交直流混聯電網與風電場適應性穩態分析研究

馮剛，劉明康，王棟

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

交直流混聯電網與風電場適應性穩態分析研究

馮剛，劉明康，王棟

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

選取浙江舟山電網現有并網風電場與舟山五端柔性直流投運后的交直流混聯運行電網穩態特性為研究對象，通過建模，著重對其穩態特性進行校核分析，得出相應的結論來指導電網的實際運行，促進電網和風電等新能源的協調發展。

海島電網；風電場；交直流混聯；適應性穩態分析；VSC-MTDC

0 引言

舟山電網受海島地理條件限制，各島嶼呈鏈式分布，與舟山本島電網聯系較弱且島內無大的電源支持，運行靈活性和供電可靠性較低。海島風資源豐富，目前已有97.8 MW風電裝機容量。為提高舟山群島各島供電能力和供電可靠性，掌握多端柔性直流輸電核心技術，國家電網公司在舟山建設五端柔性直流輸電示范工程，并于2014年6月投入運行。

為分析掌握多端柔性直流接入系統后，舟山交直流混聯電網與并網風電的適應性問題，需對舟山電網的穩態水平進行校核。本文基于PSS/E軟件，搭建五端柔性直流、舟山電網以及風電機組的數字仿真模型，在此基礎上進行潮流計算和分析，給出舟山交直流混聯電網與并網風電的適應性穩態分析結果。

1 舟山電網概況

舟山電網是浙江省11個地市電網中唯一的海島電網，目前，其最高電壓等級為220 kV。舟山主網通過江南—岑港1回、江南—大豐1回、厚墩—雙嶼1回110 kV線路及春曉—昌洲2回220 kV線路與浙江大陸電網相聯；嵊泗電網通過上?！鱼簟?0 kV直流輸電線路與上海電網相聯；舟山主網與嵊泗電網通過1回110 kV線路聯網。目前舟山電網裝機容量較大的電廠有朗熹電廠（650 MW）和舟山電廠（260 MW），分別以220 kV和110 kV電壓等級上網。

舟山電網目前在舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島已建成投運五端柔性直流輸電工程。舟山五端柔性直流工程是基于IGBT（全控型電力電子器件）的新一代直流輸電技術，電壓源換流器采用最新型的MMC（模塊化多電平換流器），工程的直流電壓水平和各換流站容量如表1所示。

舟山電網目前已建成的風電場有3座，分別為長白風電場、衢山風電場和岑港風電場。其中長白風電場共布置8臺HW77/1500的雙饋風機，總裝機規模12 MW，以1回35 kV線路接入220kV云頂供區；岑港風電場共布置30臺HW77/ 1500的雙饋風機，總裝機規模45 MW，以1回110 kV線路接入220 kV云頂供區；衢山風電場共布置48臺V52-850的定速風機，總裝機規模40.8 MW，以2回35 kV線路接入110 kV大衢變電站。衢山風電場裝設2套±4 Mvar的動態無功補償設備。

表1 舟山多端柔性直流輸電工程電壓水平和各站容量

2 風電場建模方法

風電場發電機數量眾多，為減少仿真計算量，可將幾十臺風機等效成1臺或多臺等值機，建立風電場等值模型。風電場內部各風機先通過升壓變壓器升壓，經匯集線接入變電站升壓后送出至外部電力系統。在對風電場進行等值建模時，考慮到風電場內部線路及發電機升壓變的損耗，不能忽略集電系統對潮流計算的影響。潮流計算時應根據風電場中風電機組的排列將風電場內部的集電線路等效成1個等值阻抗。風電場等值模型如圖1所示。

圖1 風電場等值系統

本文采用了一種基于實際系統和等值系統的線路損耗相等來計算等值阻抗的方法：

已知各風力發電機的出口電流，根據基爾霍夫電流定律，可知所有線路上的電流，由此可以計算出所有線路上的損耗，進而可以得到集電系統的等效線路阻抗Zeq：

式中：Ij和Zj分別為流過線路j的電流和線路j的阻抗；L為風電場內部所有線路集合；I為風電場出口處的總電流。

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線路電納產生的功率與電壓的平方成正比，而一般電壓都接近額定值，其標么值基本相同，因此基于功率相等的原則，等值系統的線路等值電納Beq等于風電場內所有電納之和：

式中：Bj為線路j的電納。

每臺風力發電機都通過升壓變壓器接入風電場。同樣，由發電機的出口電流可得到各升壓變壓器的損耗，基于實際系統和等效系統的升壓變壓器損耗相等原則，可以得到等效系統中升壓變壓器的阻抗ZT：

式中：ITj和ZTj分別為流過發電機升壓變壓器j的電流和變壓器j的阻抗；T為風電場內部所有發電機升壓變壓器集合。

3 潮流計算過程中風電機組的處理方法

含風電機組的電力系統潮流計算的關鍵是正確處理異步風力發電機組。本文的處理方法是將風力發電機組作為常規發電機，再根據風電機組的類型對發電機的無功功率限制作相應處理，方法如下：

