曹偉杰, 萬達, 魏武, 季振亞, 王維

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電公司,江蘇 無錫 214000;2. 南京師范大學 電氣與自動化工程學院,江蘇 南京 210046)

0 引 言

在國家碳達峰、碳中和戰(zhàn)略背景下,大規(guī)模風電等新能源接入電網(wǎng),電網(wǎng)的整體架構也隨著經濟、社會的發(fā)展,逐漸成長為以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1］。當風電等新能源并入受端電網(wǎng)時,由于風電等新能源普遍具有間歇性和波動性,高比例新能源接入會造成交流母線電壓波動,可能導致直流輸電發(fā)生換相失敗,對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)[2］。

雖然換相失敗的預測判據(jù)已有大量的理論研究,但直流輸電系統(tǒng)下不同層面的影響因素眾多復雜。因此為準確掌握換相失敗特性,文獻[3]綜述了直流輸電系統(tǒng)中的換相失敗問題,分析了換相失敗的發(fā)生機理和影響因素。文獻[4]提出了采用臨界換相電壓降來評估交流系統(tǒng)中高壓直流輸電系統(tǒng)的運行特性。

針對新能源接入電網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響,文獻[5]根據(jù)雙饋風電機組的勵磁特性和暫態(tài)響應特性,分析了雙饋風電機組對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性的影響。文獻[6]利用隨機微分理論對系統(tǒng)進行建模分析,探討了風電功率波動對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

本文提供一種基于潮流追蹤與功率變化影響換相失敗的辨識方法,針對不同的接入節(jié)點,功率變化的影響不同,需要對不同的拓撲分別進行計算。本文在提出通用計算方法的基礎上,以某地區(qū)直流輸電電網(wǎng)為例,進行算例驗證。

1 直流輸電臨界換相電壓降

1.1 風電并網(wǎng)下的直流輸電系統(tǒng)

風電并網(wǎng)下的直流輸電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風電并網(wǎng)下的直流輸電系統(tǒng)

系統(tǒng)包含交流電網(wǎng)、整流換流站、逆變換流站和風電場。本文對風電接入受端電網(wǎng)后的影響進行了分析。

1.2 臨界換相電壓降

換相失敗是直流輸電中換流站最為常見的故障。本文主要分析交直流混聯(lián)系統(tǒng)下逆變站換相失敗的機理,可用超前熄弧角?公式說明:

(1)

式中:Um為逆變側交流母線電壓最大值;Id為直流側電流;k為換流變壓器變比;Xc為換相電抗;β為逆變側超前觸發(fā)角。本文認為當γ<7°時換流站發(fā)生換相失敗。

(2)

由式(2)可推出臨界換相電壓降落ΔU1：

(3)

2 分析和討論

2.1 風電并網(wǎng)對換相失敗的影響分析

風電并網(wǎng)的系統(tǒng)簡化圖如圖2所示。

圖2 風電并網(wǎng)系統(tǒng)簡化圖

圖2中:V0為主網(wǎng)系統(tǒng)電源側電壓幅值;Z為等值阻抗;P、Q分別為電網(wǎng)系統(tǒng)電源向負荷方向輸送的有功和無功功率;V為并網(wǎng)點節(jié)點的電壓幅值;Pload、Qload分別為并入點節(jié)點負荷的有功和無功功率;PWT、QWT分別為接入點風電發(fā)出的有功和無功功率。

圖3為風電并入點上的戴維南等效電路圖。

圖3 風電接入點的 戴維南等效電路圖

風電注入功率改變時,會使線路上的電流產生ΔI的變化。由圖3的等效電路計算出風電并入電網(wǎng)或者當發(fā)電量波動時,在并入點上的電壓變化值。

(4)

根據(jù)式(4)可以推出并入點的電壓為:

(5)

式中:φ為風電并入點的電網(wǎng)阻抗角;ZS為電網(wǎng)等效阻抗;ΔSWT為風力發(fā)電注入功率的變化量;V為風電接入點電壓;SK為風電并入點處的短路容量;θ為風力發(fā)電的功率因數(shù)角;V′為風電注入功率改變后并入點的電壓。

2.2 風電并網(wǎng)對逆變側換流母線電壓影響分析

圖4 風電接入交直流混聯(lián)電網(wǎng)結構示意圖

(6)

將式(6)中的實部與虛部分開可求得:

(7)

由式(7)可求得有功功率和無功功率,并將式中的P、Q分別對U1r、U1i、R、X和U2求全微分得到微分方程,將得到的微分方程用差分方程替換,結合式(7)可得到如下方程組。

(8)

式中:t為風電接入功率發(fā)生改變前;t+1為當風電接入功率發(fā)生改變后的時刻。

因此可以推出t+1時刻換流母線電壓的變化值為:

(9)

(10)

2.3 風電接入功率最大變化量修正值

根據(jù)文獻[8]提出的潮流追蹤方法,基于順流功率追蹤和逆流功率追蹤得到相對應的支路潮流計算。

2.3.1 順流功率追蹤

定義順流功率矩陣SA為:

(11)

式中:Sij為節(jié)點i向節(jié)點j流入的功率;Si為節(jié)點i的功率。

(12)

根據(jù)上述分析易得分配系數(shù)為:

(13)

2.3.2 逆流功率追蹤

與順流功率追蹤的方式相同。根據(jù)矩陣的定義易得定義逆流功率矩陣SB為:

SA=(SB)T

(14)

因此分配系數(shù)為:

(15)

