余 浩, 張哲萌, 彭 穗, 張志強(qiáng), 任萬(wàn)鑫, 黎燦兵

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電網(wǎng)規(guī)劃研究中心， 廣州 510080；2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，表明了我國(guó)堅(jiān)持綠色低碳發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)和積極應(yīng)對(duì)氣候變化的責(zé)任[1-2].近年來(lái)，我國(guó)電力系統(tǒng)正朝著以新能源為主體的低碳電力系統(tǒng)快速發(fā)展.而海上風(fēng)力發(fā)電具有對(duì)環(huán)境負(fù)面影響較少、風(fēng)速較為穩(wěn)定、發(fā)電量大、空間廣闊、允許風(fēng)機(jī)機(jī)組大型化等優(yōu)勢(shì)[3].但是與陸上風(fēng)電場(chǎng)相比，其建設(shè)、安裝及電力輸送的技術(shù)難度較大，成本較高.我國(guó)海岸線狹長(zhǎng)，海上風(fēng)力資源豐富，開(kāi)發(fā)利用海上風(fēng)力資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4].2019年9月，中國(guó)工程院正式啟動(dòng)“海上風(fēng)電支撐我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢(xún)項(xiàng)目，旨在從戰(zhàn)略高度上明確我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展戰(zhàn)略，從實(shí)踐層面上策劃了我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展路徑，并為海上風(fēng)電的高質(zhì)量發(fā)展提供了指導(dǎo)建議.目前，海上風(fēng)電場(chǎng)可選的并網(wǎng)方式有：高壓交流輸電、柔性直流輸電(VSC-HVDC)、混合直流輸電、分頻輸電等方式[5].國(guó)內(nèi)實(shí)際建設(shè)和投運(yùn)的海上風(fēng)電并網(wǎng)工程主要采用前兩種方案.對(duì)于高壓交流輸電方式，由于交流海纜電容效應(yīng)的存在，電能損耗隨傳輸距離的增大而增加，建設(shè)規(guī)模在400 MW下、離岸距離在50 km內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)多采用此類(lèi)方案[6].采用柔性直流輸電方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠獨(dú)立調(diào)控有功和無(wú)功功率、不受輸送距離制約、具有較強(qiáng)的故障穿越能力[7]，是目前大規(guī)模、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場(chǎng)接入陸上電網(wǎng)的主要方式[8].由于海上風(fēng)電相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，近海風(fēng)力的開(kāi)發(fā)將逐漸趨于飽和，隨著國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)海風(fēng)電項(xiàng)目的規(guī)劃和建設(shè)，大規(guī)模海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)方式將被廣泛采用[9].采用直流輸電方式使得海上交流系統(tǒng)與陸上電網(wǎng)隔離，大量電力電子設(shè)備的應(yīng)用會(huì)降低電力系統(tǒng)慣量[10]，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電具有波動(dòng)性、弱支撐性，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[11-12].為此，亟需制定相應(yīng)的并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的技術(shù)要求，保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行.

本文選取國(guó)內(nèi)外多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)要求進(jìn)行對(duì)比研究.對(duì)一般性要求、功率控制和低電壓穿越要求等方面進(jìn)行對(duì)比，分析海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì).在此基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供合理建議.

1 國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 歐盟(EU)標(biāo)準(zhǔn)2016/1447

2014年，歐洲輸電運(yùn)營(yíng)商聯(lián)盟ENTSO-E制定了高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)與直流系統(tǒng)相連的非同步發(fā)電(DC-C PPM)系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范草案140430-NC，在此基礎(chǔ)上，歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在2016年8月出臺(tái)了歐盟標(biāo)準(zhǔn)2016/1447.在該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了HVDC與DC-C PPM的并網(wǎng)要求，適用于海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)的場(chǎng)景.其主要適用范圍包括：海上風(fēng)電經(jīng)柔直并網(wǎng)，跨國(guó)、區(qū)域電網(wǎng)海上直流互聯(lián)，區(qū)域電網(wǎng)背靠背互聯(lián)，采用直流輸電系統(tǒng)為海島供電.其主要內(nèi)容包括：對(duì)高壓直流并網(wǎng)要求(逆變站)，對(duì)連接高壓直流輸電的非同步發(fā)電系統(tǒng)(針對(duì)海上風(fēng)電)要求，以及對(duì)高壓直流整流站的要求.