（1）對于定速感應發電機的風電機組（PSS/E中相對應的為WT1和WT2模型），看作是功率輸出固定的風機，無功限制由風機有功出力PG和特定的功率因數cosφ確定，即吸收的無功功率為：QG=Qmax=Qmin=PG×tanφ。為使風電機組在固定的功率因數下運行，采用定速感應發電機組的風電場應該加裝動態無功補償裝置。

（2）對于變速風電機組，如基于雙饋感應發電機和全功率換流器的風電機組（PSS/E中相對應的為WT3和WT4模型），看作是參與電壓控制的風機，無功限制由功率因數和風機的有功功率輸出確定，即吸收或發出的無功功率為：Qmin≤

QG≤Qmax，其中Qmax=-Qmin=|PG×tanφ|。

4 VSC-MTDC潮流計算模擬處理方法

VSC-MTDC（基于電壓源型換流器的多端直流輸電）的每個換流器可以獨立控制注入交流網絡的有功功率和無功功率，每個換流器的交流母線可視為PQ或PV節點，由于PSS/E中無VSC-MTDC模型，處理方法是在潮流計算中將每個換流站用1臺發電機代替。多端柔性直流系統穩態運行時，1端換流器控制直流電壓，其他換流器控制交流側有功功率。在計算含VSC-MTDC系統的潮流時，未知的變量為定直流電壓換流站注入交流系統的有功功率。

（1）確定已知量。已知定直流電壓換流站的直流電壓、其他定有功功率換流站注入交流系統的有功功率、所有換流站的交流側無功功率（或交流母線電壓）、直流網絡導納矩陣。

（2）估算每個換流站的損耗。每個換流站的損耗對系統穩定性影響很小。

（3）將定有功功率換流站注入交流系統的有功功率減去換流站損耗，得到其直流側功率。

（4）VSC-MTDC直流網絡中，由于定直流電壓換流站的直流電壓、其它定有功功率換流站的直流側功率均已知，因此可進行直流潮流求解，得到定直流電壓換流站的直流側功率和定有功功率換流站的直流電壓。

（5）通過定直流電壓換流站直流側功率加上換流站損耗，得到其注入交流系統的有功功率。

（6）對整個外部交直流系統進行潮流求解。由于每個換流站注入交流系統的有功功率已知，相當于每個用來表示換流站的發電機的有功出力已知。因此可利用PSS/E對整個外部交直流系統進行潮流計算，得到每個換流站交流母線的電壓、有功功率、無功功率。

（7）計算等效電阻R的值。每個換流站交流側模型如圖2所示。由于之前每個換流站損耗已由估算得到，而此時交流母線注入換流站的電流is也可由換流站交流母線的電壓、有功功率、無功功率計算得到，因此等效電阻R的值可由每個換流站損耗和交流母線注入換流站的電流is計算得到。

圖2 電壓源型換流器交流側等效電路

以上潮流求解方法將VSC-MTDC和外部系統解耦為2個網絡，只需1次VSC-MTDC直流網絡潮流求解和1次對外部系統的潮流求解，適合在PSS/E等商業化軟件中實現。

5 舟山交直流混聯電網潮流計算結果分析

五端柔性直流系統接入舟山電網后，對應舟山電網2014年夏季高峰數據，對舟山交直流混聯電網在風電滿出力和無出力的情況，由多端柔性直流和交流線路各帶50%負荷供電的方式，選取2014年夏季高峰典型方式下的潮流分布進行計算。運行方式的選取見表2。

表2 舟山交直流電網運行方式安排

通過對上述4種方式的潮流計算，可以得出如下結論：

（1）在系統全接線方式下，衢山風電場將影響衢山、岱山、定海換流站的功率安排和相應交流聯網線的潮流分布。岑港與長白風電場由于接入電網位置的原因，對多端柔性直流系統的潮流分布沒有明顯影響。衢山風電場直接影響衢山地區的功率平衡。在風電無出力時，衢山換流站為柔性直流系統的受端，向衢山負荷供電。在風電滿出力時，衢山風電場提供的出力超過整個衢山地區的負荷，蓬萊—大衢2回110 kV聯網線潮流反向，風電通過柔性直流線路送出，此時衢山換流站變成柔性直流系統新的送端。

（2）在系統全接線方式下，從無功角度看，各換流站均具備強大的無功調節能力，舟山多端柔性直流系統的接入將在很大程度上改善舟山島際電網的無功調節能力。同時3個風電場的并聯電容器和動態無功補償設備均能提供充足的無功功率，使得穩態狀況下風電場可以基本保持設定電壓值。但需要注意的是：在實際運行中，多端柔性直流系統需要與舟山機組協調控制無功輸出，避免各換流站無功輸出或吸收過多，導致舟山機組無功進相或滯相越限。

