張 鑫，劉 飛，王世斌，李媛媛

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，西寧 810001）

在“雙碳”目標(biāo)下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已成為能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[1]。近幾年，風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源在我國(guó)發(fā)展迅速，目前，新能源的發(fā)展主要分為兩類，分別為集中式和分布式。針對(duì)新能源集中式發(fā)展，由于新能源資源在青海、甘肅等西部地區(qū)比較集中，而負(fù)荷中心又主要集中在我國(guó)東部，所以需要考慮大規(guī)模新能源外送問(wèn)題。

高壓直流輸電技術(shù)具備大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗等優(yōu)勢(shì)，風(fēng)電、光伏與常規(guī)能源打捆經(jīng)高壓直流送出是大規(guī)模新能源外送的典型和重要輸電形式[2-4]。風(fēng)電、集中式光伏電站等新能源基地與火電廠、水電廠等常規(guī)能源經(jīng)升壓后接入同一高壓母線，再經(jīng)高壓/特高壓直流系統(tǒng)輸送到遠(yuǎn)端負(fù)荷中心。同時(shí)，為保證在輸電線路故障或停運(yùn)條件下系統(tǒng)功率平衡，高壓母線上還接入了一定容量的交流系統(tǒng)。另外，新能源機(jī)組出力本身具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，需要利用常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻能力快速平抑新能源機(jī)組出力的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)新能源與常規(guī)能源打捆外送系統(tǒng)的出力穩(wěn)定。然而，新能源調(diào)峰調(diào)頻能力與新能源出力最大化之間存在矛盾，因此，在現(xiàn)有控制技術(shù)不進(jìn)行大幅度改進(jìn)的前提下，新能源與常規(guī)能源打捆高壓直流外送將成為風(fēng)電、光伏等新能源基地外送的主流輸電形式。

以青海電網(wǎng)為例，截至2020年底，新能源裝機(jī)容量約為2 500×104kW，青海電網(wǎng)已建成青海-河南±800 kV特高壓直流輸電工程，輸電容量為8 000 MW，并且青海電網(wǎng)已規(guī)劃了第2條特高壓直流外送方案。另外，根據(jù)青海電網(wǎng)規(guī)劃，2025年青海省將建成兩個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)清潔能源基地，開(kāi)發(fā)總規(guī)模達(dá)到5 850×104kW，新能源機(jī)組裝機(jī)容量將超過(guò)總裝機(jī)容量的65%，因此，青海電網(wǎng)是典型的高新能源滲透率的特高壓直流外送電網(wǎng)。然而，青海電網(wǎng)網(wǎng)架相對(duì)薄弱，風(fēng)電、光伏等新能源的隨機(jī)波動(dòng)性較大，調(diào)頻、調(diào)壓能力差等問(wèn)題均將給新能源特高壓直流外送系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[5-6]。在此背景下，研究提高特高壓直流送端電網(wǎng)新能源消納水平的措施具有重要意義。

新能源消納能力與電網(wǎng)供需結(jié)構(gòu)、網(wǎng)源發(fā)展協(xié)調(diào)性、儲(chǔ)能配置情況、電網(wǎng)調(diào)峰能力及市場(chǎng)機(jī)制等眾多因素有關(guān)[7-8]。文獻(xiàn)[9]基于現(xiàn)行西北區(qū)域省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)平臺(tái)，提出了適宜西北地區(qū)負(fù)荷特性及新能源消納需求的“源網(wǎng)荷”聯(lián)動(dòng)調(diào)度模式及交易機(jī)制，然而這些研究沒(méi)有結(jié)合新能源特高壓直流外送特點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]指出，特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生閉鎖故障、換相失敗或再啟動(dòng)對(duì)送端系統(tǒng)安全穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大影響，特別是直流閉鎖后會(huì)引起近區(qū)暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，從而造成風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)。文獻(xiàn)[11]針對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}提出一種基于電容器的風(fēng)火電源協(xié)調(diào)控制方案。文獻(xiàn)[12]針對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}研究直流系統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)與風(fēng)電機(jī)組無(wú)功電壓控制的機(jī)理。文獻(xiàn)[13]通過(guò)仿真指出，隨著風(fēng)光等新能源出力比例的增大，直流外送系統(tǒng)抗干擾能力降低。文獻(xiàn)[14]分析了新能源接入的交直流弱送端系統(tǒng)功角和過(guò)電壓特性，以及對(duì)直流外送能力的影響。