1.2 國(guó)際組織標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)際上已經(jīng)出臺(tái)了較多的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和直流輸電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[13-15]，如IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1899-2017標(biāo)準(zhǔn)，IEEE guide for establishing basic requirements for high-voltage direct-current transmission protection and control equipment，德國(guó)VDE-AR-N 4120標(biāo)準(zhǔn)，Technical requirements for the connection and operation of customer installations to the high voltage network等，但是針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)技術(shù)要求，IEEE、IEC(International Electrotechnical Commission) 等國(guó)際組織均未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).歐洲電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商先后在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制訂了各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如英國(guó)北愛(ài)爾蘭SONI公司、挪威STATNETT公司、德國(guó)TENNET公司、丹麥ENERGINET公司、希臘IPTO公司等.上述企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均在歐盟EU 2016/1447 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上將可選參數(shù)或非強(qiáng)制性要求結(jié)合實(shí)際需求具體化.IEC已經(jīng)成立了多個(gè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作組委員會(huì)，如SC 8A可再生能源并網(wǎng)技術(shù)委員會(huì)、TC 88風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)、TC 115 直流電壓等級(jí)100 kV高壓直流輸電系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)等，將有助于推進(jìn)相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定.

1.3 我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)出臺(tái)了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如中國(guó)GB/T 19963-2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)[16]，針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)技術(shù)要求，國(guó)內(nèi)暫未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).2019年底，南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院組織召開(kāi)中國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)領(lǐng)域首個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制組研討會(huì).同時(shí)，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)也開(kāi)始制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).2021年，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院在廣州組織召開(kāi)了工作組會(huì)議，牽頭制定南方電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).相關(guān)國(guó)內(nèi)組織可參考丹麥、德國(guó)、英國(guó)和加拿大等國(guó)家的海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)有關(guān)技術(shù)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段風(fēng)電工程的實(shí)際情況，在頻率、電壓、有功功率和無(wú)功功率、故障穿越能力和電能質(zhì)量等方面對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)提出要求.

2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)要求對(duì)比分析

2.1 海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的一個(gè)基本問(wèn)題是送端系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)定頻率的交流電源支撐，使得輸電系統(tǒng)必須兼顧穩(wěn)定送端交流系統(tǒng)頻率的功能.對(duì)于送端的換流站控制，一般采用電壓源型換流器向無(wú)源電網(wǎng)送電的控制策略，即通過(guò)給定交直軸電壓分量和頻率控制送端系統(tǒng)的交流電壓，從而為風(fēng)機(jī)提供穩(wěn)定的交流電源.而受端換流站的控制類(lèi)似于風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)換流站控制控制，即分別控制直流側(cè)電壓和傳遞到電網(wǎng)的無(wú)功功率.

2.2 一般性要求和接入原則

直流逆變站相較于受端電網(wǎng)而言可等效為電源，其應(yīng)具備快速的有功、無(wú)功調(diào)節(jié)能力，維持受端電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定.標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于柔直逆變站的并網(wǎng)要求主要包括：運(yùn)行條件(電壓、頻率等)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(頻率響應(yīng)特性、電壓響應(yīng)特性等)，自動(dòng)調(diào)節(jié)能力(有功功率、無(wú)功功率、頻率、電壓調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)速度等)，以及信息交互等.

