直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風電場交流系統(tǒng)的影響

任　華，刁海勇，陳立漢，常喜強，王維慶，張東明，楊皓宇，郭愛平

(1. 國網(wǎng)新疆電力公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒　841000；2. 新疆電力調度通信中心,烏魯木齊　830002；3.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術研究中心,烏魯木齊　830000)

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直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風電場交流系統(tǒng)的影響

任華1，刁海勇1，陳立漢1，常喜強2，王維慶3，張東明1，楊皓宇1，郭愛平1

(1. 國網(wǎng)新疆電力公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒841000；2. 新疆電力調度通信中心,烏魯木齊830002；3.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術研究中心,烏魯木齊830000)

隨著西北網(wǎng)750 kV主網(wǎng)的建成及新疆“風火打捆”直流外送的實施，新疆電網(wǎng)已形成了交直流混聯(lián)的系統(tǒng)。為了分析直流系統(tǒng)對大規(guī)模風電場交流系統(tǒng)的影響，針對大規(guī)模直驅風電場與火力發(fā)電廠打捆并網(wǎng)后直流外送的輸電方案，構建了含交直流系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構，建立了大規(guī)模直驅風電場及直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學模型。基于PSCAD/EMTDC軟件，仿真并分析了：直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風電場的交流系統(tǒng)的影響，以及直流系統(tǒng)不同的控制方式、不同的無功補償容量、直流故障、交直流比例對交流系統(tǒng)及風電場穩(wěn)定性的影響。

高壓直流輸電；大規(guī)模直驅風電場；直流系統(tǒng)；短路故障

中國的發(fā)電能源主要分布在西北、東北等地區(qū)，新疆與甘肅的風能資源充足，在風力發(fā)電方面有很大的發(fā)展?jié)摿Γ@些地區(qū)的用電負荷相對較低，無法就地消納大規(guī)模的風電。為了提高資源的利用，根據(jù)國家規(guī)劃，在新疆、甘肅等地建立了數(shù)個大規(guī)模風電場，總裝機容量達到了GW級，將這些大容量的風電遠距離輸送至電力負荷集中的東部地區(qū)。由于高壓直流輸電具有輸送容量大、損耗低、便于控制等優(yōu)勢，可以滿足不同頻率或非同步電網(wǎng)間的互聯(lián)，高壓直流輸電工程勢在必行。

本文以新疆電網(wǎng)為背景，在PSCAD/EMTDC中搭建大規(guī)模直驅風電場和交直流輸電系統(tǒng)的仿真模型，從直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風電場的交流系統(tǒng)的影響，以及直流系統(tǒng)不同的控制方式、不同的無功補償容量、直流故障、交直流比例對交流系統(tǒng)及風電場穩(wěn)定性的影響進行了詳細的仿真分析，從而為直流輸電的調度及控制提供相應的幫助。

1　所研究系統(tǒng)結構

目前，西北地區(qū)已經(jīng)建成以750kV為主網(wǎng)架的交流電網(wǎng)，同時，新疆哈密至鄭州的直流輸電工程已經(jīng)進入實施階段，以新疆為送端的交直流系統(tǒng)已經(jīng)初步構成。本文所研究的系統(tǒng)以新疆電網(wǎng)為背景，建立了如圖1所示的交直流系統(tǒng)的拓撲圖。由于風電場的輸出功率、頻率波動較大，該系統(tǒng)采用風火打捆并網(wǎng)后直流外送的方案。圖1中，750 kV及220 kV交流等值系統(tǒng)是根據(jù)戴維南等效電路將新疆電網(wǎng)等效為某電壓等級下的電源與阻抗串聯(lián)，通過PSASP軟件中的短路電流計算可得。由于本文采用的是大規(guī)模直驅風電場，風電機組數(shù)目較大，可將風電場等效為一臺等值機，使其等效阻抗及輸出功率與實際大致相同。根據(jù)文獻的結論，直流輸電系統(tǒng)采用單極運行時，交直流系統(tǒng)間的相互影響最為明顯，因此，本文直流系統(tǒng)采用容量為3.2 GW，額定電壓為800 kV的單極運行方式，換流站為12脈沖閥組的結構，直流輸電線路采用T型等效電路，長度為2 300 km。

