特高壓直流故障對弱送端近區風電場運行特性的分析研究

耿 山,樊艷芳,林雪峰

(1.新疆大學電氣工程學院,新疆烏魯木齊830047；2.新疆電力設計院,新疆烏魯木齊830001)

特高壓直流故障對弱送端近區風電場運行特性的分析研究

耿 山1,樊艷芳1,林雪峰2

(1.新疆大學電氣工程學院,新疆烏魯木齊830047；2.新疆電力設計院,新疆烏魯木齊830001)

為保證特高壓直流故障后不引發風機脫網,采取在直流與風電雙重影響因素的防范措施下進行分析研究,聯合二者關系對風機機端電壓進行比較；同時考慮直流、風電單一因素的提升或協調不當,導致電壓再次升高引發風機高壓脫網,再以風機角度出發討論動態無功補償裝置(SVG)對風電場的影響。研究表明,風電出力大小與直流配套電源開機臺數,兩者之間存在相互制約關系且直接影響風機機端電壓；投入SVG可降低大規模連鎖脫網的發生。

特高壓直流；直流故障；直流與風電；風機；防范措施；風機脫網

在我國西北地區尤其是新疆哈密,由于風電大量富余,本地消納能力不足,一般均采用大規模風電匯集并經直流跨區外送的方式,進而衍生出新疆境內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。當在直流輸電工程的弱送端系統近區接入大量風電場,需考慮直流故障過電壓對風電機組運行可能帶來的影響。因此,為保證直流故障后不引起風機高壓脫網,有必要分析研究直流配套電源和風電上網功率雙重因素給風電場的運行特性帶來的影響。

目前,國內針對直流故障引發風機脫網的相關問題,已有不少學者從不同角度進行了分析研究。文獻[1-2]發展演化華中電網張家口壩上地區和西北電網甘肅酒泉地區均因電壓問題導致連鎖跳閘脫網,損失大量出力；文獻[3-5]由于交流系統故障引發暫態過電壓致使風機脫網的事故過程進行分析研究；文獻[6- 8]以換流站的角度出發從距離的遠近著手探究特高壓直流過電壓對近區電網電壓的波動；文獻[9]在風電場發生N-1脫網,建立風電場安全約束條件的無功優化模型,其是抑制風電場連鎖脫網的一種有效預防控制措施。總體而言,在風機脫網的防范措施方面,已采取提高短路容量、加強網架結構等應對策略,而在實際運行中依靠單一的直接投入直流配套火電機組提高短路容量而不考慮風電上網功率,不但不會降低直流擾動后的電壓,反而會因更多的無功盈余進一步提升風機機端的電壓,引發更大規模的連鎖風機脫網事故。因此亟需進一步對直流配套電源和風電上網功率雙重因素給風電場的運行特性帶來的影響進行深入的研究。

本文將采用PSASP仿真平臺,以±800 kV天中特高壓直流為例,仿真分析在特高壓直流發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,對于兩者協調不均衡會再次引發風機機端電壓升高導致風機高壓脫網,可在風機自身安裝動態無功補償裝置抑制風機機端電壓波動,對±1 100 KV特高壓準重直流初階段配套電源投運對弱送端近區風機運行特性提供一定借鑒。

1 電網規模

1.1 新疆電網特高壓直流外送規模

目前,新疆電網形成了以±800 kV直流、750 kV與220 kV交流為骨干的網架結構。在“十三五”期間,新建以準東、哈密煤電基地為外送點,至負荷中心的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外送格局,輸電容量5 600萬kW。形成大規模“西電東送”“北電南送”輸電格局,滿足大型能源基地開發外送需要和中東部用電需求。

圖1 新疆地區特高壓直流外送規模

1.2 哈密地區風電及直流配套電源分布

哈密是我國西北地區重點建設的千萬千瓦級風電基地,根據新疆調研情況,截止2016年3月底,哈密地區風電裝機規模達到924萬kW,主要分布在三塘湖片區395萬kW、哈密片區119萬 kW、煙墩片區410萬kW。