2.3 有功功率控制與頻率支持要求

2.3.1有功功率控制與頻率支持具體要求 有功功率控制和頻率支持主要有以下4點(diǎn)要求.① 頻率范圍，強(qiáng)調(diào)對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性，即被動(dòng)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的能力；在系統(tǒng)緊急情況下，需要確保將傳輸系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài).② 頻率變化率耐受能力，即頻率在-2.5～+2.5 Hz/s之間，以保證柔直系統(tǒng)不脫網(wǎng).③ 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即慣量響應(yīng)；標(biāo)準(zhǔn)要求高壓直流系統(tǒng)應(yīng)能夠響應(yīng)頻率變化提供慣量響應(yīng)，必要時(shí)設(shè)定最小慣量，但具體定義、計(jì)算方法和具體要求并未給出.④自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，自動(dòng)調(diào)節(jié)能力分為3種頻率調(diào)節(jié)模式(1次調(diào)頻)：頻率敏感模式(FSM)，有限頻率敏感模式-超頻(LFSM-O)以及有限頻率敏感模式-低頻(LFSM-U).自動(dòng)調(diào)頻能力在歐盟標(biāo)準(zhǔn)1447/2016 中是強(qiáng)制性的，必須選擇三者之一.當(dāng)系統(tǒng)在LFSM-O和LFSM-U模式下運(yùn)行，且系統(tǒng)頻率在標(biāo)稱(chēng)頻率附近的指定死區(qū)內(nèi)時(shí)，不向系統(tǒng)提供任何頻率響應(yīng)，比FSM模式的死區(qū)要寬得多.通常用于某些單元在技術(shù)上無(wú)法響應(yīng)較小的頻率變化或避免系統(tǒng)振蕩等場(chǎng)景.FSM模式主要應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)組，LFSM-O模式多用于風(fēng)電場(chǎng)的緊急響應(yīng)，LFSM-U模式應(yīng)用場(chǎng)景極少，因此某些國(guó)家建議通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，如選擇較大的頻率死區(qū)或較低的下垂系數(shù)，從而放寬要求.高壓直流輸電系統(tǒng)頻率適應(yīng)范圍如表1所示.

表1 高壓直流輸電系統(tǒng)頻率適應(yīng)范圍

2.3.2頻率敏感模式

(1) 高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠通過(guò)調(diào)整有功功率傳輸來(lái)響應(yīng)每個(gè)電網(wǎng)中的頻率偏差，如圖1所示.其中：ΔP/Pmax為有功功率變化量與最大高壓直流輸電有功功率的比率；t1為系統(tǒng)響應(yīng)最低高壓直流有源功率容量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；t2為系統(tǒng)響應(yīng)最大高壓直流有源功率容量對(duì)應(yīng)的時(shí)間；t為時(shí)間；ΔP1為最大高壓直流有源功率容量限制.

圖1 高壓直流輸電系統(tǒng)的有功功率頻率響應(yīng)能力

(2) 有源功率傳輸(雙向)的頻率相關(guān)調(diào)整受高壓直流系統(tǒng)最低高壓直流有源功率容量和最大高壓直流有源功率容量限制.

2.3.3有限頻率敏感模式-超頻 除頻率適應(yīng)范圍要求外，以下要求適用于LFSM-O模式.

(1) 高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠根據(jù)頻率將有功功率傳輸調(diào)整至如圖2所示的狀態(tài).其中：Δf/fn為頻率變化率與額定頻率的比率；f1為設(shè)定的頻率閾值；s3為靜態(tài)系數(shù).由圖2可知，頻率閾值f1在 50.2～50.5 Hz，s3可以向上調(diào)整0.1%；

圖2 LFSM-O模式下的高壓直流輸電系統(tǒng)的有功功率頻率響應(yīng)能力

(2) 在LFSM-O模式下，高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠?qū)⑵溆泄β收{(diào)節(jié)到其最小高壓直流輸電有功功率容量.

2.3.4有限頻率模式-低頻 除頻率適應(yīng)性要求外，以下要求適用于有LFSM-U模式.

