劃分大規(guī)模新能源直流外送系統(tǒng)調相機配置研究

張艷麗

摘要：調相機是同步旋轉設備對直流造成系統(tǒng)狀態(tài)電壓波動進行抑制的一個重要設備。當前我國很多特高壓直流項目當中都加裝了調相機。本文首先對大規(guī)模新能源直流外送系統(tǒng)狀態(tài)過電壓的影響因素進行分析，而后以分析的數(shù)據(jù)為基礎構建相應的仿真系統(tǒng)進行仿真計算與高低壓等級調相機配置方案，以供參考。

關鍵詞：電力系統(tǒng); 安全穩(wěn)定; 暫態(tài)分析; 新能源直流外送系統(tǒng); 暫態(tài)過電壓;

引言

隨著當前我國碳達峰、碳中和政策的逐步落實，風電和光伏發(fā)電處于高速發(fā)展的時代，獲得了很大的成就。另外我國資源稟賦以及人均資源匱乏等因素的影響也決定著我國在能源建設和發(fā)展的過程中需要加強電網(wǎng)建設，逐步開發(fā)大型電力能源生產(chǎn)基地。在高壓直流輸電技術應用過程中，可以使電網(wǎng)的大規(guī)模輸電能力大幅度提高，保證電網(wǎng)的遠距離傳輸，使我國具有大量能源的北部和西部地區(qū)的清潔能源可以快速輸送給東部，實現(xiàn)東西部能源的協(xié)調。

1 加強直流外送系統(tǒng)調相機配置的原因

特高壓直流輸電技術應用過程中，因為送電端較為薄弱，如果出現(xiàn)直流系統(tǒng)電流受損或者直流鎖閉等故障，造成暫態(tài)過程特高壓直流的無功大范圍波動而影響整個送電端的電網(wǎng)電壓，這會影響我國能源電網(wǎng)的系統(tǒng)建設，造成直流輸送新能源的能力不足。如果情況嚴重，還有可能會導致整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性受影響。

動態(tài)無功補償技術的應用可以有效保證電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，幫助特高壓直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。新一代調相機載系統(tǒng)故障瞬時電壓支撐方面具有較強的能力，而且展開響應速度非常快。

2 送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓影響因素

在直流送端系統(tǒng)運行過程中，可能會出現(xiàn)直流鎖閉、直流換相失敗、直流抑制啟動等諸多問題，這些問題會造成系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓等現(xiàn)象。

2.1 直流控制環(huán)節(jié)

如果直流換相失敗故障出現(xiàn)后，送端交流系統(tǒng)當中的電壓會出現(xiàn)先降后升等現(xiàn)象。在此過程中需要注意積分時間常數(shù)、直流電壓下降時間常數(shù)、最小限制電流等相關參數(shù)，逐步對這些參數(shù)進行調整、優(yōu)化和控制，以便減少狀態(tài)過電壓的影響。在大規(guī)模新能源直流外送的條件下，單純進行直流控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化無法對送電端暫態(tài)過電壓進行徹底性的控制，還需要引入調相機。

2.2 調相機的無功補償

調相機在接入后可能會造成整個系統(tǒng)出現(xiàn)異常，比如說短路電流超標等，需要通過加裝串抗等方式逐步解決出現(xiàn)的其他異常問題。本文所述大規(guī)模新能源直流外送系統(tǒng)加裝調相機并且進行一系列改造后，可以使系統(tǒng)的短路容量大幅度提高，幫助抑制送端系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓，另外在運行過程中調相機的轉動慣量較大，能夠幫助新能源直流外送系統(tǒng)的有效工作，使其頻率更為穩(wěn)定。

2.3 新能源發(fā)電系統(tǒng)

在新能源發(fā)電系統(tǒng)運行過程中，送端交流設備的暫態(tài)過電壓水平往往和整個系統(tǒng)的無功功率控制方法相關。在此次新能源發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計時，以光伏為例，在通過控制定電壓的方法運行，逆變器會依照系統(tǒng)運行過程中電壓的變化情況對無功功率進行調整，或發(fā)出或吸收。如果直流系統(tǒng)出現(xiàn)雙極鎖閉故障的環(huán)境下，逆變器響應系統(tǒng)會快速變化電壓，以便對無功功率進行控制，避免整個系統(tǒng)出現(xiàn)電壓瞬時過高等情況。在直流出現(xiàn)換相失敗等問題后，整個送端系統(tǒng)的電壓處于先降后升的狀態(tài)，因為電壓上升的時候光伏逆變器會出現(xiàn)滯后輸出等情況，會造成光伏并網(wǎng)電站暫態(tài)電壓過高等情況。

