耿 山,樊艷芳,林雪峰

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆烏魯木齊830047；2.新疆電力設(shè)計(jì)院,新疆烏魯木齊830001)

特高壓直流故障對(duì)弱送端近區(qū)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性的分析研究

耿 山1,樊艷芳1,林雪峰2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆烏魯木齊830047；2.新疆電力設(shè)計(jì)院,新疆烏魯木齊830001)

為保證特高壓直流故障后不引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng),采取在直流與風(fēng)電雙重影響因素的防范措施下進(jìn)行分析研究,聯(lián)合二者關(guān)系對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓進(jìn)行比較；同時(shí)考慮直流、風(fēng)電單一因素的提升或協(xié)調(diào)不當(dāng),導(dǎo)致電壓再次升高引發(fā)風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng),再以風(fēng)機(jī)角度出發(fā)討論動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響。研究表明,風(fēng)電出力大小與直流配套電源開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù),兩者之間存在相互制約關(guān)系且直接影響風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓；投入SVG可降低大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)的發(fā)生。

特高壓直流；直流故障；直流與風(fēng)電；風(fēng)機(jī)；防范措施；風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)

在我國(guó)西北地區(qū)尤其是新疆哈密,由于風(fēng)電大量富余,本地消納能力不足,一般均采用大規(guī)模風(fēng)電匯集并經(jīng)直流跨區(qū)外送的方式,進(jìn)而衍生出新疆境內(nèi)第一座特高壓直流輸電工程哈鄭(天中)特高壓直流輸電工程。當(dāng)在直流輸電工程的弱送端系統(tǒng)近區(qū)接入大量風(fēng)電場(chǎng),需考慮直流故障過(guò)電壓對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可能帶來(lái)的影響。因此,為保證直流故障后不引起風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng),有必要分析研究直流配套電源和風(fēng)電上網(wǎng)功率雙重因素給風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性帶來(lái)的影響。

目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)直流故障引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的相關(guān)問(wèn)題,已有不少學(xué)者從不同角度進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[1-2]發(fā)展演化華中電網(wǎng)張家口壩上地區(qū)和西北電網(wǎng)甘肅酒泉地區(qū)均因電壓?jiǎn)栴}導(dǎo)致連鎖跳閘脫網(wǎng),損失大量出力；文獻(xiàn)[3-5]由于交流系統(tǒng)故障引發(fā)暫態(tài)過(guò)電壓致使風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的事故過(guò)程進(jìn)行分析研究；文獻(xiàn)[6- 8]以換流站的角度出發(fā)從距離的遠(yuǎn)近著手探究特高壓直流過(guò)電壓對(duì)近區(qū)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)；文獻(xiàn)[9]在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生N-1脫網(wǎng),建立風(fēng)電場(chǎng)安全約束條件的無(wú)功優(yōu)化模型,其是抑制風(fēng)電場(chǎng)連鎖脫網(wǎng)的一種有效預(yù)防控制措施?？傮w而言,在風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的防范措施方面,已采取提高短路容量、加強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等應(yīng)對(duì)策略,而在實(shí)際運(yùn)行中依靠單一的直接投入直流配套火電機(jī)組提高短路容量而不考慮風(fēng)電上網(wǎng)功率,不但不會(huì)降低直流擾動(dòng)后的電壓,反而會(huì)因更多的無(wú)功盈余進(jìn)一步提升風(fēng)機(jī)機(jī)端的電壓,引發(fā)更大規(guī)模的連鎖風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。因此亟需進(jìn)一步對(duì)直流配套電源和風(fēng)電上網(wǎng)功率雙重因素給風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性帶來(lái)的影響進(jìn)行深入的研究。

本文將采用PSASP仿真平臺(tái),以±800 kV天中特高壓直流為例,仿真分析在特高壓直流發(fā)生直流故障后采取合理管理直流傳輸功率和有效控制新能源出力的防范措施,對(duì)于兩者協(xié)調(diào)不均衡會(huì)再次引發(fā)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓升高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng),可在風(fēng)機(jī)自身安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置抑制風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓波動(dòng),對(duì)±1 100 KV特高壓準(zhǔn)重直流初階段配套電源投運(yùn)對(duì)弱送端近區(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性提供一定借鑒。

