并网监测系统在风电机组上的应用研究

并网监测系统在风电机组上的应用研究

罗淑栋

大唐景泰新能源有限公司 甘肃 兰州 730030

摘要：随着国家绿色能源的战略推进和风电行业的快速发展，电网中越来越多的风电机组作为电源为负荷端提供能量。而随着大规模风电机组的并网运行，该类电源对电网安全的影响权重相应增大，因此国家电网根据风电特性和电网需要，逐步增加了低电压穿越、高电压穿越、一次调频等电网适应性、友好性、安全性的并网要求。新的并网要求促使风机厂家不断研发新方案、新技术以满足电网的并网要求，进而也提升了电网能够接纳风电机组作为电源的比例，使得风电行业得到进一步的发展。

关键词：并网监测；风电机组；应用研究

引言

为适应未来高比例可再生能源场景，风电机组主动参与电网频率调节已成为保障系统频率安全运行的有效手段，因此引发了众多学者对风电频率控制技术的广泛关注，而通过利用转子能量提供短期功率支撑的虚拟惯量控制方式更是成为研究热点。目前关于虚拟惯量控制的研究重点一方面在于如何挖掘风电调频潜力，以达到较好的频率支撑效果，另一方面考虑如何设置合理的转速恢复方式，使风电机组快速恢复转速的同时确保系统频率稳定性能。

一、并网监测系统

并网监测系统是一套用于风电在线监控、智能分析、后备保护和发电场故障辅助诊断的定制化系统。该系统由硬件监控单元和软件综合分析单元组成，现场数据通过发电场已有的光纤环网进行通信。通过软、硬件算法相结合的综合判断方式，并网监测系统不仅能够对风电场单台机组发生的过电压、低电压、不平衡、频率异常、功率问题、谐波、短路进行监测、记录、分析和系统保护，为设备的问题查找、后续优化提供数据和理论支撑，而且能够通过后期配套实现整场发电设备电参量特征值的多维立体分析，诊断发电场因大风、雷击、老化等问题导致的频发故障并进行辅助定位，加快整场故障处理速度，降低检修成本，减少不必要的停机时间，从而提高风电场发电量。

二、对电网调节控制的影响

在风电直接并入电网后，会给电网的正常运行带来影响。风电并入电网之前，需选择合理并网方式，确保电力系统能够实现稳定运行。其中传统并网方式，单个风电场容量都相对较小，作为一种分布式电源，分散到配电网络中，能够实现就地消纳。另外一种，一些大型风电场需要实现输电通道的集中外送，例如我国内蒙古、张和酒泉家口、江苏等地，就具备千万瓦级别的风电基地，不仅实现大型风电场的稳定运行，还能实现电能的合理运用。但在实际电网调节中，风电并网后，容易引起电网调节控制的相应问题。结合电网传统的基本情况，发现是基于电源可靠性和负荷的可预测性，当系统风电容量达到一定规模后，风电的随机性和不可预测性会给调度带来一定的影响，甚至还造成一定的问题。需要结合实际情况，实现对相应问题的合理控制，降低相应问题的发生概率，全面提升电力系统的服务能力，使电力系统能够更好地为人们提供电力服务。

三、并网监测系统在风电机组上的应用研究

(一)现有风电并网系统次同步振荡研究

多次研究风机接入引发电力系统次同步振荡的原因，或认为风电场内风机型号相同，从而采用一台扩容风机代表一个风电场或风电机群，而并未对如此等值的有效性进行验证。因此，在基于一致性控制理论的风电并网系统小干扰稳定性解耦分析方法出现之前，风电并网系统次同步振荡和风电场等值是电力系统领域中2个独立的研究课题，次同步振荡研究中所采用的风电场等值模型可在一定程度上揭示风电接入引发电力系统次同步振荡的机理，但是由于其等值过程中的简化，如忽略集电网络等，导致其无法有效揭示风机数量和集电网络结构等的变化对系统次同步振荡的影响，仅分析了风机控制系统参数等的影响。当基于一致性控制理论的解耦分析方法被用于并网风电场次同步振荡研究后，才开始揭示风电场网络结构和风机数量变化对系统次同步振荡的影响，同时得到了一种能准确反映风电场在扰动作用的动态响应特性的风电场等值模型。