圖1　含大規(guī)模直驅風電場的交直流系統(tǒng)拓撲圖

2　直流系統(tǒng)建模

2.1換流器穩(wěn)態(tài)模型

換流器是直流系統(tǒng)的核心設備，其穩(wěn)態(tài)時數(shù)學模型如下：

(1)

式中r——整流側；i——逆變側；α——整流器觸發(fā)角；β——逆變器觸發(fā)超前角；γ——熄弧角；μ——換相角；T——換流變壓器變比；Ud0——空載直流電壓；Ud——直流側電壓；Id——直流電流；Pac——直流輸送功率。

2.2直流控制系統(tǒng)

本文所研究系統(tǒng)用于電力直流外送，需保證輸送功率恒定，因此，本文采用直流側定電流控制，逆變側定角γ控制。這種控制方式的優(yōu)點在于：整流側控制直流系統(tǒng)的電流不產(chǎn)生大幅度的變化，逆變側控制直流系統(tǒng)電壓保持額定電壓附近，從而既保障了輸送功率的穩(wěn)定性，又具有經(jīng)濟性。此外，為了防止交流系統(tǒng)故障對直流系統(tǒng)造成的影響，配置了低壓限流裝置(VDCOL)、最小電流限制控制、定αmin控制。控制模塊的框架圖如圖2所示，直接輸入只有直流電流整定值Ides，而整流側直流電流Id-rec、逆變側直流電壓Ud-inv、直流電流Id-inv、關斷角γ是從實際運行中測量所得，輸入控制系統(tǒng)。輸出量只有整流側的觸發(fā)角α和逆變側的觸發(fā)超前角β。由式(1)可得，通過對輸出量α、β的調節(jié)，能夠控制Ud、Id。

圖2　直流系統(tǒng)控制器框圖

3　風電機組建模

直驅風力發(fā)電機組由風力機、直驅永磁同步發(fā)電機、變流器、控制系統(tǒng)構成，結構如圖3所示。

圖3　風電機組結構圖

3.1風力機模型

風力機機械轉矩：

(2)

式中Tm——風力機的機械轉矩；ρ——空氣密度；R——風輪葉片半徑；Vw——風速；λ——風力機的葉尖速比，β——槳距角；Cp——風能利用系數(shù)。

3.2永磁同步發(fā)電機模型

直驅永磁同步發(fā)電機等效電路如圖4所示。

圖4　發(fā)電機等效電路

根據(jù)圖4，在旋轉坐標系下，所建立的同步直驅發(fā)電機模型為：

(3)

發(fā)電機的機械運動方程：

(4)

電磁轉矩表達式：

Te=1.5Pψ0

(5)

L=Ld=Lq=jXs

ωg=ωw

式中id，iq，ud，uq——發(fā)電機的d軸和q軸電流、電壓分量；L——d軸和q軸電感；Te為——電機的電磁轉矩；Tw——風輪獲取的氣動轉矩；ωg——發(fā)電機轉子的轉速；ωs——電角頻率；Rs——定子電阻；ψ0——永磁體的磁鏈；Jeq——風力機的等效轉動慣量；Bm——轉動粘滯系數(shù)；P——轉子的極對數(shù)。

3.3變頻器模型

本研究變頻器模型采用雙PWM變流器，原理如圖5所示，網(wǎng)側變流器輸出電壓可以表示為：

(6)

圖5　變頻器原理圖

3.4轉速控制

轉速控制框圖如圖6所示，由于風電場的出力與風速有關，因此，風電機組轉速控制有兩種狀態(tài)：

(1)風速達到切入風速(4 m/s)，當風速變化但未達到額定風速時，通過調節(jié)變頻器的占空比來控制風力機的槳距角，使風機工作在最大功率追蹤狀態(tài)下，從而獲得最大風能。

