湖北省電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 倪文斌 葉子瑩 肖廈穎
隨著國家低碳能源戰(zhàn)略的提出,針對“三北”地區(qū)蘊(yùn)藏的新能源先天發(fā)展優(yōu)勢,通過特高壓直流長距離、大功率傳送到負(fù)荷供電中心是必然之路,既可解決三北地區(qū)新能源消納問題,又能解決華東、華中、華北地區(qū)的用電問題,大容量直流和新能源高占比集中接入成為趨勢[1]。
隨著國家能源戰(zhàn)略的改變,特高壓直流送端配套火電機(jī)組的場景越來越少,同時(shí),大規(guī)模新能源的機(jī)組的并網(wǎng)不斷替代常規(guī)的水火機(jī)組,送端換流站短路容量均嚴(yán)重不足。一方面現(xiàn)有風(fēng)電場站都配套加裝SVG/SVC 等動態(tài)無功補(bǔ)償裝置,在特高壓直流換向失敗、閉鎖、重啟動等快速毫秒有功無功變化下,無功補(bǔ)償裝置往往控制滯后,加劇系統(tǒng)特性惡化。另一方面,針對現(xiàn)有風(fēng)電場站接入電壓等級低、容量低、接入分散,電網(wǎng)調(diào)度缺乏有效的協(xié)調(diào)控制方法。仿真分析與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,在特高壓直流新能源外送系統(tǒng)下,直流換相失敗后容易造成近區(qū)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓暫態(tài)壓升過大,導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng),可能存在電網(wǎng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。
近年來,在國網(wǎng)“三北”新能源集中并網(wǎng)地區(qū)發(fā)生多起大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事件,造成上述風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)主要受聚焦在風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力、高電壓穿越能力,以及無功補(bǔ)償裝置的動作等因素的影響[2]。針對此類脫網(wǎng)事故,已有相關(guān)研究人員進(jìn)行了大量研究。有學(xué)者從機(jī)理層面分析了直流閉鎖引發(fā)風(fēng)機(jī)拖網(wǎng)的原因,并從實(shí)際可操作入手給出了合理的應(yīng)對措施[3]。也有一些學(xué)者分析了交流故障暫態(tài)過程中風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)無功響應(yīng)能力對風(fēng)電場暫態(tài)過電壓的影響[4]。還有學(xué)者研究了特高壓交直流故障引發(fā)暫態(tài)過電壓從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)分析及對策[5]。
基于上述分析,本文著重從風(fēng)機(jī)動態(tài)特性尤其是風(fēng)電低穿期間有功/無功響應(yīng)特性對暫態(tài)過電壓的影響,給出對應(yīng)的風(fēng)機(jī)低穿期間有功/無功控制策略優(yōu)化意見,為實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行提供參考。
國網(wǎng)某直流送端系統(tǒng)是典型的大規(guī)模風(fēng)電基地集中特高壓直流外送系統(tǒng),直流送端通3回750kV 線路接入西北主網(wǎng),直流網(wǎng)架近區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量約700萬kW。
考慮直流功率500萬kW、近區(qū)風(fēng)電500萬kW 方式下,國網(wǎng)某直流發(fā)生換相失敗,風(fēng)機(jī)側(cè)機(jī)端暫態(tài)電壓1.23p.u(風(fēng)機(jī)耐壓能力1.2p.u.),如圖1所示,存在暫態(tài)過電壓導(dǎo)致的大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)。
圖1 直流換向失敗后,某風(fēng)電機(jī)組機(jī)端暫態(tài)電壓
圖2 風(fēng)機(jī)典型模型低穿期間有功/無功恢復(fù)特性
本文采用PSASP 中風(fēng)機(jī)模型,該模型可模擬風(fēng)機(jī)正常狀態(tài)、高電壓穿越、低電壓穿越、高穿恢復(fù)、低穿恢復(fù)動態(tài)響應(yīng)特性。
不同廠家的風(fēng)機(jī)逆變器低穿特性不盡相同,甚至部分廠家之間的技術(shù)路線差別較大,本軟件開發(fā)的風(fēng)機(jī)模型具備可以靈活模擬不同低穿有功/無功特性的能力。
往往因特高壓直流受端交流故障,引發(fā)直流發(fā)生換相失敗,首先會造成直流功率突降,進(jìn)一步造成送端交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)先低壓后高壓的過程,本節(jié)結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)某直流換相失敗期間故障錄波曲線分析換相失敗造成系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的原因。
