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。

1 研究條件

1.1 換相失敗引發(fā)暫態(tài)過電壓現(xiàn)象

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

1.2 考慮低穿特性的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)模型

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。

2 直流換相失敗引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)分析

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。

3 風(fēng)機(jī)低穿控制特性對暫態(tài)過電壓的影響

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。

3.1 低穿期間有功控制策略

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

3.2 低穿恢復(fù)期間有功控制策略

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。

3.3 低穿期間無功控制策略

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。

3.4 低穿恢復(fù)期間無功控制策略

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。

4 結(jié)語

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。