(1) 高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠根據(jù)頻率將有功功率傳輸調(diào)整到三相交流電網(wǎng)，包括如圖3中所示的功率輸入和輸出.其中：f2為設(shè)定的頻率閾值；s4為靜態(tài)系數(shù).由圖3可知，頻率閾值f2在 49.5～49.8 Hz，s4可向上調(diào)整0.1%；

圖3 LFSM-U模式下的高壓直流輸電系統(tǒng)的有功功率頻率響應(yīng)能力

(2) 在LFSM-U模式下，高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠?qū)⒂泄β蕚鬏斦{(diào)整到最大高壓直流有功功率容量.

2.4 無(wú)功控制與電壓支持要求

電壓范圍隨著各地區(qū)、不同電壓等級(jí)而異.無(wú)功支撐能力是給出無(wú)功功率與最大高壓直流輸電有功功率比率的邊界范圍，高壓直流換流站應(yīng)能夠在其最大有功功率傳輸容量下提供無(wú)功功率.

電壓適應(yīng)性要求：

(1) 當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)各換流站并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值(p.u.)在0.85～1.118，系統(tǒng)可以無(wú)限時(shí)長(zhǎng)保持運(yùn)行，具體各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)如表2和3所示.

(2) 當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓超越了表2和3所示的電壓范圍，高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)能按照各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的穿越要求運(yùn)行.

表2 高壓直流輸電系統(tǒng)在不與電網(wǎng)斷開(kāi)的情況下運(yùn)行的最短時(shí)間(110 kV≤基準(zhǔn)電壓<300 kV)

表3 高壓直流輸電系統(tǒng)在不與電網(wǎng)斷開(kāi)的情況下運(yùn)行的最短時(shí)間(300 kV≤基準(zhǔn)電壓≤400 kV)

無(wú)功功率控制要求：

(1) 控制模式要求，可選擇電壓控制模式、無(wú)功功率控制模式以及功率因數(shù)控制模式，應(yīng)為3種之一或組合.其中，只采用電壓控制模式時(shí)，極端情況下無(wú)功功率可能會(huì)越限.

(2) 控制參數(shù)要求，可為固定值或遠(yuǎn)程調(diào)整，控制模式可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整.

(3) 控制特性要求，規(guī)定了正常運(yùn)行所需的響應(yīng)(以希臘為例，歐盟標(biāo)準(zhǔn)未詳細(xì)描述).

U-Q/Pmax曲線的邊界如圖4所示.其中：U為連接點(diǎn)處的電壓，用實(shí)際值與參考值的比率表示；Q/Pmax為無(wú)功功率與最大高壓直流輸電有功功率的比率.虛線矩形的位置、尺寸和形狀是指示性的，并且在虛線矩形內(nèi)可以使用除矩形之外的形狀.對(duì)于矩形以外的輪廓形狀，電壓范圍代表該形狀中的最高和最低電壓點(diǎn).

圖4 U-Q/Pmax 曲線的邊界

2.5 低電壓穿越要求

通過(guò)電壓-時(shí)間曲線可知在曲線上側(cè)高壓直流換流站應(yīng)能保持與電網(wǎng)的連接，并在電力系統(tǒng)受到安全故障干擾后繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，分為故障前、故障期間和故障后3個(gè)階段，低電壓故障穿越(FRT)要求曲線如圖5所示.其中：Uret為在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)的殘余電壓；Urec1和trec1為故障排除后的恢復(fù)電壓與其對(duì)應(yīng)的時(shí)間下限；Urec2和trec2為電壓穩(wěn)定后的恢復(fù)電壓與其對(duì)應(yīng)的時(shí)間下限；Ubloc為風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的阻塞電壓；tcle為故障得到清除的時(shí)間點(diǎn).

圖5 低電壓故障穿越要求曲線

故障后有功功率恢復(fù)應(yīng)規(guī)定高壓直流輸電系統(tǒng)能夠提供的有功功率恢復(fù)的幅度和時(shí)間曲線.