上述研究主要分析了影響風(fēng)、光、火打捆直流送出系統(tǒng)新能源消納水平的因素，較少涉及提高新能源消納水平的綜合策略。為此，本文提出了能夠提高特高壓直流送端電網(wǎng)新能源消納水平的措施。首先，研究影響特高壓直流送端電網(wǎng)新能源消納水平的因素；其次，提出提高特高壓直流送端電網(wǎng)新能源消納水平的方法；最后，通過(guò)青海電網(wǎng)算例驗(yàn)證所提方法的正確性和有效性。

1 影響高壓直流送端電網(wǎng)新能源消納水平的主要因素

新能源和火電打捆高壓直流輸電系統(tǒng)如圖1所示。由圖1可知，該系統(tǒng)主要包含兩條送出支路：一條是通過(guò)交流線路送出，其功率為P1+jQ1，P1、Q1分別為通過(guò)交流線路傳輸?shù)挠泄蜔o(wú)功功率；另一條是通過(guò)高壓直流輸電系統(tǒng)送出，其功率為PD+jQD，PD、QD分別為通過(guò)高壓直流輸電系統(tǒng)送出的有功和無(wú)功功率。圖中：Ps+jQs為火電機(jī)組發(fā)出的功率，Ps、Qs分別為火電機(jī)組發(fā)出的有功和無(wú)功功率；Pw+jQw為新能源發(fā)出的功率，Pw、Qw分別為新能源發(fā)出的有功和無(wú)功功率；Qc為換流站投入的無(wú)功補(bǔ)償功率；Qb為交流線路電納產(chǎn)生的無(wú)功功率；X為交流線路等值電抗；U為無(wú)窮大母線電壓，表示受端交流系統(tǒng)電壓；Ut、Uw分別為火電機(jī)組和新能源機(jī)組機(jī)端電壓；Ud為火電機(jī)組和新能源發(fā)電共用交流母線電壓。

圖1 新能源高壓直流送端電網(wǎng)示意Fig.1 Schematic of new energy sending-end power grid transmitted via HVDC

影響高壓直流送端電網(wǎng)新能源消納水平的主要因素有頻率穩(wěn)定和暫態(tài)過(guò)電壓。

1.1 頻率穩(wěn)定

隨著風(fēng)機(jī)等新能源比例的持續(xù)增大，系統(tǒng)中同步機(jī)裝機(jī)容量隨之降低，其慣性時(shí)間常數(shù)隨著新能源接入比重的增大而減小。一旦發(fā)生功率擾動(dòng)，例如直流閉鎖或換相失敗引起的不平衡功率，將會(huì)對(duì)高壓直流送端電網(wǎng)頻率產(chǎn)生沖擊，造成暫態(tài)頻率最大偏差及穩(wěn)態(tài)頻率偏差加大，影響系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

對(duì)于圖1中的高壓直流送端電網(wǎng)，高壓直流輸電一旦發(fā)生閉鎖，其瞬間產(chǎn)生的不平衡功率、發(fā)電機(jī)的調(diào)速器和負(fù)荷均會(huì)參與有功平衡，這些因素與頻率間的暫態(tài)變化關(guān)系可表示為

式中：TJeq為高壓直流送端系統(tǒng)等值慣性時(shí)間常數(shù)；Δf*為頻率偏差；分別為發(fā)電機(jī)等值單位功率調(diào)節(jié)系數(shù)和負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)；Pd為不平衡功率；TG為同步電機(jī)調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)，表示從氣門(mén)動(dòng)作到有功功率出力變化的延時(shí)時(shí)間。

