任　華，刁海勇，陳立漢，常喜強(qiáng)，王維慶，張東明，楊皓宇，郭愛平

(1. 國網(wǎng)新疆電力公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒　841000；2. 新疆電力調(diào)度通信中心,烏魯木齊　830002；3.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,烏魯木齊　830000)

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直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風(fēng)電場交流系統(tǒng)的影響

任華1，刁海勇1，陳立漢1，常喜強(qiáng)2，王維慶3，張東明1，楊皓宇1，郭愛平1

(1. 國網(wǎng)新疆電力公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒841000；2. 新疆電力調(diào)度通信中心,烏魯木齊830002；3.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,烏魯木齊830000)

隨著西北網(wǎng)750 kV主網(wǎng)的建成及新疆“風(fēng)火打捆”直流外送的實(shí)施，新疆電網(wǎng)已形成了交直流混聯(lián)的系統(tǒng)。為了分析直流系統(tǒng)對大規(guī)模風(fēng)電場交流系統(tǒng)的影響，針對大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)電場與火力發(fā)電廠打捆并網(wǎng)后直流外送的輸電方案，構(gòu)建了含交直流系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)電場及直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。基于PSCAD/EMTDC軟件，仿真并分析了：直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風(fēng)電場的交流系統(tǒng)的影響，以及直流系統(tǒng)不同的控制方式、不同的無功補(bǔ)償容量、直流故障、交直流比例對交流系統(tǒng)及風(fēng)電場穩(wěn)定性的影響。

高壓直流輸電；大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)電場；直流系統(tǒng)；短路故障

中國的發(fā)電能源主要分布在西北、東北等地區(qū)，新疆與甘肅的風(fēng)能資源充足，在風(fēng)力發(fā)電方面有很大的發(fā)展?jié)摿?，而這些地區(qū)的用電負(fù)荷相對較低，無法就地消納大規(guī)模的風(fēng)電。為了提高資源的利用，根據(jù)國家規(guī)劃，在新疆、甘肅等地建立了數(shù)個(gè)大規(guī)模風(fēng)電場，總裝機(jī)容量達(dá)到了GW級，將這些大容量的風(fēng)電遠(yuǎn)距離輸送至電力負(fù)荷集中的東部地區(qū)。由于高壓直流輸電具有輸送容量大、損耗低、便于控制等優(yōu)勢，可以滿足不同頻率或非同步電網(wǎng)間的互聯(lián)，高壓直流輸電工程勢在必行。

本文以新疆電網(wǎng)為背景，在PSCAD/EMTDC中搭建大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)電場和交直流輸電系統(tǒng)的仿真模型，從直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風(fēng)電場的交流系統(tǒng)的影響，以及直流系統(tǒng)不同的控制方式、不同的無功補(bǔ)償容量、直流故障、交直流比例對交流系統(tǒng)及風(fēng)電場穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，從而為直流輸電的調(diào)度及控制提供相應(yīng)的幫助。

1　所研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，西北地區(qū)已經(jīng)建成以750kV為主網(wǎng)架的交流電網(wǎng)，同時(shí)，新疆哈密至鄭州的直流輸電工程已經(jīng)進(jìn)入實(shí)施階段，以新疆為送端的交直流系統(tǒng)已經(jīng)初步構(gòu)成。本文所研究的系統(tǒng)以新疆電網(wǎng)為背景，建立了如圖1所示的交直流系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。由于風(fēng)電場的輸出功率、頻率波動(dòng)較大，該系統(tǒng)采用風(fēng)火打捆并網(wǎng)后直流外送的方案。圖1中，750 kV及220 kV交流等值系統(tǒng)是根據(jù)戴維南等效電路將新疆電網(wǎng)等效為某電壓等級下的電源與阻抗串聯(lián)，通過PSASP軟件中的短路電流計(jì)算可得。由于本文采用的是大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)電場，風(fēng)電機(jī)組數(shù)目較大，可將風(fēng)電場等效為一臺等值機(jī)，使其等效阻抗及輸出功率與實(shí)際大致相同。根據(jù)文獻(xiàn)的結(jié)論，直流輸電系統(tǒng)采用單極運(yùn)行時(shí)，交直流系統(tǒng)間的相互影響最為明顯，因此，本文直流系統(tǒng)采用容量為3.2 GW，額定電壓為800 kV的單極運(yùn)行方式，換流站為12脈沖閥組的結(jié)構(gòu)，直流輸電線路采用T型等效電路，長度為2 300 km。