1 電網(wǎng)規(guī)模

1.1 新疆電網(wǎng)特高壓直流外送規(guī)模

目前,新疆電網(wǎng)形成了以±800 kV直流、750 kV與220 kV交流為骨干的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在“十三五”期間,新建以準(zhǔn)東、哈密煤電基地為外送點(diǎn),至負(fù)荷中心的2回±1 100 kV特高壓直流輸電工程1回±800 kV特高壓直流輸電工程,如圖1所示,形成三回特高壓直流跨區(qū)外送格局,輸電容量5 600萬(wàn)kW。形成大規(guī)?！拔麟姈|送”“北電南送”輸電格局,滿(mǎn)足大型能源基地開(kāi)發(fā)外送需要和中東部用電需求。

圖1 新疆地區(qū)特高壓直流外送規(guī)模

1.2 哈密地區(qū)風(fēng)電及直流配套電源分布

哈密是我國(guó)西北地區(qū)重點(diǎn)建設(shè)的千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地,根據(jù)新疆調(diào)研情況,截止2016年3月底,哈密地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到924萬(wàn)kW,主要分布在三塘湖片區(qū)395萬(wàn)kW、哈密片區(qū)119萬(wàn) kW、煙墩片區(qū)410萬(wàn)kW。

2 風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)條件

哈密地區(qū)屬于較薄弱的電網(wǎng),選用變速風(fēng)電機(jī)組即異步電機(jī)不僅有利于維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定而且并網(wǎng)方法簡(jiǎn)單[10]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委發(fā)布GB/T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》與國(guó)家電網(wǎng)公司制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 392—2009《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求：風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí),風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms；風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí),風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。風(fēng)電場(chǎng)高電壓穿越要求目前還沒(méi)確定,當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的90%～110%之間時(shí),風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能正常運(yùn)行;當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過(guò)額定電壓的110%時(shí),風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)由風(fēng)電機(jī)組的性能確定[11],風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓估算如下。

風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)等效如圖2所示,設(shè)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓為U0,風(fēng)電出口電壓為UG,升壓變低壓側(cè)電壓為UL,風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓為UH,箱變高壓側(cè)電壓為UK,箱變出口電流為IK,集電線(xiàn)電流為IG。假設(shè)風(fēng)電機(jī)組之間的距離相同,都為L(zhǎng),每臺(tái)機(jī)組箱變出口電流亦相同且IK=IG。則

(1)

UG=UK+IG·ZT

(2)

UG=UL

(3)

圖2 風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)

(4)

式中,n為風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)；k為升壓變壓器變比,ZL=RL+jXL，為集電線(xiàn)阻抗；ZT=RT+jXT，為簡(jiǎn)化箱變阻抗。

3 弱送端系統(tǒng)近區(qū)風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定性分析

3.1 直流故障中弱送端系統(tǒng)近區(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性分析

3.1.1 雙極閉鎖故障對(duì)弱送端系統(tǒng)近區(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性分析

根據(jù)2016年冬季網(wǎng)架結(jié)構(gòu),當(dāng)發(fā)生直流閉鎖故障時(shí),由于其是不可恢復(fù)性的直流故障,全部有功、無(wú)功瞬間直接反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移至交流系統(tǒng),可采取文獻(xiàn)[12]中穩(wěn)控方案二的保留2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行。風(fēng)電場(chǎng)匯集站的容性無(wú)功容量富余較多抬升系統(tǒng)電壓,聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率減少充電功率抬升電壓的助增作用,故造成交流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)壓升較大。并且風(fēng)電場(chǎng)末端廠站短路水平較低,對(duì)系統(tǒng)無(wú)功波動(dòng)的敏感度較高,造成風(fēng)機(jī)末端電壓攀升情況更加惡劣。針對(duì)于風(fēng)機(jī)機(jī)端穩(wěn)態(tài)壓升過(guò)高,可能造成風(fēng)機(jī)高電壓脫網(wǎng)的問(wèn)題,結(jié)合直流與風(fēng)電的雙重因素去考慮應(yīng)對(duì)策略。分析在哈密地區(qū)發(fā)生雙極閉鎖后根據(jù)風(fēng)電上網(wǎng)功率與直流傳輸功率的協(xié)調(diào)配置去研究風(fēng)電出力、直流配套電源和風(fēng)電機(jī)端電壓最大穩(wěn)態(tài)電壓的關(guān)系,其中,天中直流配套火電機(jī)組4座、10臺(tái)機(jī)組、660萬(wàn)kW。預(yù)計(jì)2018年天中直流配套火電10臺(tái)機(jī)組全部投運(yùn)直流外送功率達(dá)到800萬(wàn)kW。