國(guó)標(biāo)《GB/T 36995-2018風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電壓穿越能力測(cè)試規(guī)程》中明確提出了對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越要求[17]，相較于歐盟標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)標(biāo)所給出的低電壓穿越要求曲線缺少了一個(gè)拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為圖5中的trec1時(shí)刻，縱坐標(biāo)為故障排除后電壓恢復(fù)的下限，國(guó)標(biāo)低電壓穿越故障穿越要求曲線如圖6所示.

圖6 國(guó)標(biāo)中的低電壓穿越故障穿越要求曲線

低電壓穿越要求風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具有規(guī)定的電壓和時(shí)間范圍內(nèi)不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行的能力(見(jiàn)圖6).具體要求如下：

(1) 有功功率恢復(fù).對(duì)電壓跌落期間沒(méi)有脫網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組自電壓恢復(fù)正常時(shí)刻開(kāi)始，有功功率應(yīng)至少以每秒10%額定功率的功率變化率恢復(fù)至實(shí)際工況對(duì)應(yīng)的輸出功率.

(2) 動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力.當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)自電壓跌落出現(xiàn)的時(shí)刻起快速響應(yīng)，通過(guò)注入容性無(wú)功電流支撐電壓恢復(fù).

高壓直流輸電換流站FRT能力參數(shù)如表4所示.

表4 高壓直流輸電換流站FRT能力參數(shù)

北愛(ài)爾蘭故障穿越要求如表5所示.

表5 北愛(ài)爾蘭故障穿越要求

2.6 電能質(zhì)量

柔性直流輸電系統(tǒng)所有者應(yīng)確保其與網(wǎng)絡(luò)的連接不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)電壓的失真或波動(dòng)，在連接點(diǎn)超過(guò)限度由相關(guān)運(yùn)營(yíng)商協(xié)定.

國(guó)標(biāo)GB/T 12326-2008中規(guī)定，任何一個(gè)波動(dòng)干擾源在電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)產(chǎn)生的電壓變動(dòng)，其限值和電壓變動(dòng)頻度和電壓等級(jí)有關(guān)[18].風(fēng)電場(chǎng)屬隨機(jī)性不規(guī)則干擾源，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，其引起的電壓波動(dòng)，其限值應(yīng)小于2.5%.

根據(jù)該國(guó)標(biāo)規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的較小方式下，以一周(168 h)為測(cè)量周期，所有長(zhǎng)時(shí)間閃變值Rlt都應(yīng)滿(mǎn)足的要求.對(duì)于220 kV及以上接入的海上風(fēng)電場(chǎng)，Rlt≤0.8.

IEEE Std 519-2014 標(biāo)準(zhǔn)電壓畸變限值如表6所示.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 519-2014[19]，在公共連接點(diǎn)，系統(tǒng)的用戶(hù)或者運(yùn)營(yíng)商需要按照以下原則限制線路與中性點(diǎn)之間的諧波電壓：① 每天極短時(shí)間 (3 s) 的99%概率值諧波電壓應(yīng)小于表6值的1.5倍[20].② 每周短時(shí)間(10 min)的95%概率值諧波電壓應(yīng)小于表6中的值.

表6 IEEE Std 519-2014 標(biāo)準(zhǔn)電壓畸變限值

《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GBT 14549-1993)規(guī)定的110 kV公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值如表7所示，額定電壓為220 kV的公用電網(wǎng)參照110 kV執(zhí)行[21].

表7 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

為保證電網(wǎng)公共連接(PCC)點(diǎn)的電壓諧波水平在限值范圍內(nèi)，必須限制各諧波源注入PCC點(diǎn)的諧波電流.根據(jù)《海上風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》(Q/GDW11410-2015)[22]，風(fēng)電場(chǎng)所在的公共連接點(diǎn)的諧波注入電流應(yīng)滿(mǎn)足《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》[21]的要求，其中海上風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值應(yīng)按照海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量與公共連接點(diǎn)的發(fā)/供電設(shè)備總?cè)萘恐冗M(jìn)行分配.