圖1　含大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)電場的交直流系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2　直流系統(tǒng)建模

2.1換流器穩(wěn)態(tài)模型

換流器是直流系統(tǒng)的核心設(shè)備，其穩(wěn)態(tài)時(shí)數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中r——整流側(cè)；i——逆變側(cè)；α——整流器觸發(fā)角；β——逆變器觸發(fā)超前角；γ——熄弧角；μ——換相角；T——換流變壓器變比；Ud0——空載直流電壓；Ud——直流側(cè)電壓；Id——直流電流；Pac——直流輸送功率。

2.2直流控制系統(tǒng)

本文所研究系統(tǒng)用于電力直流外送，需保證輸送功率恒定，因此，本文采用直流側(cè)定電流控制，逆變側(cè)定角γ控制。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于：整流側(cè)控制直流系統(tǒng)的電流不產(chǎn)生大幅度的變化，逆變側(cè)控制直流系統(tǒng)電壓保持額定電壓附近，從而既保障了輸送功率的穩(wěn)定性，又具有經(jīng)濟(jì)性。此外，為了防止交流系統(tǒng)故障對直流系統(tǒng)造成的影響，配置了低壓限流裝置(VDCOL)、最小電流限制控制、定αmin控制。控制模塊的框架圖如圖2所示，直接輸入只有直流電流整定值Ides，而整流側(cè)直流電流Id-rec、逆變側(cè)直流電壓Ud-inv、直流電流Id-inv、關(guān)斷角γ是從實(shí)際運(yùn)行中測量所得，輸入控制系統(tǒng)。輸出量只有整流側(cè)的觸發(fā)角α和逆變側(cè)的觸發(fā)超前角β。由式(1)可得，通過對輸出量α、β的調(diào)節(jié)，能夠控制Ud、Id。

圖2　直流系統(tǒng)控制器框圖

3　風(fēng)電機(jī)組建模

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)力機(jī)、直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)、變流器、控制系統(tǒng)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

3.1風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩：

(2)

式中Tm——風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；ρ——空氣密度；R——風(fēng)輪葉片半徑；Vw——風(fēng)速；λ——風(fēng)力機(jī)的葉尖速比，β——槳距角；Cp——風(fēng)能利用系數(shù)。

3.2永磁同步發(fā)電機(jī)模型

直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)等效電路如圖4所示。

圖4　發(fā)電機(jī)等效電路

根據(jù)圖4，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，所建立的同步直驅(qū)發(fā)電機(jī)模型為：

(3)

發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

(4)

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

Te=1.5Pψ0

(5)

L=Ld=Lq=jXs

ωg=ωw

式中id，iq，ud，uq——發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電流、電壓分量；L——d軸和q軸電感；Te為——電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Tw——風(fēng)輪獲取的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩；ωg——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；ωs——電角頻率；Rs——定子電阻；ψ0——永磁體的磁鏈；Jeq——風(fēng)力機(jī)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm——轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)；P——轉(zhuǎn)子的極對數(shù)。

3.3變頻器模型

本研究變頻器模型采用雙PWM變流器，原理如圖5所示，網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓可以表示為：

(6)

圖5　變頻器原理圖

3.4轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速控制框圖如圖6所示，由于風(fēng)電場的出力與風(fēng)速有關(guān)，因此，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制有兩種狀態(tài)：

(1)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速(4 m/s)，當(dāng)風(fēng)速變化但未達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)變頻器的占空比來控制風(fēng)力機(jī)的槳距角，使風(fēng)機(jī)工作在最大功率追蹤狀態(tài)下，從而獲得最大風(fēng)能。

(2)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，由于風(fēng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和容量的限制，不能夠捕獲最大風(fēng)能，通過對槳距角的控制，減小風(fēng)能捕捉，使風(fēng)機(jī)出力保持在額定功率附近。

圖6　轉(zhuǎn)速控制

3.5變流器控制

直驅(qū)風(fēng)電場的變流器控制主要由機(jī)側(cè)控制和網(wǎng)側(cè)控制兩部分[16]，其控制框圖如圖7和圖8所示。機(jī)側(cè)控制是將電流信號通過坐標(biāo)變換為d、q軸分量，與電網(wǎng)側(cè)電流比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出的d、q軸電壓分量與補(bǔ)償電壓相加后得到發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓控制信號，再與三角載波比較以控制IGBT的通斷，從而實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制。網(wǎng)側(cè)控制是將電網(wǎng)側(cè)三相電壓變換為角和d軸電壓分量，經(jīng)補(bǔ)償后得到網(wǎng)側(cè)變流器電壓控制信號，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因素的調(diào)整及無功功率的控制。