對(duì)于瞬間不平衡功率Pd，在頻域下表示為，則在頻域下頻率變化Δf(s)可表示為

式中，s為復(fù)頻率。

由式（2）可以得到頻率最大偏差；當(dāng)s→0時(shí)，頻率的穩(wěn)態(tài)偏差可表示為

由式（2）、（3）可知，一旦新能源出力不具備調(diào)頻能力，也就是無(wú)慣量支撐，則隨著系統(tǒng)能源滲透率的提升，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)單位功率調(diào)節(jié)系數(shù)減小，系統(tǒng)等值慣性時(shí)間常數(shù)Teq減小，直流送端系統(tǒng)最大功率偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均增大，影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，即頻率穩(wěn)定是影響直流送端電網(wǎng)新能源消納水平的重要因素之一。

1.2 暫態(tài)過(guò)電壓

假設(shè)圖1中新能源場(chǎng)站距離換流站電氣距離較近，即Uw≈Ud，交流線路傳輸功率可表示為

一旦高壓直流發(fā)生閉鎖故障，則PD=0，QD=0，在短時(shí)間內(nèi)，同步機(jī)出力Ps不發(fā)生變化，如果新能源不進(jìn)入高低穿策略，則新能源出力Pw也不發(fā)生變化；如果由于電壓過(guò)高或過(guò)低使新能源機(jī)組進(jìn)入高低壓穿越策略，需要分析新能源出力的變化。風(fēng)機(jī)低穿時(shí)（電壓低于0.9 p.u.），風(fēng)機(jī)有功功率和無(wú)功功率變化量可表示為

式：ΔPw、ΔQw分別為故障期間風(fēng)機(jī)有功功率和無(wú)功功率出力變化量；kw為低穿期間風(fēng)機(jī)有功功率比例系數(shù)，取值為0.1～0.5；λw為低穿期間風(fēng)機(jī)無(wú)功功率比例系數(shù)，取值為1～2。

新能源并網(wǎng)電壓可以近似表示為

假設(shè)新能源機(jī)組沒(méi)有進(jìn)入高低穿策略，一旦直流閉鎖，由式（4）可知，流過(guò)交流線路的有功功率突然增大，而送端換流站投入的無(wú)功補(bǔ)償裝置（濾波器等）不能及時(shí)退出運(yùn)行，瞬時(shí)無(wú)功盈余較多，即P1和Q1將會(huì)突然增大，由式（8）可知，新能源并網(wǎng)電壓將突然增大，會(huì)引起暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。一旦新能源機(jī)端電壓超過(guò)1.3 p.u.，則新能源機(jī)組過(guò)電壓脫網(wǎng)，因此暫態(tài)過(guò)電壓是影響直流送端電網(wǎng)新能源消納水平的重要因素。

2 提高新能源消納水平措施

2.1 頻率方面

由式（2）、（3）可知，假設(shè)新能源無(wú)調(diào)頻能力，則將新能源高比例接入后，相當(dāng)于直流送端電網(wǎng)等值發(fā)電機(jī)單位功率調(diào)節(jié)系數(shù)和等值慣性時(shí)間常數(shù)Teq減小，一旦發(fā)生功率擾動(dòng)，頻率偏差較大。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，需要新能源機(jī)組參與一次調(diào)頻。

1）風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻與慣量控制

在頻率變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻與慣量控制模型如圖2所示。其中，Δf為電網(wǎng)頻率偏差；Tf為采樣時(shí)間；Kf為風(fēng)機(jī)參與一次調(diào)頻的系數(shù)；Tli為低通濾波參數(shù)；Kw為虛擬慣量；Twi為慣量控制時(shí)間常數(shù)；FLAF_F、FLAF_W為風(fēng)機(jī)參與一次調(diào)頻和慣量控制的信號(hào)。

圖2 風(fēng)機(jī)參與一次調(diào)頻與慣量控制框圖Fig.2 Block diagram of wind generators participating in primary frequency regulation and inertia control

