大規(guī)模新能源接入弱同步支撐直流送端電網(wǎng)的運行控制技術(shù)綜述

李冬梅

摘 要：隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展與進(jìn)步，開辟新能源成為當(dāng)前需要關(guān)注的重點問題。本文主要從頻率調(diào)節(jié)、無功電壓控制及次同步振蕩機(jī)理與抑制技術(shù)這三個方面對運行控制技術(shù)進(jìn)行綜述，并針對新能源大規(guī)模發(fā)展過程中的一些盲點提出亟待研究的內(nèi)容，對新能源大規(guī)模發(fā)展的前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模新能源;弱交流電網(wǎng);系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié);無功電壓控制;次同步振蕩

中圖分類號：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0133-03

Reviews of Control Technologies of Large-Scale Renewable

Energy Connected to Weakly-Synchronized Sending-End DC Power Grid

LI Dongmei

（Central China Electric Power Engineering Corporation Limited，Zhengzhou Henan 450007）

Abstract： With the continuous development and progress of science and technology in China， the development of new energy has become a key issue to be concerned. This paper summarized the operation control technology from three aspects： frequency regulation， reactive voltage control， subsynchronous oscillation mechanism and suppression technology， and put forward some urgent research contents in view of some blind spots in the process of large-scale development of new energy， and looked forward to the prospect of large-scale development of new energy.

Keywords： large-scale new energy;weak ac power grid;system frequency regulation;reactive powervoltage control;subsynchronous oscillation

風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電作為新能源大規(guī)模運用的典型代表，已被國內(nèi)外的研究所認(rèn)可。在我國，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電已經(jīng)取得了巨大的運用成果，我國地形種類多樣恰好為風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電提供了有利的運用環(huán)境。華北、東北、西北這三大地區(qū)充當(dāng)了大規(guī)模運用新能源的主力軍和先鋒。“三北”地區(qū)作為新能源發(fā)電的發(fā)出地自然要承擔(dān)起輸電的重任。我國中東部地區(qū)由于自身發(fā)展速度較快，因此，對能源的需求量也高于“三北”地區(qū)。新能源的大規(guī)模運用不僅是解決該地區(qū)能源負(fù)荷地區(qū)問題的一項福利，更為“三北”地區(qū)借勢發(fā)展提供了契機(jī)。互惠互贏的新能源大規(guī)模發(fā)展之舉深得能源輸出地和能源輸入地的青睞和認(rèn)可，同時也能更大程度上解決我國能源供不應(yīng)求、地區(qū)發(fā)展不平衡的問題，新能源在眾多認(rèn)可的支撐下發(fā)展也更加迅速。

1 運行控制技術(shù)綜述

1.1 頻率調(diào)節(jié)技術(shù)

1.1.1 直流系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。直流系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)作為保持發(fā)電穩(wěn)定性的一種措施在發(fā)電頻率調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著巨大作用。一般來說，直流系統(tǒng)比交流系統(tǒng)更加穩(wěn)定，電流大小和電流流向恒定不變的特點能較好地對新能源的發(fā)電進(jìn)行引導(dǎo)，而且在直流系統(tǒng)的輔助下，新能源在發(fā)電過程中受外界的影響更小[1]。

1.1.2 新能源頻率調(diào)節(jié)。除了依靠外界直流系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電的輔助頻率調(diào)節(jié)外，新能源更應(yīng)該立足自身特點進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，只有其不斷彌補(bǔ)自身發(fā)電的不穩(wěn)定性缺陷，才能從根本上解決問題，從而避免安全隱患的遺留，減少發(fā)電過程中安全事故發(fā)生的概率。新能源機(jī)組作為電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的重要部分，在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過程中掌握著主動權(quán)。新能源機(jī)組具有快速調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，如果新能源機(jī)組能積極參與到電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過程中，便能使電網(wǎng)頻率的調(diào)控達(dá)到事半功倍的效果。

1.2 無功電壓控制技術(shù)