圖7　機(jī)側(cè)控制

圖8　網(wǎng)側(cè)控制

3.6風(fēng)電場模型

大規(guī)模風(fēng)電場通常都有上百臺風(fēng)機(jī)，占地面積巨大，處于風(fēng)上游的風(fēng)機(jī)會(huì)對下游的風(fēng)機(jī)遮擋，產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，使下游風(fēng)機(jī)風(fēng)速遠(yuǎn)低于上游風(fēng)機(jī)，從而產(chǎn)生尾流效應(yīng)。受尾流效應(yīng)的影響，風(fēng)電場中各臺風(fēng)機(jī)的輸出功率不同，在風(fēng)電場等值時(shí)需考慮不同位置風(fēng)機(jī)風(fēng)速對輸出功率的影響。在PSASP軟件中，考慮尾流效應(yīng)對大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)電場作等值計(jì)算，可得到風(fēng)電場的總輸出功率和等效阻抗。

4　仿真分析

本文利用PSCAD/EMTDC，以新疆電網(wǎng)為背景，從直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風(fēng)電場的交流系統(tǒng)的影響，以及直流系統(tǒng)不同的控制方式、不同的無功補(bǔ)償容量、直流故障、交直流比例對交流系統(tǒng)及風(fēng)電場穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析。

4.1直流系統(tǒng)故障對交流系統(tǒng)的影響

在直流系統(tǒng)故障中，直流線路短路是最常見的一種故障，本節(jié)將對并聯(lián)運(yùn)行方式下和非并聯(lián)運(yùn)行方式下的直流線路短路故障仿真分析，比較兩種運(yùn)行方式下的直流故障對交流系統(tǒng)影響大小。在1 s時(shí)設(shè)置直流線路中點(diǎn)處發(fā)生短路接地故障，持續(xù)0.15 s，故障對交流系統(tǒng)及風(fēng)電場的影響如圖9和圖10所示。

當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，直流輸電系統(tǒng)的響應(yīng)為：直流電壓驟降至零，直流電流瞬間增大，為減小直流電流，觸發(fā)角α與熄弧角γ增大，直流電流保持在0.5pu，直流輸送功率降至零。通過仿真圖可知，直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，由于功率傳輸為零，換流站不在吸收無功功率，換流站無功補(bǔ)償裝置使交流母線電壓上升。送端系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組發(fā)出的大量有功功率無法就地消納，造成送端系統(tǒng)頻率的上升，若不做切機(jī)處理，有可能導(dǎo)致頻率的失穩(wěn)。而受端系統(tǒng)由于缺少了直流輸電系統(tǒng)輸送的有功功率，使得有功功率出現(xiàn)缺額，從而降低了系統(tǒng)的頻率，需要切負(fù)荷或增加發(fā)電機(jī)組來抑制頻率的波動(dòng)。

在圖9中，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對送端系統(tǒng)電壓及受端系統(tǒng)頻率的影響較嚴(yán)重，三種運(yùn)行方式下故障對送端系統(tǒng)的影響程度差別較小，運(yùn)行方式一下故障對受端的頻率及電壓影響程度較小，運(yùn)行在方式三時(shí)，當(dāng)交直流并聯(lián)運(yùn)行時(shí)故障對受端系統(tǒng)的影響較小。直流故障不會(huì)對另一條直流輸電系統(tǒng)造成影響。

在圖10中，直流系統(tǒng)的故障導(dǎo)致了風(fēng)電場PCC母線電壓的降低，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，發(fā)出有功功率降低，增加無功功率來維持PCC母線電壓，故障消除后風(fēng)電場仍處于低電壓運(yùn)行狀態(tài)。

