海上風電柔性直流輸電系統故障穿越安全研究

2023-03-07 10:29:40薛浩巖張天慈王心遠閻向達趙鵬程

電力安全技術 2023年1期

薛浩巖，張天慈，王心遠，閻向達，趙鵬程

(全球能源互聯網發展合作組織，北京 100031)

0 引言

根據全球風能委員會發布的數據顯示，截至2020年底，全球海上風電裝機總容量已超過3 500萬kW，其中，2020年全球海上風電新增裝機容量為606.7萬kW。英國海上風電裝機容量為1 042.8萬kW，位居世界第一；中國海上風電裝機容量為996萬kW，其中，2020年新增容量超過300萬kW，占全球新增容量的50.45 %，連續3年在海上風電新增裝機容量方面居世界首位；德國海上風電裝機容量為768.9萬kW，其中，2020年新增容量為21.9萬kW。

伴隨著海上風電快速發展，國內外海上風電送出主要有高壓交流和高壓直流輸電兩種方式。作為以電壓源換流器(VSC)為核心的新型直流輸電技術，柔性直流輸電具備控制方式靈活、功率獨立解耦、可連接無源和弱交流系統等優勢，為海上風電集中開發和并網送出提供了重要的技術手段。因此，海上風電經柔性直流輸電系統并網的安全穩定運行也越發重要。

1 海上風電經柔性直流并網的相關標準

1.1 國外、國際組織標準

美國、歐洲等地區的能源電力領域行業組織已推出多項新能源并網和傳統直流輸電技術標準，比如美國電氣與電子工程師協會(IEEE)《建立高壓直流輸電保護和控制設備基本要求指南（IEEE 1899-2017）》和德國電氣工程師協會(DE-VDE)《用戶裝置與高壓電網連接和運行技術要求（VDEAR-N 4120-2015）》等。

目前，國際電工委員會(IEC)已陸續成立IEC SC 8A“大容量可再生能源接入電網”、IEC/TC 88“風能發電系統”、IEC TC115“100 kV以上高壓直流輸電”等多個技術/分技術委員會，正在積極推動制定海上風電經柔性直流輸電系統并網的相關國際標準。

歐洲輸電商聯盟(ENTSO-E)于2014年發布了《高壓直流輸電及其非同步發電裝置并網技術標準草案(ENTSO-E 140430-NC)》。

2016年，歐盟委員會(EC)基于ENTSO-E 140430-NC標準草案，推出了EC 2016/1447規例，其適用場景有新能源經柔性直流并網送出、跨國電力系統直流互聯、以柔性直流為基礎的海島供電等諸多領域，規例對整流站、逆變站、接入直流的非同步發電裝置等列出了相關技術要求。此后，德國Tennet、英國國家電網公司(National Grid)、丹麥Energinet、挪威國家電網公司(Statnett SF)、法國輸電網公司(RTE)等諸多歐洲電網運營商分別在EC 2016/1447規例基礎上建立和完善各自企業技術標準，并根據各個國家實際運行工況，具體化規例中的非強制性要求。

1.2 中國標準

2021年，國家市場監督管理總局、中國國家標準化管理委員會發布了GB/T 19963.1—2021《風電場接入電力系統技術規定第1部分：陸上風電》。目前，南方電網科學研究院、中國電工技術學會等企業、機構正積極研究和制定海上風電經柔性直流系統并網的相關技術標準，國內機構也可借鑒歐洲EC 2016/1447規例和相關歐洲電網企業技術標準，進一步細化能夠確保海上風電經柔性直流并網安全穩定運行的技術要求。

2 海上風電經柔性直流并網的故障穿越安全要求

根據現行技術標準，海上風電經柔性直流輸電系統并網主要涉及三方面故障穿越安全要求。

(1) 低/高電壓。風機在規定的電壓和時間要求內，應具有持續接入柔性直流運行的能力。

(2) 有功功率恢復。對于電壓降落期間未脫網的風機，自電壓恢復后，其有功功率應以規定速率恢復至實際工況輸出功率。

(3) 無功功率支撐。出現電壓降落時，風機快速響應，向系統饋入容性無功電流，起到動態電壓支撐作用。

2.1 歐洲標準

歐洲輸電商聯盟在《高壓直流輸電及其非同步發電裝置并網技術標準草案(ENTSO-E 140430-NC)》中對柔性直流輸電系統業主單位、非同步發電裝置運行商、輸電網運營商和監管機構提出了確保電力系統安全和穩定運行的明確要求，并且規范了非歧視性和高度競爭化的內部電力市場機制。