2 風電機組脫網條件

哈密地區屬于較薄弱的電網,選用變速風電機組即異步電機不僅有利于維持系統電壓穩定而且并網方法簡單[10]。根據國家標準委發布GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統技術規定》與國家電網公司制定的企業標準Q/GDW 392—2009《風電場接入電網技術規定》,風電場低電壓穿越要求：風電場并網點電壓跌至20%額定電壓時,風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行625 ms；風電場并網點電壓在發生跌落后2 s內能夠恢復到額定電壓的90%時,風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行。風電場高電壓穿越要求目前還沒確定,當風電場并網點電壓在額定電壓的90%～110%之間時,風電機組應能正常運行;當風電場并網點電壓超過額定電壓的110%時,風電場的運行狀態由風電機組的性能確定[11],風電場并網點電壓估算如下。

風電場集電系統等效如圖2所示,設風機機端電壓為U0,風電出口電壓為UG,升壓變低壓側電壓為UL,風電并網點電壓為UH,箱變高壓側電壓為UK,箱變出口電流為IK,集電線電流為IG。假設風電機組之間的距離相同,都為L,每臺機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 風電場集電系統

(4)

式中,n為風電場開機臺數；k為升壓變壓器變比,ZL=RL+jXL，為集電線阻抗；ZT=RT+jXT，為簡化箱變阻抗。

3 弱送端系統近區風電場安全穩定性分析

3.1 直流故障中弱送端系統近區風機運行特性分析

3.1.1 雙極閉鎖故障對弱送端系統近區風機運行特性分析

根據2016年冬季網架結構,當發生直流閉鎖故障時,由于其是不可恢復性的直流故障,全部有功、無功瞬間直接反轉轉移至交流系統,可采取文獻[12]中穩控方案二的保留2臺機組運行。風電場匯集站的容性無功容量富余較多抬升系統電壓,聯絡線功率減少充電功率抬升電壓的助增作用,故造成交流系統的穩態壓升較大。并且風電場末端廠站短路水平較低,對系統無功波動的敏感度較高,造成風機末端電壓攀升情況更加惡劣。針對于風機機端穩態壓升過高,可能造成風機高電壓脫網的問題,結合直流與風電的雙重因素去考慮應對策略。分析在哈密地區發生雙極閉鎖后根據風電上網功率與直流傳輸功率的協調配置去研究風電出力、直流配套電源和風電機端電壓最大穩態電壓的關系,其中,天中直流配套火電機組4座、10臺機組、660萬kW。預計2018年天中直流配套火電10臺機組全部投運直流外送功率達到800萬kW。

圖3 投運不同臺數的配套電源對風機機端最大穩態電壓的變化

由圖3可知,當弱送端系統發生雙極閉鎖故障時風機機端電壓均超過風機并網電壓的標準,并且隨著風電上網功率的不斷升高而升高。由于新能源出力的隨機性,當采取投運直流配套電源的解決策略時,投運1臺機組,可有效抑制穩態壓升。投運直流配套2～6臺機,不但沒有降低風機極端電壓反而升高,有可能引發風機脫網進而造成大規模連鎖風機高壓脫網事故。

3.1.2 換相失敗故障對弱送端系統近區風機運行分析

當發生換相失敗故障時,由于其是可恢復性的瞬時直流故障,當交流系統短路故障切除后,隨著交流系統電壓的恢復,直流功率逐漸恢復,不需考慮穩控措施。風機因低電壓進入低穿有功出力大幅度降低,而風電場匯集站的容性無功容量富余較多抬升系統電壓,濾波器對電壓抬升的助增作用,造成直流送端交流系統的暫態壓升較大,使其弱送端近區風機的暫態電壓呈現“先降低后升高”現象。針對于風機機端暫態電壓過低,導致風機低壓脫網問題文獻[13～15]中撬棒控制、風電機組去磁控制等技術有效提升風電機組的低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力,以確保風電機組在電網電壓跌落時仍可不脫網運行,而對于風機機端暫態壓升過高,可能造成風機高電壓脫網的問題,結合直流與風電的雙重因素去考慮應對策略。分析在哈密地區發生換相失敗后風電上網功率與直流傳輸功率的協調配置去研究風電出力、直流配套電源和風電機端電壓最大暫態電壓的關系如圖4所示。