（3）當昌洲—云頂和朗熹—云頂2回220 kV交流線路檢修時，220 kV云頂變電站與外部電網無交流聯系，形成孤島，且孤島中含有岑港和長白2座風電場。此時岱山換流站由定有功控制模式轉換至定直流電壓控制模式，維持多端柔性直流系統的有功功率平衡；定海換流站轉換為孤島運行模式，維持孤島穩定的交流電壓，并平衡岑港和長白2座風電場出力以及云頂變電站下送負荷的波動。

（4）當蓬萊—大衢2回110 kV交流線路檢修時，衢山、嵊泗組成的電網與外部電網無交流聯系，形成孤島。該系統中的電源包括嵊泗傳統直流逆變站、大衢換流站和泗礁換流站，此時選擇衢山換流站作為平衡節點來應對衢山風電場出力的波動。

（5）通過計算，前文（3）和（4）中的2種檢修方式在風電滿出力和無出力的情況下，云頂供區、嵊泗電網和110 kV大衢變電站電壓監測點的電壓均能保持在正常范圍內，各主要輸送通道潮流均不會越限。多端柔性直流系統投運后，舟山電網在主要交流輸送通道檢修方式下，柔性直流系統可以滿足并網風電場送出要求。

（6）通過計算，朗熹—蓬萊、昌洲—蓬萊2回220 kV線路檢修時，朗熹—云頂、昌洲—云頂2回220 kV線路在2014年夏季高峰風電無出力時輸送的有功功率最大，約為160 MW。朗熹—云頂、昌洲—云頂2回220 kV交流線路輸送的極限均約為200 MW，不會出現過載問題。

6 結語

舟山五端柔性直流系統投運后，舟山電網形成了典型的交直流混聯運行網架結構。本文介紹了PSS/E商業軟件風電和多端柔性直流的建模方法、風電機組在潮流計算中的處理方法，給出了舟山交直流混聯電網與并網風電的適應性穩態分析結果。

隨著能源緊缺和環境污染的日益嚴重，光伏、風電等可再生能源的大力開發和利用是必然趨勢。舟山地處海島，各島嶼風能資源豐富，根據初步規劃，2015年，舟山市陸上風電場裝機總容量將達到300 MW，舟山市近海風電場裝機總容量將達到600 MW，后續還將進一步增長。舟山五端柔性直流系統投運前，舟山電網各島際交流聯系薄弱，基礎負荷較小，無法滿足風電的就地消納和送出。五端柔性直流系統投運后，對舟山電網島際聯網進行了補強，系統強大的無功調節能力和輸送能力有效平抑了風電出力波動引起的電壓和潮流波動，滿足風電的送出，為舟山后續風電開發和接入電網提供了技術條件。

[1]張海春，郁小芬，孫兆棟，等.舟山群島新區新能源開發應用現狀及發展建議[J].中外能源，2013，18（01）∶95-96.

[2]潘武略，徐政，張靜，等.電壓源換流器型直流輸電換流器損耗分析[J].中國電機工程學報，2008，28（19）∶18.

[3]陳海榮，徐政.適用于VSC-MTDC系統的直流電壓控制策略[J].電力系統自動化，2006，30（17）∶28-33.

[4]趙成勇，胡冬良，李廣凱，等.多端VSC-HVDC用于風電場聯網時的控制策略[J].電網技術，2009（15）∶135-140.

[5]袁旭峰，程時杰，文勁宇.基于CSC和VSC的混合多端直流輸電系統及其仿真[J].電力系統自動化，2006（18）∶32-36.

[6]OLIMOP ANAYA-LARA，NICK JENKINS，JANAKA EKANAYAKE，et al.徐政譯.風力發電的模擬與控制[M].北京∶機械工業出版社，2010.

[7]鄭昕，楊德州，王利平，等.大型分布式電源模型化研究及其并網特性分析——（二）雙饋風電機組專題[J].電力系統保護與控制，2011，39（8）∶39-45.

[8]曹娜，趙海翔，陳默子．潮流計算中風電場的等值[J]．電網技術，2006，5（9）∶53-56.

[9]E MULJADI，C P BUTTERFIELD，A ELLIS，et al.Equivalencing the Collector System of a Large Wind Power Plant [C].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society，Annual Conference，Montreal，Quebec，June 12-16，2006.

（本文編輯：趙曉明）

Steady-state Analysis Research on Adaptability of AC/DC Hybrid Grid and Wind Farm

FENG Gang，LIU Mingkang，WANG Dong
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316021，China）

Taking the existing grid-integrated wind farms in Zhoushan power grid and steady-state characteristics of AC/DC hybrid grid with the operation of flexible DC system in Zhoushan station 5 as research subject，the paper checks and analyzes the steady-state characteristics by means of modeling;furthermore，it draws a conclusion to guide real operation of power grid and enhance coordinated development of power grid and new energy resources such as wind power.

island power grid；wind farm；AC/DC hybrid system；steady-state analysis on adaptability；VSCMTDC

TM744+.4

B

1007-1881（2015）06-0016-04

2014-12-11

馮剛（1979），男，工程師，技師，從事電網新能源并網管理及調度運行管理工作。