2.7 保護(hù)與控制

保護(hù)與控制方面需要考慮的是滿(mǎn)足無(wú)人值守的要求，達(dá)到緊湊化的設(shè)計(jì)，特別是要解決海上風(fēng)電直流送出的系統(tǒng)充電的方法，快速的功率控制，以及與海上風(fēng)電系統(tǒng)配合的問(wèn)題.

根據(jù)(歐盟EU 2016/1447 標(biāo)準(zhǔn)[15]條例第14條第(5)款(b)項(xiàng)規(guī)定，確定直流電場(chǎng)模塊的電氣保護(hù)方案和設(shè)置.保護(hù)方案的設(shè)計(jì)必須考慮到系統(tǒng)性能、電網(wǎng)的特殊性以及電力園區(qū)模塊技術(shù)的特殊性，并與相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商達(dá)成一致.

直流并網(wǎng)的保護(hù)和控制的優(yōu)先級(jí)應(yīng)根據(jù)歐盟EU 2016/1447 標(biāo)準(zhǔn)[15]第14條第(5)款(c)項(xiàng)(其中網(wǎng)絡(luò)指同步區(qū)域網(wǎng)絡(luò))確定，并與相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商協(xié)定.

2.8 穩(wěn)定性

高壓直流系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)所連接的交流網(wǎng)絡(luò)中的電力振蕩起到阻尼作用.高壓直流系統(tǒng)的控制系統(tǒng)不得降低功率振蕩的阻尼.相關(guān)的運(yùn)營(yíng)商應(yīng)規(guī)定控制方案應(yīng)積極阻尼的振蕩頻率范圍，以及出現(xiàn)這種情況時(shí)的網(wǎng)絡(luò)條件，至少應(yīng)考慮到運(yùn)營(yíng)商為確定其輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性極限和潛在穩(wěn)定性問(wèn)題而進(jìn)行的任何動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估研究.控制參數(shù)的設(shè)置應(yīng)由相關(guān)的運(yùn)營(yíng)商和HVDC系統(tǒng)業(yè)主商定.

2.9 黑啟動(dòng)

具備黑啟動(dòng)能力的高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)能在一個(gè)換流站通電的情況下，在高壓直流輸電系統(tǒng)關(guān)閉后的一段時(shí)間范圍內(nèi)，為連接到另一個(gè)換流站的交流母線通電，這一點(diǎn)由相關(guān)的運(yùn)營(yíng)商決定.高壓直流系統(tǒng)應(yīng)能在本文2.3節(jié)所述的頻率范圍內(nèi)、本文2.4節(jié)所述的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步.必要時(shí)，相關(guān)運(yùn)營(yíng)商可規(guī)定更寬的頻率以及電壓范圍，以恢復(fù)系統(tǒng)安全.

相關(guān)運(yùn)營(yíng)商和高壓直流系統(tǒng)業(yè)主應(yīng)就黑啟動(dòng)能力的容量和可用性以及操作程序達(dá)成一致.

3 海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 無(wú)功與電壓控制策略

對(duì)于海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功與電壓控制問(wèn)題，應(yīng)充分利用好海上風(fēng)電機(jī)組的自身無(wú)功調(diào)節(jié)能力[23]，并做好其與動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)調(diào)控制.同時(shí)，應(yīng)利用好柔性直流換流站內(nèi)的無(wú)功資源，分析此柔性直流系統(tǒng)對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組電壓穿越能力的需求，對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行必要的性能提升，共同應(yīng)對(duì)系統(tǒng)在大、小擾動(dòng)下的無(wú)功功率與電壓控制問(wèn)題.需要考慮海上風(fēng)電和常規(guī)火電機(jī)組不同運(yùn)行配比情況下，因海上風(fēng)電資源特性導(dǎo)致的大范圍功率波動(dòng)以及對(duì)受端電網(wǎng)的電壓分布特性的影響.