當(dāng)頻率變化后，假設(shè)頻率降低，則頻率偏差Δf為正，經(jīng)過(guò)一次調(diào)頻產(chǎn)生功率調(diào)節(jié)量ΔPf和經(jīng)過(guò)慣量控制的功率調(diào)節(jié)量ΔPw均為正，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)量ΔPref為正，控制機(jī)組有功功率輸出增加，會(huì)使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率進(jìn)一步降低，最后風(fēng)機(jī)有功功率控制模式（轉(zhuǎn)速模式）將引起有功功率指令下降，從而把輸出功率降低。如果風(fēng)機(jī)初始預(yù)留備用容量，即留有一定的槳距角，則優(yōu)先使槳距角降低實(shí)現(xiàn)功率上升，此時(shí)由于沒(méi)有降低轉(zhuǎn)速，所以不會(huì)有后續(xù)的功率下降過(guò)程。

2）光伏機(jī)組參與一次調(diào)頻與慣量控制

光伏發(fā)電模型搭配一次調(diào)頻和慣量控制功能時(shí)，需要對(duì)光伏陣列進(jìn)行改造。光伏陣列可以使用帶伏安計(jì)算的電池公式，出力等效為恒功率源，其輸出功率可表示為

式中：PM為光伏出力；UM、IM分別為最大功率點(diǎn)運(yùn)行下光伏的電壓和電流；s0為當(dāng)前光照強(qiáng)度；sref為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度；k為電池材料系數(shù)；krp為備用系數(shù)。

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，光伏在最大功率點(diǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上預(yù)留出一部分功率Prp作為調(diào)頻功率，即

光伏參與一次調(diào)頻和慣量控制的框圖與風(fēng)機(jī)類似，一旦出現(xiàn)頻率偏差，則光伏出力增大，只要光伏出力不超過(guò)最大功率點(diǎn)，則認(rèn)為光伏可持續(xù)提供功率支撐。而一旦光伏出力超過(guò)最大功率點(diǎn)，則光伏出力被最大功率點(diǎn)鉗位。實(shí)際上，備用功率可以理解為光伏穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)并非運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）最優(yōu)工作點(diǎn)處，也可以理解為光伏結(jié)合了儲(chǔ)能提供功率支撐。

2.2 電壓方面

風(fēng)電、光伏等新能源場(chǎng)站通常位于結(jié)構(gòu)薄弱的末端電網(wǎng)，且本地負(fù)荷有限，大量有功功率長(zhǎng)距離匯集至特高壓直流送端換流站，需要大量的無(wú)功支撐。然而，新能源機(jī)組的調(diào)壓能力和高、低壓穿越能力遠(yuǎn)不如常規(guī)機(jī)組，配套的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備性能參差不齊且缺乏協(xié)調(diào)，因此新能源集中送出地區(qū)電壓穩(wěn)定問(wèn)題非常突出，故障情況下很容易誘發(fā)大規(guī)模的連鎖脫網(wǎng)事故。由式（5）和式（8）可知，直流閉鎖后無(wú)功功率盈余是造成暫態(tài)過(guò)電壓的主要原因。

因此，本節(jié)主要研究調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC（static var compensator）和靜止無(wú)功發(fā)生器SVG（static var generator）等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)新能源消納水平的影響。

1）分布式調(diào)相機(jī)對(duì)新能源消納能力的影響

調(diào)相機(jī)不僅能夠發(fā)出無(wú)功，而且可以吸收無(wú)功，其控制策略如圖3所示。其中，Uref、Ut分別為參考電壓和機(jī)端電壓；If、Ifmax_ref和If_ref分別為勵(lì)磁電流測(cè)量值、最大瞬時(shí)勵(lì)磁電流限制值和過(guò)勵(lì)磁電流限制值；Emax、Emin分別為勵(lì)磁電壓最大和最小值。調(diào)相機(jī)控制一般采用定機(jī)端電壓控制方式，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓來(lái)保持機(jī)端電壓穩(wěn)定。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生交流故障時(shí)，同步調(diào)相機(jī)進(jìn)入過(guò)勵(lì)狀態(tài)運(yùn)行，勵(lì)磁電壓會(huì)隨勵(lì)磁電流的增大而增大，從而增大無(wú)功功率的輸出。為防止瞬時(shí)勵(lì)磁電流過(guò)大，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器配備有最大勵(lì)磁電流限制環(huán)節(jié)，如果勵(lì)磁電流超過(guò)過(guò)勵(lì)電流限制值，并且其持續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)某一設(shè)定時(shí)間，強(qiáng)勵(lì)反時(shí)限限制器會(huì)通過(guò)向勵(lì)磁調(diào)節(jié)器傳遞過(guò)勵(lì)信號(hào)，使勵(lì)磁電流被限制在一個(gè)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的電流水平，避免轉(zhuǎn)子內(nèi)部的熱量積累過(guò)高。