(2)風速超過額定風速時，由于風機機械強度和容量的限制，不能夠捕獲最大風能，通過對槳距角的控制，減小風能捕捉，使風機出力保持在額定功率附近。

圖6　轉速控制

3.5變流器控制

直驅風電場的變流器控制主要由機側控制和網(wǎng)側控制兩部分[16]，其控制框圖如圖7和圖8所示。機側控制是將電流信號通過坐標變換為d、q軸分量，與電網(wǎng)側電流比較后，經(jīng)PI調節(jié)器輸出的d、q軸電壓分量與補償電壓相加后得到發(fā)電機機端電壓控制信號，再與三角載波比較以控制IGBT的通斷，從而實現(xiàn)有功、無功的解耦控制。網(wǎng)側控制是將電網(wǎng)側三相電壓變換為角和d軸電壓分量，經(jīng)補償后得到網(wǎng)側變流器電壓控制信號，從而實現(xiàn)網(wǎng)側功率因素的調整及無功功率的控制。

圖7　機側控制

圖8　網(wǎng)側控制

3.6風電場模型

大規(guī)模風電場通常都有上百臺風機，占地面積巨大，處于風上游的風機會對下游的風機遮擋，產(chǎn)生強烈的湍流，使下游風機風速遠低于上游風機，從而產(chǎn)生尾流效應。受尾流效應的影響，風電場中各臺風機的輸出功率不同，在風電場等值時需考慮不同位置風機風速對輸出功率的影響。在PSASP軟件中，考慮尾流效應對大規(guī)模直驅風電場作等值計算，可得到風電場的總輸出功率和等效阻抗。

4　仿真分析

本文利用PSCAD/EMTDC，以新疆電網(wǎng)為背景，從直流系統(tǒng)對含大規(guī)模風電場的交流系統(tǒng)的影響，以及直流系統(tǒng)不同的控制方式、不同的無功補償容量、直流故障、交直流比例對交流系統(tǒng)及風電場穩(wěn)定性的影響進行了詳細的仿真分析。

4.1直流系統(tǒng)故障對交流系統(tǒng)的影響

在直流系統(tǒng)故障中，直流線路短路是最常見的一種故障，本節(jié)將對并聯(lián)運行方式下和非并聯(lián)運行方式下的直流線路短路故障仿真分析，比較兩種運行方式下的直流故障對交流系統(tǒng)影響大小。在1 s時設置直流線路中點處發(fā)生短路接地故障，持續(xù)0.15 s，故障對交流系統(tǒng)及風電場的影響如圖9和圖10所示。

當直流線路發(fā)生故障時，直流輸電系統(tǒng)的響應為：直流電壓驟降至零，直流電流瞬間增大，為減小直流電流，觸發(fā)角α與熄弧角γ增大，直流電流保持在0.5pu，直流輸送功率降至零。通過仿真圖可知，直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于功率傳輸為零，換流站不在吸收無功功率，換流站無功補償裝置使交流母線電壓上升。送端系統(tǒng)發(fā)電機組發(fā)出的大量有功功率無法就地消納，造成送端系統(tǒng)頻率的上升，若不做切機處理，有可能導致頻率的失穩(wěn)。而受端系統(tǒng)由于缺少了直流輸電系統(tǒng)輸送的有功功率，使得有功功率出現(xiàn)缺額，從而降低了系統(tǒng)的頻率，需要切負荷或增加發(fā)電機組來抑制頻率的波動。

在圖9中，當直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，對送端系統(tǒng)電壓及受端系統(tǒng)頻率的影響較嚴重，三種運行方式下故障對送端系統(tǒng)的影響程度差別較小，運行方式一下故障對受端的頻率及電壓影響程度較小，運行在方式三時，當交直流并聯(lián)運行時故障對受端系統(tǒng)的影響較小。直流故障不會對另一條直流輸電系統(tǒng)造成影響。

在圖10中，直流系統(tǒng)的故障導致了風電場PCC母線電壓的降低，發(fā)電機轉速上升，發(fā)出有功功率降低，增加無功功率來維持PCC母線電壓，故障消除后風電場仍處于低電壓運行狀態(tài)。

