改造比较困
14、难，需要投资和时间，而无功补偿设备的管理等整改措施效果显著;四是其他原因跳机也越来越少，说明风电机组的管理运行水平有了明显提高。2 风电基地存在的安全运行问题2.1 风电场安全运行现状1)大量风机不具备LVRT，风机主控参数和变流器定值与LVRT 失配，或者风电机组具有LVRT而未http:/ 能力，但均未经过有资质的检测中心检测和认证，部分风电场的风电机组LVRT 能力只适应于三相对称电压跌落，而对于电网中经常出现的不对称电压跌落不具备穿越能力，故障过程中系统电压仅降至80%，就有总脱网数一半以上的风机逃逸。酒泉某风电场6 台完成LVRT 改造的1.5 MW机组经受了后续故障的考验，说明了LVRT 改造的必要性。2)风电基地中风电场集中接入电网，基本上无其他电源和负荷。750kV 敦煌变处于新疆西北主网的联网通道，常规电源和下级电网薄弱。这种系统条件下，电网电压控制困难，正常运行时波动大。风电场内部或系统的短路故障引起的电压跌落会波及到所有风电场，必然导致所有不具备LVRT和不合格的风电机组大规模脱网事故的发生。3)目前所有风电场35 kV(10 kV)集电系统均为不接地系统，该方式是系统中性点对地绝缘方式，允许带单相接地运行12 h，是从配电系统设计中借鉴过来，一般适应于接地电流小的架空线路，对于架空电缆混合的发电系统接线方