另外還需要注意送端交流系統(tǒng)運行過程中，暫態(tài)過電壓的水平往往還和新能源發(fā)電單元相關，雙饋風機當中的定子往往會直接與電網(wǎng)間連接，轉子運行過程中通過三相背靠背換流器完成整個系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)交流勵磁。如果系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生電壓突變等情況，則風機定子磁鏈無法完成對應的突變，會產(chǎn)生感應電流分量。在此過程中需要并網(wǎng)點對無功功率進行吸收或者釋放。在系統(tǒng)過電壓瞬間，風機會出現(xiàn)同步機類似的特點。

3 案例分析

對某大規(guī)模新能源外直流外送場景進行分析，構建相應的仿真系統(tǒng)。該場景當中送端換流站和變電站在運行過程中額定電壓達到800千伏，配套的水電系統(tǒng)為2.2×103兆瓦.在配套建設相關系統(tǒng)過程中對新能源電站的電能進行逐級升壓，從35千伏逐步升至330千伏，而后最終達到750千伏，并且將這些電能輸送至于換流站近區(qū)的變電站A、B、C，依照新能源容量的20%進行動態(tài)無功補償裝置的設定。

在直流控制系統(tǒng)構建的過程中，通過相關仿真軟件的da卡來分析具體的參數(shù)，如其功率控制換向、失敗預測、低壓限流控制等，在風電系統(tǒng)當中使用雙饋型風電模型，均使用恒功率因數(shù)控制。在光伏控制系統(tǒng)當中，通過定交流電壓控制模式進行模擬控制。

3.1 換流站750 kV側集中接入

在換流站系統(tǒng)當中，接入8臺調相機進行送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的控制，選擇三個典型的新能源電站，接入不同數(shù)量的調相機，各站的暫態(tài)過電壓情況如下表所示，可以發(fā)現(xiàn)在換流機750千伏側在調相機數(shù)量接入增加后，暫態(tài)過電壓的情況得到有效緩解。但是在集中接入大量調相機之后，依然無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在變電站a光伏廠3和變電站B光伏廠1當中的并入點電壓依然有小規(guī)模的暫態(tài)過電壓現(xiàn)象。

通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)在調相機數(shù)量逐步增加的環(huán)境下，部分新能源電站在暫態(tài)過電壓方面得到了明顯的優(yōu)化，但是大量調相機接入后優(yōu)化的情況并不明顯，主要是因為大量調相機接入后，各能源站并網(wǎng)點在短路電流水平方面也大幅度增加，影響了暫態(tài)過電壓的抑制效果。

3.2 110 kV分散接入

在進行優(yōu)化調整后，于750千伏測接入4臺調相機，分別在110千伏母線側接入不同數(shù)量的小型調相機，對換流母線和各新能源并網(wǎng)點的暫態(tài)過電壓情況進行分析。通過合理布設后，可以保證各系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并且控制暫態(tài)過電壓。對該方案的成本和其他因素進行分析，可以發(fā)現(xiàn)調相機與新能源站的電氣距離越近，則暫態(tài)過電壓的抑制效果越好。

結束語

總而言之，通過對比分析發(fā)現(xiàn)使用換流站750MV側集中配置大量300mear調相機的方案相比通過分散接入110千伏和330千伏測調相機的方案可以大幅度節(jié)省成本，而且優(yōu)化效果更為明顯。

參考文獻

[1] 馬世英， 王青. 大規(guī)模新能源集中外送系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調風險及仿真評估[J]. 發(fā)電與空調， 2018（2）.121-122.

[2]朱藝穎， 董鵬， 謝國平，等. 適應大規(guī)模風電外送的特高壓直流協(xié)調控制實時仿真研究[J]. 電網(wǎng)技術， 2013， 37（7）：116-117.