4.2交直流外送比例對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

直流系統(tǒng)故障有可能會導致直流閉鎖，使直流系統(tǒng)傳輸功率為零，當直流系統(tǒng)輸送功率在交直流輸電系統(tǒng)中所占比例不同，直流閉鎖對交流系統(tǒng)的影響會產(chǎn)生怎樣的影響是本節(jié)的重點內容。由于上節(jié)中得到結論，交直流并聯(lián)運行方式下直流故障對交流系統(tǒng)影響較大。本節(jié)在不同的交直流輸電比例下，設置交直流并聯(lián)運行方式中的直流線路始端發(fā)生接地短路故障，故障發(fā)生時間為0.1 s持續(xù)0.15 s。得到送端和受端交流系統(tǒng)電壓偏移和頻率偏移情況如表1至表3所示。

無論交直流系統(tǒng)處于何種運行方式，隨著直流輸送功率在交直流輸送功率中所占比重的增大，交流系統(tǒng)母線電壓偏移越嚴重，頻率波動范圍越大，直流線路故障對交流系統(tǒng)的影響逐漸越嚴重。

表1　運行方式一：不同交直流比例直流故障

表2　運行方式二:不同交直流比例直流故障

表3　運行方式三:不同交直流比例直流故障

圖9　方式一(左)、方式二(中) 、方式三(右)直流線路短路系統(tǒng)響應

5　結論

圖10　方式一(左)、方式二(中) 、方式三(右) 直流故障對風電場的影響

本文通過對交直流輸電系統(tǒng)中直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)進行了詳細仿真與得出以下結論：

首先，對于不同的整流側與逆變側控制方式的組合進行了比較，并針對各種控制方式下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定進行了分析，結果表明整流側定電流控制有利于電壓穩(wěn)定、逆變側定電壓控制有利于電壓穩(wěn)定。然后，討論了換流站無功補償裝置對直流系統(tǒng)的影響，不同無功補償類型對電壓穩(wěn)定性影響不同，分組容量的大小也能夠影響到交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。對于直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障做了詳細的仿真分析，表明直流系統(tǒng)故障會對送端系統(tǒng)的電壓和受端系統(tǒng)的頻率造成嚴重影響，在三種不同的運行方式下，故障對送端交流系統(tǒng)影響的差異較小，運行在方式一時故障對受端系統(tǒng)的影響最小，直流故障對風電場的影響較嚴重。當直流系統(tǒng)輸送電能所占比例不同時，直流系統(tǒng)故障對交流系統(tǒng)的影響程度不同，直流所占比例越大，雖然其輸電效率越高，但是發(fā)生故障時對交流系統(tǒng)的影響也越嚴重。

通過仿真與分析得到了上述結論，能夠為高壓直流輸電的調度及控制提供相應的幫助。

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(本文編輯：楊林青)

The Impact of DC system on AC system that containing large-scale wind farm

REN Hua1, DIAO Hai-yong1, CHEN Li-han1, CHANG Xi-qiang2, WANG Wei-qing3, ZHANG Dong-ming1, YANG Hao-yu1, Guo Ai-ping1

(1.Bazhou power company of State Grid Xinjiang Electric Power Corporation, korla 841000,China;2.Xin Jiang Communication Center for Power Dispatching, Urumchi 830002, China;3.Engineering Research Center of Education Ministry for Renewable Energy Power generation and Grid Technology,Urumchi 830000, China)

With the Northwest 750kV grid built and Xinjiang “Bundled Wind & Fire” DC transmission implement, Xinjiang Power Grid has formed a AC/DC system. In order to analyze that D-PMSG wind farm connecting grid and exporting by HVDC on the impact of AC/DC system, aim to the transmission program that transport the power after the large D-PMSG wind farm connect to grid, construct the network topology of the system, establish the mathematical model of the Large-scale D-PMSG wind farm and HVDC system. Based on PSCAD / EMTDC, simulate and analysis: DC system influence on communication system containing large-scale wind farms, and different control mode, different dc system reactive power compensation capacity, dc fault, proportion of ac/dc to ac system, and the effect on the stability of the wind farm.

HVDC; large D-PMSG wind farm; AC system; Short-circuit fault

10.11973/dlyny201604012

教育部創(chuàng)新團隊項目(IRT1285)；國家自然科學基金項目(51267017)

任華(1986)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

TM721.1

A

2095-1256(2016)04-0459-06

2016-05-18