（二）风电机组动态频率控制策略

风电机组惯量控制附加功率由虚拟惯性控制与虚拟下垂控制共同构成，二者分别对频率变化率和频率偏差有较好的抑制效果，通过引入权重系数能够使风电机组根据系统频率变化情况调节出力大小，从而发挥二者调频优势。基于上述思想，本文提出一种考虑权重系数的风电机组动态频率控制策略，

（三） FMEA的故障知识分析

FMEA方法主要通过对系统、设备进行分析，将致使其无法完成工作目标甚至产生严重后果的原因找出来，其基本任务是：确定故障的发生形式，找出已发生故障以及潜在故障的主要原因，为后期检修维护提供科学依据。FMEA方法多维度地分析系统设备的健康问题，以故障的征兆、模式、部件、影响、原因、措施为主要分析内容。借助FMEA分析方法思路，分析获取从原因到影响的故障演变知识、从故障征兆到故障诱因的诊断推理知识、从故障部位到维护措施的维护决策知识。

（四）风电机组故障知识推理

以某次齿轮箱高速轴超温故障为例说明该知识框架在风电机组故障诊断与检修维护工作中应用的有效性。SCADA系统监测出齿轮箱高速轴温度超出阈值后报警，最终导致机组停机。其中，报警阈值是由机组正常运行的历史数据经聚类算法、多元高斯混合模型等方法确认的全工况下参数基准区间。故障发生时，齿轮箱高速轴前端测点温度及后端测点监测温度均超过90℃，从而触发基于规则的相关性查询。采用SPARQL查询故障征兆属于何种故障模式，并在确定故障模式之后罗列出该故障的原因及相应的维护措施。

增加故障录波功能，将变电站自动化控制系统中的故障录波系统应用至风电机组，采集单台风机电流、电压以及直流电压、变桨后备电源电压，并记录故障和警告触发前后波形，从而方便事件追忆。特别是风机发电机的不稳定运行状况，在风机发电机单相接地、相间短路初期，发现放电波形，及时停机开展塔上维修，可以有效避免大部件下架，有效降低设备维护成本。同时，提前发现风机电流、电压波形异常，有助于运维单位尽早策划设备维修，降低设备损失电量。电流、电压值的突变量报警还能提示运维人员及时采取停机等有效控制措施，预判和杜绝风电机组事故的发生，为风电机组安全稳定运行提供保障。

（五）风电并网系统小干扰稳定性的解耦分析与等值方法

等值模型表示形式与原风电场网络结构、场内风电机组数量和风电机组参数之间的直接映射关系清晰，且其有效性具有基于数学模型的理论推导为依据。因此，该等值模型可有效反映风电机组大规模接入对电力系统振荡稳定性的影响，相对于容量加权平均模型和参数辨识模型而言，更加适用于风电并网系统振荡稳定性分析。但是解耦分析方法与相关等值模型是在风电场内风电机组线性化模型(近似)相同的条件下得到的，实际中，由于风电机组型号差异或稳态工况的分散性，同一风电场内风电机组的线性化模型通常是不同的。对于解耦分析思想应如何应用于风电机组线性化模型存在差异的情况下，还有待深入研究与探讨。

结束语

本文研究了并网监测系统在风电场的应用，介绍了并网监测系统的结构、在风电场的搭建及其功能。通过分析风电场不同品牌变流器的电压和电流数据，展示了并网监测系统评估风电场变流器性能的有效性。当然，电流和电压的采集和数据分析只是并网监测系统功能的部分，在风电场后续的电能质量评估及后备保护方面，并网监测系统将继续发挥其作用。

参考文献

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