，,，,2，，,2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

隨著風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)家對(duì)可再生能源的重視，越來(lái)越多的大型風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始接入電網(wǎng)。風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展，客觀上需要擴(kuò)大風(fēng)電消納范圍，大風(fēng)電必須融入大電網(wǎng)才能顯著提高風(fēng)電消納能力。因此，利用直流輸電技術(shù)解決大規(guī)模風(fēng)電遠(yuǎn)距離送電需求的輸電方案已成為科研工作者的研究熱點(diǎn)。

目前，可行性的大規(guī)模風(fēng)電接入方案不外乎有3種：風(fēng)電孤島直流外送，風(fēng)、火電打捆風(fēng)電直流外送以及風(fēng)、火電打捆聯(lián)網(wǎng)直流外送。風(fēng)電孤島直流外送系統(tǒng)，由于缺乏系統(tǒng)支撐，在風(fēng)電場(chǎng)出力與直流輸電功率之間出現(xiàn)的任何功率不平衡都會(huì)引起送端功率的波動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組受風(fēng)速影響較大，發(fā)電主動(dòng)控制能力差，在不采取有效的頻率控制措施條件下，一般的風(fēng)速功率都會(huì)引起送孤單系統(tǒng)頻率的崩潰。風(fēng)、火電打捆直流外送方案通過(guò)火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，送端系統(tǒng)能夠維持頻率穩(wěn)定，但是在電壓穩(wěn)定方面，由于送端孤島方案缺乏系統(tǒng)支撐，送端線路發(fā)生故障易引起系統(tǒng)電壓崩潰。

下面針對(duì)以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)風(fēng)、火電打捆聯(lián)網(wǎng)直流外送方案進(jìn)行了仿真計(jì)算，詳細(xì)分析了風(fēng)電機(jī)組、火電機(jī)組、交直流系統(tǒng)之間的相互影響和系統(tǒng)穩(wěn)定特性。研究結(jié)果分析了風(fēng)、火電打捆聯(lián)網(wǎng)直流外送方案帶出的一系列問(wèn)題，為大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的穩(wěn)定問(wèn)題提供了參考依據(jù)。

1 風(fēng)、火電打捆聯(lián)網(wǎng)直流外送系統(tǒng)建模

1.1 直流輸電系統(tǒng)模型

所采用的直流輸電系統(tǒng)模型是基于對(duì)直流換流器、控制系統(tǒng)和直流線路進(jìn)行詳細(xì)模擬的模型，在交流系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)和無(wú)畸變的情況下可以用來(lái)模擬直流輸電系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性以及與交流系統(tǒng)之間的相互作用特性。采用直流輸電系統(tǒng)詳細(xì)模型的交直流電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真原理如圖1所示。對(duì)直流線路來(lái)說(shuō)，兩側(cè)換流器相當(dāng)于兩個(gè)電壓源，其數(shù)值決定于觸發(fā)控制角和交流側(cè)電壓模值，直流線路本身可以采用適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)模型。

圖1 直流輸電系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真原理圖

此模型可以通過(guò)實(shí)際計(jì)算關(guān)斷角γ比較準(zhǔn)確地確定是否發(fā)生換相失??；直流系統(tǒng)在故障后的恢復(fù)過(guò)程可以得到較好的模擬，而不是事先指定恢復(fù)速度；由于模擬了定電流、定電壓和定關(guān)斷角等控制器的實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程，因而可以比較精確地模擬直流系統(tǒng)中的控制模式的切換過(guò)程。

1.2 風(fēng)電機(jī)組模型

基于PSASP建立了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)模型，包括雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型及其控制系統(tǒng)，圖2為雙饋感應(yīng)式風(fēng)電機(jī)組模型，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以在較大范圍內(nèi)變化。雙反饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后電機(jī)定子頻率與電網(wǎng)一致，轉(zhuǎn)子通過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連。

圖2 雙饋感應(yīng)式風(fēng)電機(jī)組模型

對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)則采用等值風(fēng)電機(jī)組的方法集中模擬風(fēng)電場(chǎng)出力，從同調(diào)機(jī)群識(shí)別、同調(diào)母線聚合以及網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)3個(gè)方面將1個(gè)同調(diào)風(fēng)電機(jī)群等值為1個(gè)風(fēng)電機(jī)組，然后基于加權(quán)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)模型的同調(diào)參數(shù)聚合，得出等值風(fēng)電場(chǎng)的相關(guān)靜態(tài)參數(shù)如下。

(1)

式中，S∑、P∑、T∑分別為風(fēng)電場(chǎng)等值機(jī)組容量、有功出力和慣性時(shí)間常數(shù)；Si、Pi、Ti分別為風(fēng)電場(chǎng)第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的容量、有功出力和慣性時(shí)間常數(shù)。

2 風(fēng)、火電打捆聯(lián)網(wǎng)直流外送實(shí)際系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

為了提高大規(guī)模風(fēng)電直流外送系統(tǒng)的穩(wěn)定性，新疆電網(wǎng)采用風(fēng)、火電打捆聯(lián)網(wǎng)直流外送方案，如圖3所示。該方案將風(fēng)電和火電構(gòu)成的送端系統(tǒng)接入電網(wǎng)，可強(qiáng)化對(duì)直流系統(tǒng)的支撐能力。

圖3 風(fēng)、火電打捆聯(lián)網(wǎng)直流外送簡(jiǎn)化系統(tǒng)