根據歐盟委員會EC 2016/1447規例，海上風電接入柔性直流輸電系統應滿足電壓穩定性要求，能夠在故障后提供有功功率恢復和無功功率支撐。另外，海上風電接入柔性直流輸電系統應具備故障穿越能力，其換流站并網處低電壓穿越和故障清除時間要求如圖1所示，該要求適用于110 kV及以上交流系統。

圖1 海上風電接入柔性直流輸電系統低電壓穿越要求

圖1所示為故障穿越時的電壓—時間包絡線下限，電壓單位為標幺值，時間單位為s。當柔性直流輸電系統換流站并網處電壓位于該包絡線上方，直流和交流系統能夠保持安全和穩定的連接。根據系統受到安全干擾的影響，圖1中含有三個關鍵區域，分別為故障前穩定運行(t＜0)、故障期間(0≤t≤tcle)和故障后系統恢復(t＞trec1)，其中電壓和時間關鍵參數如表1所示。根據EC 2016/1447規例6.3.17節，故障清除后0.5 s，有功功率需恢復至故障前1 p.u.且并網點電壓大于故障前0.9 p.u.。

表1 低電壓穿越關鍵參數范圍

2.2 中國標準

目前，我國尚未發布海上風電經柔性直流輸電系統并網的故障穿越針對性標準。圖2所示為GB/T 19963.1—2021《風電場接入電力系統技術規定第1部分：陸上風電》給出的風機低電壓穿越要求。對照國標GB/T 36995—2018《風力發電機組故障電壓穿越能力測試規程》，兩個規程對于并網風機低電壓穿越的要求是一致的，而后者明確“本標準適用于并網型風電機組”，故圖2也適用于海上風機經交流系統并網。低電壓穿越要求規定風機在一定電壓跌落和時間范圍內具有不脫網運行能力，并具備有功功率恢復和無功功率支撐。與歐洲EC 2016/1447規例相比，技術要求具有顯著區別，在故障清除后(t=0.625 s)，國標采用雙折線來確定電壓恢復的幅度和時間，當電壓位于包絡線下方時，風機可以退出運行。

圖2 風電場低電壓穿越要求

2.3 進一步研究內容

根據以上分析，為保障海上風電接入柔性直流系統安全穩定運行，在故障穿越及其標準方面需進一步研究以下技術要求。

(1) 海上風電主要以孤島方式運行，其弱交流系統特性對故障穿越的影響。

(2) 電網故障期間和故障后，柔性直流換流器控制模式對故障穿越的影響。

(3) 柔性直流換流器控制下的暫態過電壓特性對高電壓穿越要求的影響。

(4) 柔性直流換流器在電磁暫態仿真程序中的建模方式及其仿真精度和性能。

下面將采用標準電磁暫態仿真程序EMTPRV，結合歐洲和國內現有安全標準，對典型海上風電經柔性直流輸電系統并網進行仿真分析，研究以上內容對系統安全和穩定運行的影響。

3 故障穿越仿真分析

下面選取歐洲某±320 kV實際柔性直流輸電工程作為故障穿越電磁暫態仿真分析的基礎算例，系統接線結構如圖3所示。該系統額定有功功率1 000 MW，換流器采用MMC柔性直流輸電技術，整流側MMC-1如圖4 (a)所示，為半橋式結構；每個子模塊電路如圖4 (b)所示，每個橋臂單元由400個子模塊串聯組成。

圖3 歐洲某±320 kV柔性直流輸電工程拓撲

圖4 MMC及其子模塊結構

兩個遠端分別通過母線1和母線2與交流系統相連，交流側額定電壓400 kV，工頻50 Hz，其中，交流母線1為海上風電匯集升壓母線。換流變壓器一次和二次側額定電壓比值為400/333 kV，容量1 059 MVA，采用YNd接線方式。橋臂電感Larm和子模塊直流電容C+分別為50 mH和10 mF。

采用電磁暫態程序EMTP-RV開展仿真分析，仿真時間步長設置為10 μs。MMC換流器將分別采用詳細模型(Type 1型-Detailed Model)、詳細等效模型(Type 2型-Detailed Equivalent Model)、橋臂切換功能模型(Type 3型-Switching Function Arm Model)和均值模型(Type 4型-Averaged Value Model)進行仿真建模，研究MMC模型對故障穿越仿真的影響。