1.2.1 新能源無功電壓調(diào)節(jié)。之前西北、華北等地事故的出現(xiàn)并不能直接對新能源接入電網(wǎng)進(jìn)行籠統(tǒng)的否定，出現(xiàn)事故只能證明新能源在電網(wǎng)中運用時存在一些亟待改善之處，并不代表新能源接入電網(wǎng)絕對不可行。對之前出現(xiàn)的事故進(jìn)行詳細(xì)分析，便會發(fā)現(xiàn)事故出現(xiàn)的一個共性是大量的風(fēng)電機(jī)并不具備高低電壓有效調(diào)控的能力，風(fēng)電場無功電壓控制方式不合理是導(dǎo)致事故出現(xiàn)的真正原因。由此可見，新能源無功電壓調(diào)節(jié)在電網(wǎng)平穩(wěn)運行和有序調(diào)節(jié)過程中仍然發(fā)揮著不可替代的作用，新能源接入電網(wǎng)設(shè)計者要在新能源無功電壓調(diào)節(jié)的設(shè)計上下功夫。

1.2.2 直流系統(tǒng)無功電壓調(diào)節(jié)。運用直流系統(tǒng)進(jìn)行輸電的情況下，無論是哪個環(huán)節(jié)，都需要消耗無功來支撐環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行[2]。直流系統(tǒng)內(nèi)的電壓雖然比較穩(wěn)定，電流也有一定的規(guī)律可循，但是，外界的電壓波動仍然會對直流系統(tǒng)的正常運行造成或大或小的影響。直流系統(tǒng)中的無功電壓調(diào)節(jié)已經(jīng)實現(xiàn)了較多突破，比如，靜止無功補(bǔ)償器是在常規(guī)無功補(bǔ)償器的基礎(chǔ)上做出的突破，依靠設(shè)備之間的互相配合來實現(xiàn)協(xié)調(diào)電壓的問題，直流系統(tǒng)無功電壓調(diào)節(jié)工作的完成是各設(shè)備單獨工作的結(jié)果，同樣也是共同配合的成果。

1.3 次同步振蕩機(jī)理及抑制技術(shù)

1.3.1 與雙饋型風(fēng)電機(jī)組有關(guān)的次同步振蕩研究。美國發(fā)生的大量風(fēng)電機(jī)脫網(wǎng)和撬棒電路損壞事故為次同步振蕩機(jī)理及抑制技術(shù)的研究提出了更大的研究難題，也指明了研究方向。美國發(fā)生的這場事故被更多的研究定為與雙饋型風(fēng)電機(jī)組有關(guān)的發(fā)散振蕩。雙饋型風(fēng)電機(jī)組在工作過程中承擔(dān)著雙重任務(wù)，自然要更加復(fù)雜一些。串補(bǔ)線路本身就具有復(fù)雜的設(shè)計，而雙饋型風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械性占比更多，機(jī)械對復(fù)雜設(shè)計的處理能力還比較欠缺，因此，與雙饋型風(fēng)電機(jī)組有關(guān)的次同步振蕩研究需要針對事故出現(xiàn)的薄弱點進(jìn)行加強(qiáng)突破和完善。

1.3.2 與直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組有關(guān)的次同步振蕩研究。與直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組有關(guān)的次同步振蕩研究需要關(guān)注三個問題：第一，考慮跳閘問題，將風(fēng)電機(jī)組置于同一條反饋線上，當(dāng)出現(xiàn)事故時有的風(fēng)電機(jī)組會跳閘，但有的不會，這應(yīng)該從風(fēng)電機(jī)組自身性能上找原因，可能是性能對故障大小的定位不同;第二，考慮同步振蕩的傳播距離，振蕩傳播距離直接影響風(fēng)電機(jī)組的工作效果;第三，考慮仿真模擬振蕩，重點關(guān)注與直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組有關(guān)的次同步振蕩在測試時，應(yīng)如何模擬出強(qiáng)度、波動仿真效果。

1.3.3 與光伏發(fā)電有關(guān)的次同步振蕩研究。目前，國內(nèi)外關(guān)于與光伏發(fā)電有關(guān)的次同步振蕩研究成果有限，這主要是受光伏發(fā)電事故的影響，因此，次同步震蕩機(jī)理及抑制技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。光伏發(fā)電主要的影響因素是光照，因此，光伏發(fā)電在光照比較強(qiáng)的地方更具發(fā)電優(yōu)勢。在有利條件下，光伏發(fā)電量和發(fā)電影響的面積一般都比較大，光伏發(fā)電隨著研究的深入也逐漸成為可能。