另外，還需關(guān)注直流閉鎖故障下送端電網(wǎng)各電壓等級(jí)節(jié)點(diǎn)的暫態(tài)電壓特性，特別是不同地理位置的海上風(fēng)電場(chǎng)的過(guò)電壓特性，根據(jù)分析結(jié)果提出大規(guī)模海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的高電壓穿越電壓閾值、穿越時(shí)長(zhǎng)、無(wú)功電流支撐等指標(biāo)建議.因此，建立無(wú)功與電壓控制策略的專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)之一.

3.2 次同步和超同步控制交互

2010年以來(lái)，我國(guó)多次出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)并入系統(tǒng)發(fā)生的次同步振蕩現(xiàn)象，系統(tǒng)電壓振蕩幅值大幅提高，造成風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)及Crowbar電路損壞.2015年7月，我國(guó)甘肅某風(fēng)電基地，在沒(méi)有串聯(lián)補(bǔ)償?shù)那闆r下，多次出現(xiàn)次同步頻率范圍的持續(xù)功率振蕩現(xiàn)象，甚至引發(fā)200 km外經(jīng)直流送出的火電機(jī)組扭振保護(hù)動(dòng)作切機(jī)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，影響風(fēng)電的并網(wǎng)消納[24-26].

對(duì)于海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)次同步和超同步控制交互的研究目前集中在簡(jiǎn)單類(lèi)型變流器及系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析中，忽略了復(fù)雜多種類(lèi)變流器、多端柔性直流系統(tǒng)中換流器的耦合效應(yīng)[27].對(duì)變流器的穩(wěn)定性分析，主要依靠傳統(tǒng)的小信號(hào)模型、電磁暫態(tài)模型以及簡(jiǎn)化的阻抗分析法，忽略了鎖相環(huán)回路延時(shí)，繼電保護(hù)回路延時(shí)，采樣回路延時(shí)等，會(huì)在實(shí)際工程應(yīng)用中影響變流器阻抗特性.另一方面，柔性直流系統(tǒng)振蕩從次同步頻率區(qū)間，到中高頻率區(qū)間均有概率發(fā)生，實(shí)際工程中需要考慮變流器、傳輸線路等設(shè)備的寬頻特性，保證其在振蕩發(fā)生頻率范圍的阻抗一致性[28].

因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)多模式寬頻帶系統(tǒng)的量化分析，建立能夠適應(yīng)實(shí)際海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)，編寫(xiě)次同步和超同步控制交互的專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)之一.

3.3 海上風(fēng)電與柔性直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

正如交流電網(wǎng)需要有交流電壓和功率控制一樣，柔性直流輸電系統(tǒng)同樣需要具備直流電壓和直流功率控制功能，并且直流輸電網(wǎng)設(shè)備之間需要通信實(shí)現(xiàn)直流輸電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制[29].大量海上風(fēng)電接入電網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)等效慣量降低，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定將應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)[30].由于海上風(fēng)電場(chǎng)與柔性直流輸電系統(tǒng)都具備一定調(diào)頻能力，所以?xún)?yōu)先考慮發(fā)揮柔性直流系統(tǒng)的調(diào)制的作用，其次充分挖掘海上風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力，充分適應(yīng)系統(tǒng)要求，將海上風(fēng)電調(diào)頻的快速性和常規(guī)電源調(diào)頻的持續(xù)性有效結(jié)合，共同應(yīng)對(duì)海上風(fēng)電柔直并網(wǎng)系統(tǒng)在小擾動(dòng)和大擾動(dòng)下的頻率調(diào)節(jié)問(wèn)題[31].