圖4 投運不同臺數的配套機組對風機機端最大暫態電壓的變化

由圖4可知,當弱送端系統發生換相失敗故障時由于存在風機低壓脫網風險,與直流雙極閉鎖故障相比,直流換相失敗引發的風機機端電壓更高,導致風機高壓脫網風險更大。采取投運直流配套電源的應對措施,投運1臺機組時,可有效抑制暫態壓升,規避脫網風險。投運直流配套2～6臺機時,不但也沒有降低風機機端電壓反而升高更多,增大風機二次高壓脫網的概率,進而造成更大規模連鎖風機高壓脫網事故。

綜上可見,在采用投運直流配套電源以提高短路容量的應對措施中直流傳輸功率和風電上網功率存在相互制約關系,為保證直流雙極閉鎖故障或換相失敗后不引發風機高壓脫網,在直流大功率外送情況下需要限制風電上網功率,而在逐漸遞增風電上網功率情況下需要限制直流傳輸功率,即風電上網功率較小時合理控制直流配套電源的開臺機數,可有效預防直流故障引發風電大規模連鎖高壓脫網事故。

3.2 近區風機自身運行特性分析

針對于上述直流故障中在直流傳輸功率或風機上網功率較大的情況下,采取在近區風電場側加裝或投運SVG等動態無功補償裝置,其可動態調節系統電壓,有效平滑電壓波動,提升直流弱送端地區風機送出的可靠性。以采取風電上網功率最大直流配套電源開機臺數最多的應對措施為例,仿真分析在風電場加裝固定電容器(工況一)和動態無功補償裝置(工況二)兩種不同的運行工況,風機機端電壓變化曲線如圖5、6所示。

圖5 雙極閉鎖故障后風機機端電壓

圖6 換相失敗故障后機風機機端電壓

由圖5可知,直流雙極閉鎖故障后工況一中風機機端穩態電壓長時間持續在1.1 p.u.存在風機脫網風險,與之相比工況二有效抑制風機機端穩態電壓波動,使其降低至1.02 p.u.～1.05 p.u.之間有效保障風電送出的可靠性。由圖6可知,換相失敗故障后工況一中風機機端暫態電壓短時間內均超過1.2 p.u.；工況二的風電場機端暫態電壓短時間內均可在1.15 p.u.之內可使風電機組維持在并網電壓的標準。綜上可見,加裝SVG等動態無功補償裝置可以有效改善在直流故障后直流傳輸功率較大時暫、穩態電壓的升高,避免哈密地區風電機組大規模連鎖脫網事故發生的幾率。

4 結 論

本文通過對特高壓直流弱送端系統近區風機運行特性的分析研究,在直流弱送端系統發生直流閉鎖、換相失敗故障期間,采用常規單一抑制暫、穩態電壓方法具有一定的局限性,以直流、風電與風機的角度分析過電壓導致風機脫網的風險。得出在直流、風電方面,二者之間存在著相互制約關系,風電上網功率較小時合理控制直流輸送功率水平可有效預防直流故障引發風電大規模連鎖脫網事故；在風機方面,隨著新能源并網容量的不斷加大,在直流故障中加裝動態無功補償裝置對抑制長時間穩態電壓與短時間暫態電壓升高而引起風機高壓脫網顯得尤為的重要。通過上述應對策略,使風電場機端暫、穩態電壓在耐壓能力范圍內,符合風電機組并網的要求。同時又對新疆第二條±1 100 kV特高壓準重直流對弱送端近區風機運行特性提供應用參考。

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(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(51467019)

耿山(1993—),男,河北邯鄲人,碩士研究生,主要研究方向為特高壓直流輸電、新能源并網技術．

TM712

A

0559- 9342(2017)05- 0095- 04