圖3為直流換相失敗期間,直流各電氣量實(shí)際錄波曲線,其中,t1為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間,t2為直流換相失敗送端電壓跌落期間,t3為直流換相失敗送端電壓恢復(fù)期間,t4為位直流功率恢復(fù)期間。分析圖3可以看出,t2直流換相失敗后直流線路電流迅速增加,直流線路消耗無功同時(shí)迅速增加,這時(shí)直流系統(tǒng)從交流系統(tǒng)吸收大量無功功率導(dǎo)致送端交流系統(tǒng)電壓降低,同時(shí)直流線路有功功率迅速降低。t3直流換相失敗送端電壓恢復(fù)后,送端交流系統(tǒng)電壓已經(jīng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值,而直流線路功率為0,直流線路消耗無功功率為0,此時(shí)換流站濾波器的大量無功功率盈余回退到交流系統(tǒng)中,引起送端系統(tǒng)近區(qū)暫態(tài)電壓升高并傳遞至近區(qū)風(fēng)電場。
圖3 直流換相失敗期間,直流各電氣量錄波曲線
圖4為直流換相失敗期間,某一風(fēng)電站電氣量實(shí)際錄波曲線。分析可以看出,直流換相失敗開始后直流系統(tǒng)從交流系統(tǒng)吸收大量的無功功率導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓降低,暫態(tài)電壓壓降傳遞至近區(qū)風(fēng)電場,引起大量風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越,風(fēng)電機(jī)組有功出力瞬時(shí)下降,同時(shí)發(fā)出大量的無功支撐系統(tǒng)電壓恢復(fù)。系統(tǒng)電壓恢復(fù)后,風(fēng)電機(jī)組有功功率才開始恢復(fù),減少了無功功率損耗,又因?yàn)橹绷鲹Q相失敗期間電壓由低到高的過程非常迅速,風(fēng)電機(jī)組低穿期間發(fā)的無功功率來不及回退,導(dǎo)致風(fēng)電場匯集站無功功率盈余,引起風(fēng)電場暫態(tài)電壓升高。
圖4 直流換相失敗期間,某一風(fēng)電匯集站電氣量錄波曲線
綜上所述,直流換相失敗引起風(fēng)電場暫態(tài)過電壓的主要原因有以下兩點(diǎn):第一,直流換流站濾波器無功功率盈余;第二,風(fēng)電機(jī)組低穿期間有功功率降低,出低穿后無功功率來不及回退。
本文基于國網(wǎng)某新能源送出實(shí)際直流為例,直流近區(qū)風(fēng)電場采用單機(jī)等值建模,風(fēng)電機(jī)組采用一套控制參數(shù),利用PSASP 軟件開發(fā)的風(fēng)電機(jī)組模型,重點(diǎn)分析低穿期間有功/無功控制策略、低穿恢復(fù)期間有功/無功控制策略對系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的影響。
本節(jié)對風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越期間采用定有功電流控制策略,分析風(fēng)機(jī)低穿期間不同有功控制目標(biāo)值下Ip=0.4Ip0、0.6Ip0、0.8Ip0,對直流換相失敗過電壓的影響進(jìn)行了靈敏度分析,其中,Ip0為穩(wěn)態(tài)風(fēng)機(jī)有功電流值,如圖5所示。
圖5 風(fēng)機(jī)低穿期間不同有功控制目標(biāo)下,直流換相失敗后系統(tǒng)暫態(tài)過電壓
圖6 風(fēng)機(jī)低穿恢復(fù)期間不同有功恢復(fù)速率下,直流換相失敗后系統(tǒng)暫態(tài)過電壓
圖7 風(fēng)機(jī)低穿期間不同無功控制目標(biāo)下,直流換相失敗后系統(tǒng)暫態(tài)過電壓
圖8 風(fēng)機(jī)低穿恢復(fù)期間不同無功恢復(fù)速率下,直流換相失敗后系統(tǒng)暫態(tài)過電壓
本節(jié)分析低穿結(jié)束后,不同有功恢復(fù)速率下,對系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的影響,比對了有功直接恢復(fù)、按一定斜率恢復(fù)(Ks=1pu/s、0.5pu/s)下,直流換相失敗后對系統(tǒng)暫態(tài)電壓的影響。
本節(jié)對風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越期間采用定無功電流控制策略,分析風(fēng)機(jī)低穿期間不同無功控制目標(biāo)值下Iq=0、0.25Iq0、0.5Iq0,對直流換相失敗過電壓的影響進(jìn)行了靈敏度分析,其中,Iq0為穩(wěn)態(tài)風(fēng)機(jī)無功電流值。
本節(jié)分析低穿結(jié)束后,不同無功恢復(fù)速率下,對系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的影響,對比了無功直接恢復(fù)、按一定斜率恢復(fù)(Kq=1 pu/s、0.5 pu/s)下,直流換相失敗后對系統(tǒng)暫態(tài)電壓的影響。
本文結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)故障錄波曲線,研究表明直流換相失敗引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的原因主要兩方面:一方面是直流換流站濾波器無功功率盈余,另一方面,風(fēng)電機(jī)組出低穿期后無功功率回退不及時(shí)。在此基礎(chǔ)上,通過仿真分析了低穿期間/恢復(fù)期間的有功/無功控制策略對直流換相失敗后系統(tǒng)暫態(tài)電壓的影響,結(jié)果表明低穿期間有功功率越大,低穿恢復(fù)期間有功恢復(fù)速率越快,無功功率回退速率越快,可有效降低系統(tǒng)直流換相失敗后的暫態(tài)過電壓水平。