海上的天氣多變惡劣，出現(xiàn)雷暴、臺(tái)風(fēng)等極端天氣的概率遠(yuǎn)高于陸上，而極端天氣導(dǎo)致的海上風(fēng)電出力短時(shí)內(nèi)會(huì)大幅變化，對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定造成嚴(yán)重威脅，因此有必要開(kāi)展極端天氣情況下海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)的頻率特性研究.此外，需要研究海上風(fēng)電調(diào)頻控制與柔性直流附加頻率控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)頻率控制技術(shù).海上風(fēng)電能夠快調(diào)節(jié)輸出有功功率，柔性直流輸電系統(tǒng)也具備緊急功率控制功能，需要研究海上風(fēng)電有功控制與柔性直流緊急功率控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)頻率控制技術(shù).因此，建立海上風(fēng)電與柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略的專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)之一.

4 并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)技術(shù)的挑戰(zhàn)和相關(guān)建議

4.1 并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)技術(shù)的挑戰(zhàn)

為了實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并入電網(wǎng)，需解決高電壓大容量系統(tǒng)與緊湊化輕型化平臺(tái)之間存在矛盾，關(guān)注異常頻率下的動(dòng)態(tài)有功功率支撐條件，研究異常電壓條件下的動(dòng)態(tài)電壓支持以及負(fù)序電流注入和系統(tǒng)保護(hù)[32].制定直流海纜絕緣水平優(yōu)化提升、海上風(fēng)電輸出能量波動(dòng)大且對(duì)柔性直流系統(tǒng)故障穿越要求高、主設(shè)備海洋適應(yīng)性技術(shù)等要求.

4.2 相關(guān)建議

長(zhǎng)期以來(lái)，海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出技術(shù)被歐洲少數(shù)國(guó)家所掌握，制約了我國(guó)海上風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展并網(wǎng)的進(jìn)程[33].通過(guò)持續(xù)加強(qiáng)對(duì)海上適用性的柔性直流輸電技術(shù)的研究?jī)?chǔ)備，引領(lǐng)我國(guó)海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，能夠確保我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)得多，送得出，能消納.海上風(fēng)電經(jīng)柔直并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，需密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的合作，使行業(yè)內(nèi)企業(yè)能夠更加有效地參與海上風(fēng)電經(jīng)柔直并網(wǎng)的工作[34].

在“十四五”期間，需加快形成海上風(fēng)電集中化、規(guī)?；_(kāi)發(fā)，優(yōu)化電力生產(chǎn)與輸送通道布局[35].同時(shí)，加快沿海地區(qū)廣東和江蘇等風(fēng)能資源良好省份已有的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，并逐步推動(dòng)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海上風(fēng)電的消納[36].建議加強(qiáng)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)技術(shù)研究，多方合作展開(kāi)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)，統(tǒng)籌考慮電力系統(tǒng)網(wǎng)架和電力系統(tǒng)安全的影響，規(guī)劃建設(shè)海上電力輸送通道[37].最終建成世界先進(jìn)的海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為我國(guó)大規(guī)模海上風(fēng)電集約開(kāi)發(fā)與并網(wǎng)提供更可靠、更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[38].

5 結(jié)論

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析了海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)以及并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)技術(shù)的挑戰(zhàn)和相關(guān)建議歷程，為我國(guó)大規(guī)模海上風(fēng)電集中接入的發(fā)展提供一定指導(dǎo)建議，得到具體結(jié)論如下.

(1) 總結(jié)分析了近期出臺(tái)的有關(guān)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的相關(guān)政策，對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定具有借鑒意義.對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的發(fā)展，具有一定的導(dǎo)向意義.

(2) 我國(guó)在柔性直流輸電技術(shù)中的多項(xiàng)技術(shù)已位于全球前列，同時(shí)具備海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)條件，但鑒于海上換流站的復(fù)雜多變特殊環(huán)境，今后需進(jìn)一步提高設(shè)備的耐受性與可靠性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還需進(jìn)一步完善.

(3) 海上風(fēng)電的發(fā)展必將對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提出很多新的要求，目前執(zhí)行的海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是否適應(yīng)這些新要求，是否需要對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適時(shí)地修編，以適應(yīng)海上風(fēng)電的發(fā)展要求成為迫切需要解決的問(wèn)題.