2 急需研究的內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)技術(shù)

新能源接入電網(wǎng)并在電力運輸過程中擔(dān)任主力軍的作用是需要不斷克服自身局限性的。首先，要對新能源自身的特點進(jìn)行準(zhǔn)確定位。以風(fēng)力發(fā)電為例，風(fēng)力發(fā)電主要依靠大型風(fēng)車的風(fēng)力轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電力，但是，風(fēng)力發(fā)電因素不穩(wěn)定，當(dāng)風(fēng)較大時，發(fā)電功率提升，但過大的功率會對電網(wǎng)運輸電力造成巨大壓力[3]。電網(wǎng)的電力承載力是有限的，如果功率較大，則會使電網(wǎng)工作處于負(fù)荷狀態(tài)。但如果風(fēng)力較小，那就無法滿足發(fā)電的功率需求。因此，頻率調(diào)節(jié)技術(shù)仍是新能源大規(guī)模運用的發(fā)展重點和焦點。

2.2 無功電壓控制技術(shù)

無功電壓控制技術(shù)亟待研究的內(nèi)容是新能源自身與直流系統(tǒng)兩個方面。新能源無功/電壓是一項最具有指導(dǎo)意義的因素，在無功電壓控制技術(shù)的進(jìn)步上，應(yīng)該更加關(guān)注新能源與常規(guī)電源的差異。新能源與常規(guī)電源雖然都是用來發(fā)電的，但在電源匹配情況上仍有所差別。針對新能源與常規(guī)能源的匹配差異性，在對無功電壓控制技術(shù)進(jìn)行完善時，就要著重考慮兩者的差異，從而找準(zhǔn)兩者的特點再進(jìn)行逐個突破[4]。除此之外，直流系統(tǒng)中無功資源的充分利用也能為新能源接入電網(wǎng)的整體技術(shù)增添推動力。直流交換站可以對能源進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，并能對系統(tǒng)運用過程中的高低壓進(jìn)行界定。通過直流系統(tǒng)中的能源轉(zhuǎn)換能將波動較大的電壓保持在新能源機(jī)組接受范圍之內(nèi)，從而保障新能源機(jī)組能發(fā)揮出最大的性能來應(yīng)對壓力變化。

2.3 次同步振動機(jī)理與抑制技術(shù)

次同步振動機(jī)理設(shè)計方面應(yīng)該更加趨于簡化，越是簡單的機(jī)理越便于操作。當(dāng)機(jī)理方面出現(xiàn)問題時，也更容易檢查和維修。新能源發(fā)電存在一定的不穩(wěn)定因素，較為波動的電壓與直流系統(tǒng)中穩(wěn)定、方向一致的電壓顯然存在差異。而新能源與直流系統(tǒng)如果運用得好，可以達(dá)到相互作用的效果。抑制技術(shù)體現(xiàn)在變流器換流器上，遠(yuǎn)距離的電流變換需要靈活的電力裝置作為支撐，因此，在新能源接入電網(wǎng)的過程中，要對變電設(shè)備和換電設(shè)備加以完善，只有保障好每個環(huán)節(jié)中每個硬件的性能，才能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離交流和直流的混合和交換。

3 結(jié)語

新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)不僅是一個為人民謀福利的工程，更是緩解我國能源供不應(yīng)求、分布不平衡的一項重要舉措。新能源是時代發(fā)展的產(chǎn)物，利用新能源進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電雖然已在嘗試普及，但在利用的過程中仍然存在一些亟待克服的問題，新能源的不斷完善和自我突破才是開辟廣闊發(fā)展道路的有效途徑。新能源接入電網(wǎng)主要是在頻率調(diào)節(jié)、無功電壓控制和次同步振動機(jī)理與抑制技術(shù)這三方面有所成效。同樣，在新能源大規(guī)模運用的發(fā)展道路上，這三方面也是主要突破點。

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