4.2交直流外送比例對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

直流系統(tǒng)故障有可能會(huì)導(dǎo)致直流閉鎖，使直流系統(tǒng)傳輸功率為零，當(dāng)直流系統(tǒng)輸送功率在交直流輸電系統(tǒng)中所占比例不同，直流閉鎖對交流系統(tǒng)的影響會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響是本節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容。由于上節(jié)中得到結(jié)論，交直流并聯(lián)運(yùn)行方式下直流故障對交流系統(tǒng)影響較大。本節(jié)在不同的交直流輸電比例下，設(shè)置交直流并聯(lián)運(yùn)行方式中的直流線路始端發(fā)生接地短路故障，故障發(fā)生時(shí)間為0.1 s持續(xù)0.15 s。得到送端和受端交流系統(tǒng)電壓偏移和頻率偏移情況如表1至表3所示。

無論交直流系統(tǒng)處于何種運(yùn)行方式，隨著直流輸送功率在交直流輸送功率中所占比重的增大，交流系統(tǒng)母線電壓偏移越嚴(yán)重，頻率波動(dòng)范圍越大，直流線路故障對交流系統(tǒng)的影響逐漸越嚴(yán)重。

表1　運(yùn)行方式一：不同交直流比例直流故障

表2　運(yùn)行方式二:不同交直流比例直流故障

表3　運(yùn)行方式三:不同交直流比例直流故障

圖9　方式一(左)、方式二(中) 、方式三(右)直流線路短路系統(tǒng)響應(yīng)

5　結(jié)論

圖10　方式一(左)、方式二(中) 、方式三(右) 直流故障對風(fēng)電場的影響

本文通過對交直流輸電系統(tǒng)中直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)仿真與得出以下結(jié)論：

首先，對于不同的整流側(cè)與逆變側(cè)控制方式的組合進(jìn)行了比較，并針對各種控制方式下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定進(jìn)行了分析，結(jié)果表明整流側(cè)定電流控制有利于電壓穩(wěn)定、逆變側(cè)定電壓控制有利于電壓穩(wěn)定。然后，討論了換流站無功補(bǔ)償裝置對直流系統(tǒng)的影響，不同無功補(bǔ)償類型對電壓穩(wěn)定性影響不同，分組容量的大小也能夠影響到交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。對于直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障做了詳細(xì)的仿真分析，表明直流系統(tǒng)故障會(huì)對送端系統(tǒng)的電壓和受端系統(tǒng)的頻率造成嚴(yán)重影響，在三種不同的運(yùn)行方式下，故障對送端交流系統(tǒng)影響的差異較小，運(yùn)行在方式一時(shí)故障對受端系統(tǒng)的影響最小，直流故障對風(fēng)電場的影響較嚴(yán)重。當(dāng)直流系統(tǒng)輸送電能所占比例不同時(shí)，直流系統(tǒng)故障對交流系統(tǒng)的影響程度不同，直流所占比例越大，雖然其輸電效率越高，但是發(fā)生故障時(shí)對交流系統(tǒng)的影響也越嚴(yán)重。

通過仿真與分析得到了上述結(jié)論，能夠?yàn)楦邏褐绷鬏旊姷恼{(diào)度及控制提供相應(yīng)的幫助。

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(本文編輯：楊林青)

The Impact of DC system on AC system that containing large-scale wind farm

REN Hua1, DIAO Hai-yong1, CHEN Li-han1, CHANG Xi-qiang2, WANG Wei-qing3, ZHANG Dong-ming1, YANG Hao-yu1, Guo Ai-ping1

(1.Bazhou power company of State Grid Xinjiang Electric Power Corporation, korla 841000,China;2.Xin Jiang Communication Center for Power Dispatching, Urumchi 830002, China;3.Engineering Research Center of Education Ministry for Renewable Energy Power generation and Grid Technology,Urumchi 830000, China)

With the Northwest 750kV grid built and Xinjiang “Bundled Wind & Fire” DC transmission implement, Xinjiang Power Grid has formed a AC/DC system. In order to analyze that D-PMSG wind farm connecting grid and exporting by HVDC on the impact of AC/DC system, aim to the transmission program that transport the power after the large D-PMSG wind farm connect to grid, construct the network topology of the system, establish the mathematical model of the Large-scale D-PMSG wind farm and HVDC system. Based on PSCAD / EMTDC, simulate and analysis: DC system influence on communication system containing large-scale wind farms, and different control mode, different dc system reactive power compensation capacity, dc fault, proportion of ac/dc to ac system, and the effect on the stability of the wind farm.

HVDC; large D-PMSG wind farm; AC system; Short-circuit fault

10.11973/dlyny201604012

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1285)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51267017)

任華(1986)，男，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制。

TM721.1

A

2095-1256(2016)04-0459-06

2016-05-18