為什么早晨的時間能發揮這么大的作用呢？從生理學的角度看，這和我們身體分泌的荷爾蒙有關。腎上腺髓質分泌的“腎上腺素”，與腎上腺皮質分泌的“腎上腺皮質脂醇”，是兩種讓人精力充沛的荷爾蒙。腎上腺從黎明開始分泌這兩種荷爾蒙，分泌高峰期正好是早上七點左右。當然，深夜也會分泌荷爾蒙，但和分泌高峰期比起來，分泌量差得遠了，只有高峰期的三分之一左右。這就是早上效率高的原因。夜晚是身心休息的時間，所以身體為了讓我們能夠平心靜氣地睡眠，抑制了荷爾蒙的分泌。

換流站之間由總長70 km的高壓直流海底電纜連接，采用基于相域頻變理論的Wide-Band模型進行建模，每相直流電纜物理參數詳見參考文獻。

3.1 交流系統強度

電力系統強度主要指其在穩態或受到故障干擾后，能夠保持、控制系統中給定位置電壓的能力，該強度決定了電壓在無功功率發生變化后的恢復速度。與高壓直流輸電系統相連的交流系統強度可由短路比(SCR)確定，即：

式中：pSCR為短路比的值；PSCC為交流系統短路容量；Pdc為直流輸電系統有功容量。

電力系統強度與短路比(SCR)成正比，系統強度越弱，SCR值越低。當無功功率發生改變，較強系統的電壓變化程度也較低。海上風電匯集后的交流系統強度相對較低，因此，在發生由故障引起的無功功率變化時，其弱電網特性可能誘發電壓、有功和無功功率振蕩，造成風機脫網、直流系統閉鎖等安全和穩定運行問題。考慮交流母線1為海上風電匯集母線，具有相對較弱系統強度，故在后續仿真分析中，SCR取值范圍設置為3～5。交流母線2側為新能源受端系統，強度較高，故SCR設置為15。

3.2 電磁暫態仿真

柔性直流系統運行控制方式如表2所示，其中，送端換流器MMC-1采用兩種控制模式，以此研究對比電網規程中功率和并網點電壓合規性。

表2 換流器控制模式

此外，采用柔性直流系統潮流計算結果對電磁暫態仿真進行初始化，MMC換流器模型選為Type 3型。在t=1 s時，交流母線1發生三相對稱接地故障，故障清除時間為0.14 s。

3.2.1 控制模式-1

MMC-1換流器采用控制模式-1時的電磁暫態仿真結果如圖5所示。當交流母線1側系統強度pSCR=3.3，并網點有功、無功功率和電壓出現失穩現象。交流母線1側系統強度SCR增加至4，在故障清除后，系統能夠快速恢復至穩定狀態。

MMC-1換流器并網點電壓和低電壓穿越(FRT)要求包絡線對比如圖5 (c)所示。其中，低電壓穿越包絡線參數trec1和Vrec1參考歐洲輸電商聯盟和英國國家電網公司標準，取值分別為1.5 s和0.85 p.u.。

圖5 換流器MMC-1并網點功率和電壓暫態過程

當交流母線1側pSCR=4，故障后暫態電壓波形始終位于FRT包絡線之上，最低電壓值為0.34 p.u.。當故障后暫態電壓低于FRT包絡線，如圖中pSCR=3.3所示，系統失去穩定性，其電壓最小值為0.22 p.u.，此時直流系統應采取閉鎖措施。交流母線1側pSCR=3.4為該直流系統穩定的邊際狀態，其故障后暫態電壓最小值位于FRT包絡線之上。

圖5(c)中的MMC-1換流器并網點過電壓特性如表3所示。當系統強度降低，暫態過電壓峰值顯著升高。

表3 MMC-1換流器并網點過電壓特性(控制模式-1)

3.2.2 控制模式-2

圖6所示為MMC-1換流器采用控制模式-2時的功率和電壓仿真結果。當采用定有功功率和定交流電壓控制模式時，能夠改善直流系統邊際狀態穩定性，交流母線1側電網強度pSCR下降至3.1時，系統失穩。另外，交流母線1側pSCR=3.2為該控制模式下直流系統穩定的邊際狀態。盡管在t=1.37 s和t=1.49 s時，并網點電壓最低值已多次越過FRT包絡線，系統仍然能夠恢復穩定。