圖3 投運(yùn)不同臺(tái)數(shù)的配套電源對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)端最大穩(wěn)態(tài)電壓的變化

由圖3可知,當(dāng)弱送端系統(tǒng)發(fā)生雙極閉鎖故障時(shí)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓均超過(guò)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)電壓的標(biāo)準(zhǔn),并且隨著風(fēng)電上網(wǎng)功率的不斷升高而升高。由于新能源出力的隨機(jī)性,當(dāng)采取投運(yùn)直流配套電源的解決策略時(shí),投運(yùn)1臺(tái)機(jī)組,可有效抑制穩(wěn)態(tài)壓升。投運(yùn)直流配套2～6臺(tái)機(jī),不但沒(méi)有降低風(fēng)機(jī)極端電壓反而升高,有可能引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)進(jìn)而造成大規(guī)模連鎖風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)事故。

3.1.2 換相失敗故障對(duì)弱送端系統(tǒng)近區(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行分析

當(dāng)發(fā)生換相失敗故障時(shí),由于其是可恢復(fù)性的瞬時(shí)直流故障,當(dāng)交流系統(tǒng)短路故障切除后,隨著交流系統(tǒng)電壓的恢復(fù),直流功率逐漸恢復(fù),不需考慮穩(wěn)控措施。風(fēng)機(jī)因低電壓進(jìn)入低穿有功出力大幅度降低,而風(fēng)電場(chǎng)匯集站的容性無(wú)功容量富余較多抬升系統(tǒng)電壓,濾波器對(duì)電壓抬升的助增作用,造成直流送端交流系統(tǒng)的暫態(tài)壓升較大,使其弱送端近區(qū)風(fēng)機(jī)的暫態(tài)電壓呈現(xiàn)“先降低后升高”現(xiàn)象。針對(duì)于風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)電壓過(guò)低,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)低壓脫網(wǎng)問(wèn)題文獻(xiàn)[13～15]中撬棒控制、風(fēng)電機(jī)組去磁控制等技術(shù)有效提升風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力,以確保風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)仍可不脫網(wǎng)運(yùn)行,而對(duì)于風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)壓升過(guò)高,可能造成風(fēng)機(jī)高電壓脫網(wǎng)的問(wèn)題,結(jié)合直流與風(fēng)電的雙重因素去考慮應(yīng)對(duì)策略。分析在哈密地區(qū)發(fā)生換相失敗后風(fēng)電上網(wǎng)功率與直流傳輸功率的協(xié)調(diào)配置去研究風(fēng)電出力、直流配套電源和風(fēng)電機(jī)端電壓最大暫態(tài)電壓的關(guān)系如圖4所示。

圖4 投運(yùn)不同臺(tái)數(shù)的配套機(jī)組對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)端最大暫態(tài)電壓的變化

由圖4可知,當(dāng)弱送端系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障時(shí)由于存在風(fēng)機(jī)低壓脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),與直流雙極閉鎖故障相比,直流換相失敗引發(fā)的風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓更高,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)更大。采取投運(yùn)直流配套電源的應(yīng)對(duì)措施,投運(yùn)1臺(tái)機(jī)組時(shí),可有效抑制暫態(tài)壓升,規(guī)避脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。投運(yùn)直流配套2～6臺(tái)機(jī)時(shí),不但也沒(méi)有降低風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓反而升高更多,增大風(fēng)機(jī)二次高壓脫網(wǎng)的概率,進(jìn)而造成更大規(guī)模連鎖風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)事故。

綜上可見(jiàn),在采用投運(yùn)直流配套電源以提高短路容量的應(yīng)對(duì)措施中直流傳輸功率和風(fēng)電上網(wǎng)功率存在相互制約關(guān)系,為保證直流雙極閉鎖故障或換相失敗后不引發(fā)風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng),在直流大功率外送情況下需要限制風(fēng)電上網(wǎng)功率,而在逐漸遞增風(fēng)電上網(wǎng)功率情況下需要限制直流傳輸功率,即風(fēng)電上網(wǎng)功率較小時(shí)合理控制直流配套電源的開(kāi)臺(tái)機(jī)數(shù),可有效預(yù)防直流故障引發(fā)風(fēng)電大規(guī)模連鎖高壓脫網(wǎng)事故。

