【正文】 所示。20世紀(jì)70年代末，風(fēng)電場的概念首先由美國提出。到1987年世界上90%以上的風(fēng)電場建在美國，主要分布在加利福尼亞州及夏威夷群島，裝有7000多臺不同型號的風(fēng)電機組，總裝機容量在60萬KW以上。歐洲的丹麥、荷蘭、德國、英國等國也都有總裝機容量達兆瓦級以上的風(fēng)電場。截至2009年底，其中美國最多，為3516萬KW，其次是中國，為2601萬KW，德國排在第三位，為2578萬KW。西班牙和印度分別位于第四位和第五位，中國新增裝機容量達到了1380萬KW，是世界上風(fēng)電裝機容量增長最多的國家[12]。 圖45 大型風(fēng)電場效果圖 甘肅酒泉是全國較早開始開發(fā)風(fēng)電的地區(qū)之一，根據(jù)《甘肅酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地規(guī)劃報告》，到2010年酒泉地區(qū)總裝機容量將達到516萬kW,其中瓜州405萬kW，玉門111萬kW；2015年酒泉地區(qū)風(fēng)電裝機容量達到1271萬kW，其中了那個瓜州640萬kW、馬鬃山400萬kW、玉門231萬kW；2020年酒泉地區(qū)風(fēng)電裝機容量超過2000萬kW，建成甘肅“陸上三峽”。截至2009年底。圖46 酒泉風(fēng)電基地規(guī)劃方案 酒泉風(fēng)電基地的主要特點： 裝機總規(guī)模巨大 酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地是世界上最大的風(fēng)電基地，僅考慮已經(jīng)批復(fù)規(guī)劃的2015年1271萬kW的風(fēng)電建設(shè)規(guī)模，就已經(jīng)超過了2008年全國的風(fēng)電裝機總?cè)萘浚h期規(guī)劃建設(shè)規(guī)模更是高達3000萬kW。 布局集中，遠離負荷中心 酒泉風(fēng)電基地的風(fēng)能開發(fā)利用主要集中玉門、瓜州、馬鬃山三個區(qū)域內(nèi)，其中玉門風(fēng)電群距離蘭州負荷中心的平均距離約為900km，瓜州風(fēng)電群距離蘭州負荷中心的平均距離約為1000km，馬鬃山風(fēng)電群距離蘭州負荷中心的平均距離約為1100km，整個酒泉風(fēng)電群距離蘭州負荷中心的平均距離約為1000km，如果考慮在西北地區(qū)內(nèi)消納風(fēng)電，距離負荷中心的平均距離更遠，距離負荷中心1000km以上是目前已知的全世界距離最遠的風(fēng)電場。考慮2015年1271萬kW風(fēng)電必須在全國電力市場消納，其距離負荷中心的距離更遠。 送出工程電壓等級最高、建設(shè)規(guī)模最大為了滿足2010年建成投產(chǎn)的516萬kW風(fēng)電的送出需要，2009年初開工建設(shè)的酒泉千萬千瓦級基地配套電網(wǎng)工程——750kV武勝—金昌—酒泉—安西輸變電工程，建設(shè)規(guī)模為750kV雙回輸電線路為2848km，變電容量840萬KVA，風(fēng)電送出工程總投資約90億元[12]。甘肅酒泉風(fēng)電基地所有風(fēng)電項目直接或間接通過750kV電壓等級接入系統(tǒng)，考慮2015年1271萬kW風(fēng)電必須在全國電力市場消納，需要建設(shè)電壓等級更高的特高壓直流輸電工程。甘肅酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電的接入系統(tǒng)電壓等級世界最高，送出工程建設(shè)規(guī)模和投資世界最大。酒泉風(fēng)電基地突破了電力負荷就近消納的傳統(tǒng)發(fā)展模式，大部分需要通過330kV電壓等級匯集到750kV變電所，幾乎所有電力電量需要通過750kV及更高電壓等級的電網(wǎng)送到較遠的負荷中心。風(fēng)電匯集接入系統(tǒng)及送出是酒泉千萬風(fēng)電基地的主要特點，也是酒泉風(fēng)電基地成功與否的關(guān)鍵。，2008年特許權(quán)中標(biāo)的風(fēng)電場均以2~3個打捆接入330kV升壓變電所，再以I回330kV電壓等級線路送入750kV安西變電所或就近接入附近330kV電網(wǎng)的方式接入電網(wǎng)。