2.3.3 支路潮流追蹤

根據(jù)上面分析可得:

(16)

圖5 潮流追蹤流程圖

2.3.4 風電接入功率最大變化量修正值

(17)

式中:Bml為風電機注入換流站節(jié)點功率所占風電接入電網(wǎng)總功率比例。

根據(jù)式(10)和式(17)可得修正后風電接入功率最大變化量為:

(18)

3 風電并網(wǎng)引發(fā)換相失敗辨識方法

本文研究了風電接入功率變化量與風電接入功率最大變化量之間的關系,提出風電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗關聯(lián)因子。其表達式如下:

(19)

(20)

綜上所述,風電引發(fā)直流換相失敗辨識方法流程如圖6所示。

圖6 風電引發(fā)直流換相失敗辨識方法流程圖

以修正前風電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗關聯(lián)因子為例,提出風電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗的辨識方法:當Kw>1時,逆變站發(fā)生直流換相失敗;當Kw<1時,系統(tǒng)各節(jié)點發(fā)生電壓波動但保持運行;當Kw=1時,處于臨界換相失敗。

4 算例分析

4.1 電網(wǎng)網(wǎng)架及參數(shù)

本文以某一地區(qū)直流輸電電網(wǎng)為基礎的算例進行說明。直流輸電網(wǎng)架結構如圖7所示。

圖7 直流輸電網(wǎng)架結構

圖7為±800 kV特高壓直流工程。A地區(qū)為送端交流電網(wǎng),整流側AH為換流站經兩臺750/500 kV聯(lián)絡變接入A地區(qū)750 kV主網(wǎng)相聯(lián)。AH換流站750 kV母線出線4回,分別至A1兩回和A2兩回。在受端B地區(qū)電網(wǎng),逆變側BH換流站通過4回500 kV接入B地區(qū)主網(wǎng),BH分別至B1兩回和B2兩回,其中換流母線額定運行電壓為525 kV。風電場經升壓變壓器接入B地區(qū)主網(wǎng)。

通過潮流計算可得,A1與A2向AH提供有功功率6 500 MW和無功功率1 544.8 Mvar,BH向B1輸送有功功率1 440.7 MW和無功功率217.3 Mvar,BH向B2輸送有功功率4 706.9 MW和接收無功功率200.2 Mvar。

4.2 仿真分析

風電場經過升壓變壓器接入B3,風電場的接入最大功率為6 000 MVA。根據(jù)潮流追蹤可知,風電場經B3注入B2的功率為3 960 MVA,其占風電接入總功率的比例為0.66。

為驗證本文提出的風電接入功率最大變化量修正值,進行仿真試驗。風電接入功率變化如圖8所示,逆變站關斷角如圖9所示。

圖8 風電接入功率變化圖

圖9 逆變站關斷角變化圖

圖8和圖9中:γ1、Sw1分別為風電接入功率變化量為2 124 MVA時候的關斷角和風電接入功率;γ2、Sw2分別為風電接入功率變化量為3 218 MVA時候的關斷角和風電接入功率。

由圖8和圖9可知,當未修正前,系統(tǒng)在5 s時風電接入功率瞬時減少了2 124 MVA,此時關斷角在5.15 s時從15°跌到8.85°,換流站未發(fā)生直流換相失敗。根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示,此時對于換流站節(jié)點真實風電功率變化量為1 402 MVA,并未達到最大變化量,因此換流站未發(fā)生直流換相失敗。由此可得,當修正前的風電接入功率最大值時,還存在26.4%的誤差,因此需要對風電接入功率最大值進行修正。

當采用風電接入功率修正值時,系統(tǒng)在5 s時風電接入功率瞬時減少了3 218 MVA,此時關斷角在5.13 s時從15°跌到7.12°,此時處于臨界換相失敗。根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示,此時對于換流站節(jié)點真實風電功率變化量為2 124 MVA,達到最大變化量,因此換流站此時發(fā)生臨界換相失敗,驗證了本文提出的修正風電接入功率最大變化量方法的準確性和可行性。

由計算所得風電接入功率最大修正值,與臨界關斷角7°相比,還存在1.7%誤差。這是由于當風電接入功率瞬時改變時,換流母線電壓瞬時下降,但是系統(tǒng)其他發(fā)電機為其支撐,導致電壓向上抬升,造成計算得到的風電接入功率最大變化量修正值有一定誤差。

為驗證本文提出的風電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗的辨識方法,通過某地區(qū)大網(wǎng)進行仿真驗證。風電接入功率變化如圖10所示,逆變站關斷角如圖11所示。

圖10 風電接入功率變化圖

圖11 逆變站關斷角變化圖

通過上述仿真分析,驗證了提出的風電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗的辨識方法的準確性和有效性。

5 結束語

本文提供一種基于潮流追蹤與接入風電功率突變的直流輸電換相失敗的辨識方法。針對不同的接入節(jié)點,功率變化的影響不同,因此需要對不同的拓撲分別進行計算。首先推出風電接入功率最大變化量ΔSwmax表達式,通過分析在不同電網(wǎng)結構中,風電注入換流站的功率并不等同于風電并網(wǎng)的總功率,因此需要對風電接入功率最大變化量進行修正。在此基礎上,定義風電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗關聯(lián)因子。最后根據(jù)關聯(lián)因子提出風電并網(wǎng)引發(fā)直流輸電換相失敗辨識方法,并在提出通用計算方法的基礎上,以某地區(qū)直流輸電電網(wǎng)為例,通過算例驗證了其準確性和有效性。