圖3 同步調(diào)相機(jī)控制框圖Fig.3 Control block diagram of synchronous condenser

通過(guò)在暫態(tài)電壓嚴(yán)重地方布置調(diào)相機(jī)，可以利用同步調(diào)相機(jī)快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率能力，限制暫態(tài)過(guò)電壓水平，進(jìn)一步增大直流送端電網(wǎng)新能源消納水平。直流送端電網(wǎng)新能源分布比較分散，需要優(yōu)化調(diào)相機(jī)的位置和容量；同樣，由于調(diào)相機(jī)影響新能源短路比，所以可通過(guò)對(duì)新能源接入地區(qū)短路比的分析來(lái)進(jìn)行調(diào)相機(jī)的安排。

2）SVC/SVG對(duì)新能源消納能力影響

SVC和SVG均可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率，與同步調(diào)相機(jī)的區(qū)別是SVC和SVG是由電力電子設(shè)備組成，不提供短路電流。然而，SVC和SVG在配置時(shí)需要考慮其“錯(cuò)位補(bǔ)償”效應(yīng)，其控制策略如圖4所示。依據(jù)被控母線電壓與目標(biāo)設(shè)定之間的偏差，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等值并聯(lián)電納Bs，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。圖4中，Us、Usref和Uerr分別為被控制母線電壓、參考設(shè)定值及兩者間的偏差；為調(diào)節(jié)器內(nèi)部增益環(huán)節(jié)前的電壓偏差；Tm為電壓測(cè)量時(shí)間常數(shù)；Ta、Tb、Tc和Td為調(diào)節(jié)器超前滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；ΔUmax、ΔUmin分別為電壓偏差最大值和最小值；Ks為增益系數(shù)；Bt、Bc和Bs分別為調(diào)節(jié)器輸出、強(qiáng)補(bǔ)環(huán)節(jié)輸出和SVC輸出的等效電納值；Bmax、Bmin為Bs的最大和最小限制值；Tt為模擬SVC響應(yīng)延時(shí)的慣性時(shí)間常數(shù)；δU為強(qiáng)補(bǔ)投退的電壓閾值。當(dāng)Us跌落且Uerr>δU或Us升高且Uerr<-δU時(shí)，強(qiáng)補(bǔ)功能投入，Bc直接置為Bmax或Bmin，實(shí)現(xiàn)最大的容性補(bǔ)償或感性補(bǔ)償，從而快速抑制電壓跌落或升高。當(dāng)|Uerr|<δU時(shí)，強(qiáng)補(bǔ)功能未投入，Bc對(duì)應(yīng)為調(diào)節(jié)器輸出值Bt；當(dāng)采用高增益系數(shù)Ks時(shí)，小幅值的電壓偏差Uerr即可使Bt?Bmax。

圖4 SVC控制框圖Fig.4 Control block diagram of VSC

通過(guò)分析SVC電氣量暫態(tài)響應(yīng)的軌跡發(fā)現(xiàn)，SVC存在無(wú)功電壓“錯(cuò)位補(bǔ)償”效應(yīng)，即電壓跌落時(shí)無(wú)有效無(wú)功輸出，以及電壓恢復(fù)時(shí)大量盈余無(wú)功輸出，其程度與SVC參數(shù)關(guān)聯(lián)密切，需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 算例分析

青海電網(wǎng)是一個(gè)高比例新能源送端電網(wǎng)，本節(jié)以2025年青海電網(wǎng)規(guī)劃為例，驗(yàn)證本文理論分析的正確性和有效性。