其余項目主要以110kV電壓等級匯入330kV變電所接入系統(tǒng)，然后接入750電壓等級送出。 圖47 330KV瓜州變電站 圖48 河西750KV變電工程為滿足風(fēng)電送出，2010年將建成瓜州—酒泉—金昌—武勝雙回750kV輸電線路。2015年建設(shè)橋灣—酒泉I回750kV線路，線路長度為200km，建設(shè)橋灣—安西2回750kV線路，線路長度為160km。建設(shè)酒泉—張掖開關(guān)站I回750kV線路，線路長度為190km。另外還需要建設(shè)酒泉至東部地區(qū)的800kV直流輸電工程，建設(shè)規(guī)模為輸電線路長度超過2500公里，以滿足電力送出的需要。如此大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)，在國際上史無前例。但同時我們也應(yīng)該冷靜地看到可能面臨的巨大挑戰(zhàn)，以促進甘肅酒泉“陸上三峽”工程健康發(fā)展。由于風(fēng)力發(fā)電和常規(guī)電源存在巨大的差異，難以承擔(dān)常規(guī)電源在電力系統(tǒng)中的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓和備用等方面的作用，而且存在一些影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行的因素，有很多問題需要我們?nèi)パ芯亢徒鉀Q。（1） 輸送能力問題甘肅河西電網(wǎng)主網(wǎng)架電壓等級為330kV，電網(wǎng)西起330kV瓜州變電所，東到330kV永登和海石灣變電所，其中330kV瓜州至嘉峪關(guān)變電所為單回線路，其余采用330kV雙回線路與甘肅主網(wǎng)相聯(lián)，目前全線串聯(lián)著7座變電所，輸電線路全長約為1000km。甘肅河西電網(wǎng)是目前國內(nèi)輸電距離最長、串聯(lián)變電所最多的330kV線路，受到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定水平的限制，輸電能力較弱，正常電網(wǎng)運行方式下，河西電網(wǎng)西電東送的能力僅為70萬kW左右，不僅無法滿足酒泉“陸上三峽”風(fēng)電基地的送出需要，即使不考慮張掖、黑河等水電送出，也無法滿足現(xiàn)有風(fēng)電的送出需要[12]。2015年1271萬kW以及2020年增加到2000萬kW以上裝機容量的風(fēng)電項目，即使不考慮電力電量能否在甘肅電網(wǎng)消納的問題，依靠交流輸電技術(shù)難以將酒泉風(fēng)電基地的發(fā)電出力全部輸送到甘肅主網(wǎng)，要解決風(fēng)電送出問題，只有引入特高壓直流輸電技術(shù)，才能徹底解決大規(guī)模風(fēng)電基地遠距離外送等問題。由于相關(guān)的技術(shù)工作開展的時間較短，即使采用了全世界最先進的800kV特高壓直流輸電技術(shù)，應(yīng)對風(fēng)電功率波動的功率調(diào)節(jié)等技術(shù)問題還需要進一步深入研究。（2） 調(diào)峰調(diào)頻問題發(fā)電、供電和用電必須同時完成的特點，決定了整個電力系統(tǒng)的總發(fā)電負荷必須隨用電負荷的變化而變化，由于用電負荷難以控制，要求電力系統(tǒng)內(nèi)必須有部分發(fā)電機組承擔(dān)隨著用電負荷變化而變化的調(diào)整能力，即發(fā)電機的調(diào)峰能力；由于風(fēng)電具有“風(fēng)”的間歇性、波動性、隨機性的特點，決定了風(fēng)電的發(fā)電負荷難以控制，為了滿足發(fā)供用同時完成的電力系統(tǒng)基本要求，必須有其他電源承擔(dān)起適應(yīng)風(fēng)電發(fā)電負荷變化要求和相應(yīng)反向變化的發(fā)電負荷調(diào)整能力。因此，具有風(fēng)電的電力系統(tǒng)除了要求滿足正常負荷變化的調(diào)峰能力以外，還必須滿足適應(yīng)風(fēng)電隨機性的調(diào)峰能力。截至2009年底，甘肅電網(wǎng)電源裝機容量1804萬kW，。