大规模风电机组脱网原因分析及对策.doc

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1、大规模风电机组脱网原因分析及对策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、

2、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

3、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 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，海上风电装机达到2 850 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

4、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

5、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开工，2011年6 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

6、利用小时数924 h。 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 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

7、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. 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

8、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“425”事件起因是由于电网故障造成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。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

9、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而未开放，或者声称具有LVRT 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

10、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

11、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式显得不尽合理。未配或所配的小电流选线装置选线正确率低，无法及时发现单相接地隐患，导致故障扩大化。同时，消谐装置和滤波装置由于参数选择失配、容量偏差、投放不足等因素无法补偿35 kV 系统的电压波动和不平衡，加剧了低压设备的热疲劳。4）风电场无功补偿都是独立设计和配置，没有考虑其作为电源的义务，没有开放风电机组的无功调节能力，目前所有风电机组均采用恒功率因数（cos=1）模式，不能在电网需要时提供支撑。风电场无功补偿装置（SVG、SVC、MCR 等）的设计、调试和调管脱

12、节，功能不全或参数不匹配，未按规定投退或者不能满足快速、连续调整的基本要求，不具备自动投切滤波支路功能，风电大量脱网后出现系统无功过剩，致使故障后系统过电压造成不少风机的逃逸。5）风机厂家未开放风机内部控制和保护系统工作原理，设备厂家技术交底不充分，内部各项关键参数含义不清晰准确、设置混乱，尤其是造成风机低电压保护、过电压保护和频率保护定值整定与电网要求不协调，个别风场SVC、SVG、MCR 装置采集330kV 电压与监控系统电压不一致，对出力设限，影响SVC、SVG 发挥调压作用。事故起始不能有效地缩小事故范围，事故后风电场自启动恢复能力差。6）大规模的风电建设集中投产给设计制造建设监理验收

13、测试运行都带来巨大压力，有限的技术力量导致部分风电场在项目建设阶段未能严把设备质量关，施工及安装质量较差，特别是35 kV 系统施工工艺不良、验收不到位、反措执行不规范等问题更为突出。酒泉风电基地期工程2010 年底处在建设收尾和集中启动并网阶段，基建与运行、消缺交叉重叠，工作界面比较杂乱。承揽电缆头制作的施工人员仅能提供入网电工许可证，无电缆工资质。35kV 集电线路箱变电缆试验过程与规程不符。当时事故电缆交流耐压试验条件为52 kV、15 min，与规程规定42 kV 持续60 min 不符。7）风电运行管理存在薄弱环节，风电场、升压站的运行规程等规章制度不健全，设备调试报告、说明书等基础

14、资料不完整。对于风电场二次系统，包括重要的远动信息、继电保护定值、无功补偿配置和参数的监管不够全面，细节掌握不充分，事故过程中的电网自适应能力不够快速、灵敏。相关风电场运行管理不到位，没有建立或严格执行设备巡视制度，致使设备缺陷得不到及时消除，最终造成设备故障。8）各风场运行人员不足，在自动化、保护等专业运行人员配置方面达不到要求，缺乏风电运行经验，技术培训、事故预案等针对性不强，有关仪器设备配置不全，如无红外、紫外成像仪，没有提前介入风电场安装、调试和验收，对装置原理、运行和事故处理规程不熟悉，设备巡视不规范，不能及时发现设备缺陷，如417 事故中，35 kV 母差拒动原因为各馈线柜母差保护

15、跳闸回路接线错误，造成后备保护动作，延长了故障切除时间。2.2 有关具体措施和政策建议2.2.1 具体措施1）风电机组和风电场满足并网技术要求，具备LVRT是遏制风电机组大规模脱网事故的关键。新并网的机组必须具备LVRT，已并网的风电机组必须按要求的计划整改。来不及LVRT改造的，首先确认满足基本的风机运行要求，如并网点电压跌落0.8 pu以下时，需要不跳闸运行0.10.2 s，见图1，就能穿越大部分的电网瞬时故障。对已并网的风电场LVRT进行梳理、测试，不具备合格LVRT的风电场，应在规定的期限内完成改造并通过LVRT现场抽检，风电场大规模集中接入点上的风机，应优先安排改造。制造厂应主动配合

16、现场，协商具体改造方案并立即实施。开放风机控制及保护定值设置，优化风机保护与风机控制系统间的配合关系，使风机主控系统和LVRT功能相协调。研究LVRT期间风机向电网提供无功支持的方案，风机在电网电压跌落期间不脱网运行的同时，提供必要的无功输出。同时研究具备高电压穿越（HVRT）的可行性及技术方案，应继续加大投入，提高风机制造质量和研发风电机组控制保护等关键技术。2）2011 年以来酒泉风电基地多个风电场连续多次出现电缆头故障，应对在网电缆、电缆头及开关柜做全面的隐患排查，并按规程要求全面做高、低压试验。加强对电缆、开关柜、刀闸接头等设备的运行维护管理，完善运行监视手段，配置红外、紫外成像仪等检查仪器或设备，确保及时准确发现并消除隐患。此外鉴于当前低价中标影响产品质量的问题，建议风电场对设备材料采购过程严格把关，尽量选用大型企业或者能生产更高电压等级电缆附件的企业的产品，避免不合格产品挂网运行。电缆附件安装是一个技术