圖5為2025年青海省750 kV電網(wǎng)在省內(nèi)東部形成“日”字形環(huán)網(wǎng)、西部形成兩個(gè)“口”字形環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。青海省內(nèi)東西部電網(wǎng)通過(guò)4回750 kV線路聯(lián)絡(luò)；與甘肅電網(wǎng)之間形成7回750 kV聯(lián)絡(luò)線；通過(guò)雙極±400 kV直流與西藏電網(wǎng)相連；通過(guò)雙極±800 kV直流與河南電網(wǎng)相連；擬通過(guò)雙極±800 kV直流與福建電網(wǎng)相連。

圖5 2025年青海電網(wǎng)高壓直流送端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.5 Grid structure of HVDC sending-end of Qinghai power grid in 2025

選取青海電網(wǎng)2025年冬季，方式為基礎(chǔ)研究方式，在該方式下青海電網(wǎng)計(jì)算負(fù)荷為12 137 MW，火電機(jī)組出力為1 378 MW，水電機(jī)組出力為3 495 MW，風(fēng)電出力為3 307 MW（同時(shí)率20%），光伏出力為30 559 MW（同時(shí)率72%），青豫直流外送功率為8 000 MW，海西直流外送功率為8 000 MW，青藏直流外送功率為600 MW，甘青斷面交流外送8 439 MW。

3.1 安全穩(wěn)定分析

在青海2025年冬季13：00新能源大發(fā)基礎(chǔ)方式上，假設(shè)安裝15臺(tái)分布式調(diào)相機(jī)（單臺(tái)容量50 Mvar），不考慮SVC/SVG控制下，青海青豫直流或海西直流換相失敗后，直流近區(qū)新能源機(jī)端電壓超過(guò)1.3 p.u，出現(xiàn)新能源機(jī)組過(guò)電壓脫網(wǎng)現(xiàn)象，其故障后系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)如圖6和圖7所示。

圖6 青豫高壓直流換相失敗新能源機(jī)端電壓變化曲線Fig.6 Curve of new energy voltage on machine side under Qingyu HVDC commutation failure

圖7 海西高壓直流換相失敗新能源機(jī)端電壓變化曲線Fig.7 Curve of new energy voltage on machine side under Haixi HVDC commutation failure

針對(duì)這種情況，需要從新能源一次調(diào)頻能力、分布式調(diào)相機(jī)配置及SVC/SVG控制角度，提高新能源的消納水平。

3.2 分布式調(diào)相機(jī)效果

青豫直流換相失敗故障后，在網(wǎng)內(nèi)配置15臺(tái)分布式調(diào)相機(jī)方案下，近區(qū)光伏機(jī)組機(jī)端電壓暫態(tài)最高值1.32 p.u.；海西直流換相失敗故障后，近區(qū)光伏機(jī)組機(jī)端電壓暫態(tài)最高值1.35 p.u.，故障后將引發(fā)近區(qū)新能源機(jī)組脫網(wǎng)現(xiàn)象。在網(wǎng)內(nèi)配置43臺(tái)分布式調(diào)相機(jī)方案下，青豫直流換相失敗故障后近區(qū)光伏機(jī)組機(jī)端電壓暫態(tài)最高值1.22 p.u.；海西直流換相失敗故障后，近區(qū)光伏機(jī)組機(jī)端電壓暫態(tài)最高值1.27 p.u.，過(guò)電壓控制效果明顯，故障后近區(qū)新能源機(jī)組未出現(xiàn)脫網(wǎng)現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在配置15臺(tái)分布調(diào)相機(jī)方案下，青海電網(wǎng)新能源消納規(guī)模為25 802 MW，相對(duì)于青海全網(wǎng)電源出力規(guī)模，新能源出力占比約為84.1%；而在配置43臺(tái)調(diào)相機(jī)的方案下，青海電網(wǎng)新能源消納規(guī)模由25 802 MW增加至29 622 MW，增加了約3 800 MW。