具備調(diào)峰能力的發(fā)電機組容量為700萬kW，其中水電機組200萬kW、火電機組500萬kW，水電機組豐水期調(diào)峰能力弱，枯水期調(diào)峰能力較強。在甘肅電網(wǎng)，有很多火電機組是熱電機組，承擔(dān)著供暖、工業(yè)供熱、用汽等任務(wù)，調(diào)峰能力有限。受到水電、火電機組運行方式以及檢修因素的影響，系統(tǒng)內(nèi)最大可能的調(diào)峰容量約為450萬kW。另外，由于省內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的原因可能限制部分機組的調(diào)峰能力，全省所有機組的不同時期的總調(diào)峰能力為250萬kW，考慮其中有約為100萬kW的機組調(diào)峰能力需要用于用電負荷調(diào)峰，能夠承擔(dān)風(fēng)電調(diào)峰的發(fā)電能力僅為約150萬kW，根本無法滿足2010年516萬kW風(fēng)電所需的調(diào)峰能力的要求。依靠甘肅自有的水火電機組調(diào)峰是遠遠不夠的，必須考慮西北五省區(qū)尤其用黃河中上游水電參與調(diào)峰。根據(jù)初步估算，西北五省可提供460萬kW的調(diào)峰能力，基本滿足516萬kW風(fēng)電建設(shè)的調(diào)峰需求；但其中涉及黃河水資源的綜合利用，大規(guī)?？缡≌{(diào)峰的調(diào)度管理模式和電網(wǎng)輔助服務(wù)管理辦法和交易規(guī)則等一系列管理問題。2010年，預(yù)計陜甘青寧電網(wǎng)最大負荷可達4150萬kW，經(jīng)計算一般情況下，陜甘青寧全網(wǎng)可為甘肅酒泉風(fēng)電提供的保證調(diào)峰總?cè)萘繛?78萬kW，優(yōu)化水電運行方式后，陜甘青寧全網(wǎng)可為甘肅酒泉風(fēng)電提供的調(diào)峰容量為288~410萬kW。另外還存在水火電機組能否適應(yīng)頻繁調(diào)峰、電網(wǎng)能否適應(yīng)系統(tǒng)潮流頻繁大范圍波動等方面技術(shù)問題。2015~2020年以后，即使不考慮電力電量能否在甘肅電網(wǎng)消納的問題，在現(xiàn)有技術(shù)水平下西北電網(wǎng)的總體調(diào)峰能力已經(jīng)無法滿足要求，需要在更大范圍或新的調(diào)峰技術(shù)才能解決調(diào)峰問題。（3） 電力電量消納問題酒泉風(fēng)電基地一期裝機容量將達到516萬kW，年上網(wǎng)電量約為108億kWh。2010年甘肅省電網(wǎng)最大用電負荷980萬kW，2011年甘肅省統(tǒng)調(diào)范圍內(nèi)最大負荷1060萬kW，全省全社會用電量823億kWh。甘肅省用電最大負荷僅為1060萬kW，要消納516萬kW風(fēng)電，從技術(shù)上看是不可能的。因此，無論從電力平衡、電量平衡方面考慮，2010年516萬kW風(fēng)電在省內(nèi)難以消納，必須在更大的市場考慮消納問題。2015年及2020年以后，即使考慮全省用電負荷以年均10%的增長率增長，2015年及2020年裝機容量所對應(yīng)的風(fēng)電發(fā)電量分別約為285億、450億kWh，即使考慮甘肅省用電量需求以年均8%的增長率增長，2015年以后，不僅甘肅電網(wǎng)無法消納，預(yù)計西北電網(wǎng)也難以消納。酒泉風(fēng)電基地的送出和消納問題只能在全國電力市場統(tǒng)籌綜合考慮。（4） 系統(tǒng)穩(wěn)定問題2010年底投產(chǎn)的516萬kW風(fēng)電主要依靠750kV交流線路送出，對于1000km750kV雙匯線路，線路的充電功率會隨線路潮流、電壓的變化幅度變化。由于風(fēng)電的隨機性特點，充電功率的快速變化將對電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生巨大影響。