風(fēng)、火電打捆聯(lián)網(wǎng)直流外送的送端由大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)和火電廠構(gòu)成。在該系統(tǒng)中，風(fēng)電和火電配置的比例為1:2，即風(fēng)電場(chǎng)出力為3.6 GW，火電廠實(shí)際出力為3.6 GW，備用容量為3.6 GW，通過(guò)±800 kV/7.2 GW特高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力外送。風(fēng)電場(chǎng)、火電廠與換流站之間均通過(guò)2回長(zhǎng)度為100 km的750 kV交流線路連接。

2.1 風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型對(duì)交直流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電大規(guī)模集中接入方式耐受系統(tǒng)電壓擾動(dòng)能力較弱，主要有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：一是低電壓及多次穿越能力；二是高電壓穿越能力；三是故障過(guò)程的無(wú)功支撐能力。

大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)時(shí)，不同類(lèi)型的風(fēng)電機(jī)組對(duì)無(wú)功功率的需求不同，而且低電壓穿越的能力也不同，將會(huì)直接影響接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

這里仿真了固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組以及雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組不具有低電壓穿越能力，在并入電網(wǎng)后母線電壓低于0.85 p.u.，并且持續(xù)兩個(gè)周期后退出運(yùn)行；雙饋風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響較小。如圖4給出了風(fēng)電場(chǎng)和特高壓直流送端換流站進(jìn)區(qū)750 kV線路發(fā)生三相永久短路故障條件下，雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)交直流系統(tǒng)影響的仿真曲線。

圖4 風(fēng)電機(jī)組對(duì)交直流系統(tǒng)穩(wěn)定性影響

風(fēng)電場(chǎng)附近的線路發(fā)生三相永久性短路故障期間，雙饋風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力，能夠躲避故障期間的低電壓繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，故障線路切除后，潮流將轉(zhuǎn)移到其他線路，使得電網(wǎng)電壓在一定程度上有所下降，隨著交流系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，直流電壓在恢復(fù)到0.85 p.u.以上時(shí)，直流功率開(kāi)始恢復(fù)。

2.2 直流閉鎖故障對(duì)交流系統(tǒng)的影響

直流閉鎖故障直接影響異步聯(lián)網(wǎng)，使得送端功率盈余，受端功率缺額；其次就是使得同步聯(lián)網(wǎng)100%功率轉(zhuǎn)移到并聯(lián)交流通道上。

隨著特高壓直流外送功率的增大，直流閉鎖故障造成的功率轉(zhuǎn)移量也隨之增大，從而導(dǎo)致進(jìn)區(qū)通道出現(xiàn)電壓失穩(wěn)問(wèn)題，對(duì)特高壓直流外送功率構(gòu)成約束，危及聯(lián)網(wǎng)直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)直流發(fā)生閉鎖故障時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓，將有可能導(dǎo)致進(jìn)區(qū)交流通道上的風(fēng)機(jī)大量脫網(wǎng)，進(jìn)一步惡化事故后穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。此外，在從系統(tǒng)故障到故障切除過(guò)程中出現(xiàn)的風(fēng)機(jī)吸收無(wú)功這一特性，將有可能導(dǎo)致進(jìn)一步惡化系統(tǒng)故障后的電壓穩(wěn)定問(wèn)題。

2.3 直流無(wú)功控制對(duì)交流系統(tǒng)的影響

直流無(wú)功控制分為3級(jí)：最小濾波器、電壓控制、無(wú)功平衡。為保證直流可靠運(yùn)行，至少投入1～2組濾波器，當(dāng)直流電壓偏差越限時(shí)，相應(yīng)投切濾波器，當(dāng)電壓合格時(shí)，根據(jù)交直流系統(tǒng)無(wú)功交換控制濾波器。一般設(shè)計(jì)送端采用欠補(bǔ)償，受端采用過(guò)補(bǔ)償，考慮10%過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。

還仿真了送端送出約為45%(電壓535 kV)，受端約為60%(電壓510 kV)時(shí)直流無(wú)功控制，如圖5所示。

由圖5可知，極Ⅰ電流為零時(shí)間170 ms，極Ⅱ電流為零時(shí)間21 ms。故障后約300 ms過(guò)程中，交流電壓最高達(dá)到656 kV，直流功率總體缺額較大。

圖5 直流無(wú)功控制仿真分析圖

3 結(jié) 論

詳細(xì)分析了風(fēng)、火電打捆交直流系統(tǒng)的相互影響，仿真并得出：1)具有低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組能躲避故障期間的低電壓繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行；故障切除后功率會(huì)轉(zhuǎn)移到進(jìn)區(qū)線路，使得系統(tǒng)電壓一定程度的降低。2)直流閉鎖故障會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓，有可能導(dǎo)致進(jìn)區(qū)交流通道上的風(fēng)機(jī)大量脫網(wǎng)，外加故障過(guò)程中風(fēng)機(jī)吸收無(wú)功這一特性，會(huì)進(jìn)一步惡化事故后穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。3)故障時(shí)，直流無(wú)功控制會(huì)使得直流功率缺額總體較大。

根據(jù)以上結(jié)論還需進(jìn)一步研究風(fēng)電和火電的配比關(guān)系是否能解決系統(tǒng)的電壓、頻率穩(wěn)定性問(wèn)題，以及直流的各種控制策略，找到一種優(yōu)化的外送方案，最大程度上解決直流接入面臨的電壓、頻率等系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性問(wèn)題，從而為特高壓直流輸電的投入運(yùn)行提供參考依據(jù)。

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