3.3 SVC/SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置效果

在網(wǎng)內(nèi)配置43臺(tái)分布式調(diào)相機(jī)方案下，SVC/SVG緊急閉鎖控制策略對(duì)新能源機(jī)端母線電壓特性的影響如圖8所示。經(jīng)仿真計(jì)算表明，考慮SVC/SVG緊急控制策略時(shí)，受青豫直流換相失敗故障后新能源機(jī)組機(jī)端過(guò)電壓脫網(wǎng)問(wèn)題制約，青海電網(wǎng)新能源最大出力約為30 895 MW，而不考慮SVC/SVG緊急控制策略時(shí)，新能源最大出力約為29 622 MW，增加了1 270 MW，新能源出力在全網(wǎng)各類電源中的占比由82.1%增加至82.7%，增加了0.6%。

圖8 海西高壓直流換相失敗新能源機(jī)端電壓（SVG緊急控制效果對(duì)比）Fig.8 New energy voltage on machine side under Haixi HVDC commutation failure(comparison of SVG emergency control effect)

3.4 新能源參與一次調(diào)頻效果

青豫直流發(fā)生雙極閉鎖故障后，功率盈余將達(dá)到8 000 MW，在新能源是否參與一次調(diào)頻條件下，青豫直流雙極閉鎖故障后系統(tǒng)頻率變化如圖9所示。當(dāng)新能源不參與一次調(diào)頻時(shí)，系統(tǒng)暫態(tài)頻率最高上升至50.462 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)至50.13 Hz；當(dāng)新能源參與一次調(diào)頻后，青豫直流近區(qū)光伏機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組有功功率略有下降，系統(tǒng)暫態(tài)頻率最高上升至50.413 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)至50.13 Hz。與未參與一次調(diào)頻時(shí)相比，新能源參與一次調(diào)頻后，青豫直流雙極閉鎖故障后系統(tǒng)暫態(tài)頻率最高升幅降低0.049 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率變化不大。

圖9 新能源參與調(diào)頻對(duì)系統(tǒng)頻率的影響Fig.9 Effect of new energy participating in frequency regulation on system frequency

青豫直流發(fā)生雙極閉鎖，海西直流發(fā)生雙極閉鎖故障后，功率盈余將達(dá)到16 000 MW，在新能源是否參與一次調(diào)頻條件下，青豫直流雙極閉鎖，海西直流雙極閉鎖故障后系統(tǒng)頻率變化如圖10所示。在青豫直流雙極閉鎖，海西直流雙極閉鎖故障情況下，當(dāng)新能源不參與一次調(diào)頻時(shí)，系統(tǒng)暫態(tài)頻率動(dòng)態(tài)失穩(wěn)；當(dāng)新能源參與一次調(diào)頻后，青豫直流近區(qū)光伏機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組有功功率略有下降，系統(tǒng)暫態(tài)頻率最高上升至50.607 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)至50.20 Hz。與未參與一次調(diào)頻時(shí)相比，新能源參與一次調(diào)頻后，青豫直流、海西直流雙極閉鎖故障后系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定。

圖10 新能源參與調(diào)頻對(duì)系統(tǒng)頻率的影響Fig.10 Effect of new energy participating in frequency regulation on system frequency

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)提高特高壓直流外送電網(wǎng)新能源消納水平的問(wèn)題，本文首先分析了制約直流外送電網(wǎng)新能源消納水平的因素；然后，提出通過(guò)合理配置同步調(diào)相機(jī)、緊急控制SVC/SVG等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以及新能源機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻等各種措施提高特高壓直流外送電網(wǎng)新能源消納水平；最后，基于2025年青海電源規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃，仿真模擬了新能源場(chǎng)站大規(guī)模接入系統(tǒng)后青海電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性，詳細(xì)評(píng)估了分布式調(diào)相機(jī)、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、新能源一次調(diào)頻能力等多重因素對(duì)青海電網(wǎng)新能源消納水平的影響，驗(yàn)證了本文理論分析的正確性和有效性。

在未來(lái)工作中，應(yīng)該對(duì)特高壓直流外送電網(wǎng)新能源消納水平的研究進(jìn)行細(xì)化，并把該方法擴(kuò)展到其他應(yīng)用場(chǎng)景中。