風(fēng)電規(guī)模越來越大，接入電壓等級越來越高，由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性，將導(dǎo)致輸出線路的輸送功率大幅度變化，進而引起線路充電功率的大起大落，電網(wǎng)必須具備足夠的、動態(tài)的感性和容性無功調(diào)節(jié)能力，同時要求各類發(fā)電機組與電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)壓，才可能實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的有效控制。交流聯(lián)網(wǎng)整個電網(wǎng)的電壓和頻率之間相互影響、酒泉地區(qū)風(fēng)電出力大幅度變化必然引起整個系統(tǒng)的電壓、頻率波動，電力系統(tǒng)存在頻率和電壓穩(wěn)定問題。為了滿足送出能力的要求，河西750kV電網(wǎng)必須同時采取750kV串補和可控高抗等多項最先進的柔性輸電技術(shù)，另外，為了適應(yīng)風(fēng)電機組間歇性發(fā)電的需要，風(fēng)電場升壓站必須安裝15%~20%的動態(tài)無功補償設(shè)備（SVC或SVG），串補、可控高抗和動態(tài)無功補償設(shè)備等柔性輸電技術(shù)在河西電網(wǎng)同時應(yīng)用，不僅可能產(chǎn)生次同步諧振問題，還需要綜合研究柔性輸電的控制策略問題。由于超大規(guī)模風(fēng)電場數(shù)學(xué)模型不完善，面對超大規(guī)模風(fēng)電的遠距離輸電問題，不僅缺乏實際運行管理經(jīng)驗，理論分析計算的結(jié)論仍然需要經(jīng)過實踐的檢驗，因此酒泉風(fēng)電基地可能存在較大的系統(tǒng)穩(wěn)定風(fēng)險。2015年1271萬kW以及2020年增加到2000萬kW以上裝機容量的風(fēng)電項目，受到交流輸電技術(shù)和西北電力市場消納能力的限制，必須通過特高壓直流輸電輸送到華東、華中和華北。750kV超高壓交流與超遠距離特高壓直流的組合，不僅國內(nèi)外缺乏建設(shè)與運行管理經(jīng)驗，世界上也缺乏成熟的電網(wǎng)技術(shù)理論支撐，理論研究和實際應(yīng)用的現(xiàn)狀決定了可能存在較大的系統(tǒng)穩(wěn)定問題。第5章 風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)低電壓穿越（LVRT）是指在風(fēng)電機組并網(wǎng)點電壓跌落時，風(fēng)電機組能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個低電壓時間區(qū)域。電壓跌落會給電機帶來一系列暫態(tài)過程，如出現(xiàn)過電壓、過電流或轉(zhuǎn)速上升等，嚴(yán)重危害風(fēng)電機組本身及其控制系統(tǒng)的安全運行。一般情況下，若電網(wǎng)出現(xiàn)故障風(fēng)電機組就會實施被動式自我保護而立即切除，并不考慮故障的持續(xù)時間和嚴(yán)重程度。這樣能最大限度的保障風(fēng)電機組的安全，并且在風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)穿透率較低時是可以接受的。然而，當(dāng)風(fēng)電在電網(wǎng)中占有較大比重時，若風(fēng)電機組在電壓跌落時仍采取被動保護式切除，則會增加整個系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能加劇故障，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，因此必須采取有效的LVRT技術(shù)和措施，以維護風(fēng)電場電網(wǎng)的穩(wěn)定[12]。以下就直驅(qū)式風(fēng)電機組（PMSG）和雙饋式風(fēng)電機組（DFIG）分析電網(wǎng)電壓跌落引起的過程，介紹目前一些主要的LVRT實現(xiàn)方案，然后從風(fēng)電場的角度出發(fā)，綜述目前能夠提高風(fēng)電場低電壓穿越能的手段和措施。電壓跌落對不同風(fēng)電機組的影響：為了提高風(fēng)電機組的低電壓穿越能力，必須針對當(dāng)前主流風(fēng)電機組的運行特點進行研究，研究它們在電網(wǎng)故障與故障恢復(fù)過程中的暫態(tài)行為，消除或減輕在不離網(wǎng)控制情況下可能引起的機組損害。