3.2 近區(qū)風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行特性分析

針對(duì)于上述直流故障中在直流傳輸功率或風(fēng)機(jī)上網(wǎng)功率較大的情況下,采取在近區(qū)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)加裝或投運(yùn)SVG等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,其可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓,有效平滑電壓波動(dòng),提升直流弱送端地區(qū)風(fēng)機(jī)送出的可靠性。以采取風(fēng)電上網(wǎng)功率最大直流配套電源開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)最多的應(yīng)對(duì)措施為例,仿真分析在風(fēng)電場(chǎng)加裝固定電容器(工況一)和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(工況二)兩種不同的運(yùn)行工況,風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓變化曲線(xiàn)如圖5、6所示。

圖5 雙極閉鎖故障后風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓

圖6 換相失敗故障后機(jī)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓

由圖5可知,直流雙極閉鎖故障后工況一中風(fēng)機(jī)機(jī)端穩(wěn)態(tài)電壓長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)在1.1 p.u.存在風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),與之相比工況二有效抑制風(fēng)機(jī)機(jī)端穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng),使其降低至1.02 p.u.～1.05 p.u.之間有效保障風(fēng)電送出的可靠性。由圖6可知,換相失敗故障后工況一中風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)電壓短時(shí)間內(nèi)均超過(guò)1.2 p.u.；工況二的風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端暫態(tài)電壓短時(shí)間內(nèi)均可在1.15 p.u.之內(nèi)可使風(fēng)電機(jī)組維持在并網(wǎng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)。綜上可見(jiàn),加裝SVG等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以有效改善在直流故障后直流傳輸功率較大時(shí)暫、穩(wěn)態(tài)電壓的升高,避免哈密地區(qū)風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)事故發(fā)生的幾率。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)特高壓直流弱送端系統(tǒng)近區(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的分析研究,在直流弱送端系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖、換相失敗故障期間,采用常規(guī)單一抑制暫、穩(wěn)態(tài)電壓方法具有一定的局限性,以直流、風(fēng)電與風(fēng)機(jī)的角度分析過(guò)電壓導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。得出在直流、風(fēng)電方面,二者之間存在著相互制約關(guān)系,風(fēng)電上網(wǎng)功率較小時(shí)合理控制直流輸送功率水平可有效預(yù)防直流故障引發(fā)風(fēng)電大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)事故；在風(fēng)機(jī)方面,隨著新能源并網(wǎng)容量的不斷加大,在直流故障中加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)抑制長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)電壓與短時(shí)間暫態(tài)電壓升高而引起風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)顯得尤為的重要。通過(guò)上述應(yīng)對(duì)策略,使風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端暫、穩(wěn)態(tài)電壓在耐壓能力范圍內(nèi),符合風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的要求。同時(shí)又對(duì)新疆第二條±1 100 kV特高壓準(zhǔn)重直流對(duì)弱送端近區(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性提供應(yīng)用參考。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Analysis and Research on the Operation Characteristics of Wind Farm in Near Zone of Weak Sending End with UHVDC Fault

GENG Shan1, FAN Yanfang1, LIN Xuefeng2
(1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, China;2. Xinjiang Electric Power Design Institute, Urumqi 830001, Xinjiang, China)

In order to ensure the wind turbine-generators (WTGs) not separated from power grid caused by UHVDC fault, the preventive measures which considered the double effects of DC and wind power are analyzed and the WTG voltages are compared under the action of these preventive measures. The separate improvement of DC or wind power or the improper coordination between DC and wind power are also considered, which can lead to voltage rise again and trigger WTG overvoltage tripping. The effects of dynamic reactive power compensation device on wind farm operation are also discussed. The research shows that: (a) there is a mutual restraint between the size of wind power output and the number of operating units of DC auxiliary power supply, and the relationship will directly affect the terminal voltage of WTG; and (b) the fixing of SVG can greatly reduce large-scale dropout accidents caused by WTG tripping．

UHVDC; DC fault; DC and wind power; WTG; preventive measure; WTG tripping

2016- 10- 19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51467019)

耿山(1993—),男,河北邯鄲人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊?、新能源并網(wǎng)技術(shù)．

TM712

A

0559- 9342(2017)05- 0095- 04