（1） 雙饋式風(fēng)電機組的暫態(tài)現(xiàn)象 雙饋式風(fēng)電機組的定子側(cè)直接聯(lián)接電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓跌落將導(dǎo)致風(fēng)電機組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁變流器直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機勵磁變流器的電流以及有功和無功都會產(chǎn)生振蕩。這是因為雙饋感應(yīng)發(fā)電機在電網(wǎng)電壓瞬間跌落的情況下，定子磁鏈會產(chǎn)生直流分量，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會引起過壓和過流的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，因為在定子電壓中含有負序分量，而負序分量可以產(chǎn)生很高的滑差。 雙饋式風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子側(cè)接有變流器，其電力電子器件的過壓、過流能力有限。如果對電壓跌落不采取控制措施限制故障電流，較高的暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流會對脆弱的電力電子器件構(gòu)成威脅；且變流器輸入輸出功率的不匹配有可能導(dǎo)致直流母線電壓的上升或下降（與故障時刻電機超同步速或次同步速有關(guān)）。因此，雙饋式風(fēng)電機組的低電壓穿越實現(xiàn)較為復(fù)雜。 電網(wǎng)發(fā)生故障尤其是不對稱故障的過度過程中，電機電磁轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)較大的波動，對風(fēng)電機組齒輪箱等機械部件構(gòu)成沖擊，影響風(fēng)電機組的運行和壽命。定子電壓跌落時，電機輸出功率降低，若不控制捕獲功率，必然導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速上升。在風(fēng)速較高即機械動力轉(zhuǎn)矩較大的情況下，即使故障切除，雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩有所增加，也難較快抑制電機轉(zhuǎn)速的上升，使雙饋電機的轉(zhuǎn)速進一步升高，吸收的無功功率進一步增大，使得定子端電壓下降，進一步阻礙了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓無法恢復(fù)，致使系統(tǒng)崩潰。這種情況與電機的慣性、額定值及故障持續(xù)時間有關(guān)。（2） 直驅(qū)式風(fēng)電機組的暫態(tài)現(xiàn)象對于直驅(qū)式風(fēng)電機組，定子經(jīng)變流器與電網(wǎng)連接，發(fā)電機和電網(wǎng)不存在直接耦合。電網(wǎng)電壓的瞬間降落會導(dǎo)致輸出功率的減小，而發(fā)電機的輸出功率瞬時不變，顯然功率不匹配將導(dǎo)致直流母線電壓上升，這勢必會威脅到電力電子器件安全。如采取控制措施穩(wěn)定直流母線電壓，必然會導(dǎo)致輸出到電網(wǎng)的電流增大，過大的電流同樣會威脅變流器的安全。當(dāng)變流器直流側(cè)電壓在一定范圍波動時，電機側(cè)變流器一般都能保持可控性，在電網(wǎng)電壓跌落期間，電機仍可以保持很好的電磁控制。所以同步直驅(qū)系統(tǒng)的低電壓穿越實現(xiàn)相對雙饋式風(fēng)電機組而言較為容易。風(fēng)電機組低電壓穿越的實現(xiàn)方法：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障從而導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降時，風(fēng)電機組出于保護自身的