特高壓直流對交流系統穩定性的研究

，,，,2，，,2

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

隨著風電機組技術的發展以及國家對可再生能源的重視，越來越多的大型風電場開始接入電網。風電的進一步發展，客觀上需要擴大風電消納范圍，大風電必須融入大電網才能顯著提高風電消納能力。因此，利用直流輸電技術解決大規模風電遠距離送電需求的輸電方案已成為科研工作者的研究熱點。

目前，可行性的大規模風電接入方案不外乎有3種：風電孤島直流外送，風、火電打捆風電直流外送以及風、火電打捆聯網直流外送。風電孤島直流外送系統，由于缺乏系統支撐，在風電場出力與直流輸電功率之間出現的任何功率不平衡都會引起送端功率的波動，風電機組受風速影響較大，發電主動控制能力差，在不采取有效的頻率控制措施條件下，一般的風速功率都會引起送孤單系統頻率的崩潰。風、火電打捆直流外送方案通過火電機組調速系統的調節，送端系統能夠維持頻率穩定，但是在電壓穩定方面，由于送端孤島方案缺乏系統支撐，送端線路發生故障易引起系統電壓崩潰。

下面針對以上兩種方案的優缺點，對風、火電打捆聯網直流外送方案進行了仿真計算，詳細分析了風電機組、火電機組、交直流系統之間的相互影響和系統穩定特性。研究結果分析了風、火電打捆聯網直流外送方案帶出的一系列問題，為大規模風電接入電網的穩定問題提供了參考依據。

1 風、火電打捆聯網直流外送系統建模

1.1 直流輸電系統模型

所采用的直流輸電系統模型是基于對直流換流器、控制系統和直流線路進行詳細模擬的模型，在交流系統對稱和無畸變的情況下可以用來模擬直流輸電系統本身的動態特性以及與交流系統之間的相互作用特性。采用直流輸電系統詳細模型的交直流電力系統機電暫態仿真原理如圖1所示。對直流線路來說，兩側換流器相當于兩個電壓源，其數值決定于觸發控制角和交流側電壓模值，直流線路本身可以采用適當的動態模型。

圖1 直流輸電系統機電暫態仿真原理圖

此模型可以通過實際計算關斷角γ比較準確地確定是否發生換相失敗；直流系統在故障后的恢復過程可以得到較好的模擬，而不是事先指定恢復速度；由于模擬了定電流、定電壓和定關斷角等控制器的實際動態過程，因而可以比較精確地模擬直流系統中的控制模式的切換過程。

1.2 風電機組模型

基于PSASP建立了雙饋風電系統模型，包括雙饋感應發電機模型及其控制系統，圖2為雙饋感應式風電機組模型，其轉子轉速可以在較大范圍內變化。雙反饋風機并網后電機定子頻率與電網一致，轉子通過變頻器與電網相連。

圖2 雙饋感應式風電機組模型

對于大規模風電場則采用等值風電機組的方法集中模擬風電場出力，從同調機群識別、同調母線聚合以及網絡化簡3個方面將1個同調風電機群等值為1個風電機組，然后基于加權法實現風電場模型的同調參數聚合，得出等值風電場的相關靜態參數如下。

(1)

式中，S∑、P∑、T∑分別為風電場等值機組容量、有功出力和慣性時間常數；Si、Pi、Ti分別為風電場第i臺風電機組的容量、有功出力和慣性時間常數。

2 風、火電打捆聯網直流外送實際系統穩定性分析

為了提高大規模風電直流外送系統的穩定性，新疆電網采用風、火電打捆聯網直流外送方案，如圖3所示。該方案將風電和火電構成的送端系統接入電網，可強化對直流系統的支撐能力。

圖3 風、火電打捆聯網直流外送簡化系統

風、火電打捆聯網直流外送的送端由大規模風電場和火電廠構成。在該系統中，風電和火電配置的比例為1:2，即風電場出力為3.6 GW，火電廠實際出力為3.6 GW，備用容量為3.6 GW，通過±800 kV/7.2 GW特高壓直流輸電系統實現電力外送。風電場、火電廠與換流站之間均通過2回長度為100 km的750 kV交流線路連接。

2.1 風電機組類型對交直流系統穩定性的影響

風電大規模集中接入方式耐受系統電壓擾動能力較弱，主要有以下幾個方面的問題：一是低電壓及多次穿越能力；二是高電壓穿越能力；三是故障過程的無功支撐能力。

大規模風電接入系統時，不同類型的風電機組對無功功率的需求不同，而且低電壓穿越的能力也不同，將會直接影響接入系統的穩定性。

這里仿真了固定轉速風電機組以及雙饋風電機組對電網穩定性的影響。根據仿真數據可知，固定轉速的風電機組不具有低電壓穿越能力，在并入電網后母線電壓低于0.85 p.u.，并且持續兩個周期后退出運行；雙饋風電機組具有低電壓穿越能力，對電網穩定性影響較小。如圖4給出了風電場和特高壓直流送端換流站進區750 kV線路發生三相永久短路故障條件下，雙饋風電機組對交直流系統影響的仿真曲線。

圖4 風電機組對交直流系統穩定性影響

風電場附近的線路發生三相永久性短路故障期間，雙饋風電機組具有低電壓穿越能力，能夠躲避故障期間的低電壓繼續并網運行，故障線路切除后，潮流將轉移到其他線路，使得電網電壓在一定程度上有所下降，隨著交流系統電壓的恢復，直流電壓在恢復到0.85 p.u.以上時，直流功率開始恢復。

2.2 直流閉鎖故障對交流系統的影響

直流閉鎖故障直接影響異步聯網，使得送端功率盈余，受端功率缺額；其次就是使得同步聯網100%功率轉移到并聯交流通道上。

隨著特高壓直流外送功率的增大，直流閉鎖故障造成的功率轉移量也隨之增大，從而導致進區通道出現電壓失穩問題，對特高壓直流外送功率構成約束，危及聯網直流的安全穩定運行。

當直流發生閉鎖故障時，導致系統出現暫態過電壓，將有可能導致進區交流通道上的風機大量脫網，進一步惡化事故后穩態過電壓問題。此外，在從系統故障到故障切除過程中出現的風機吸收無功這一特性，將有可能導致進一步惡化系統故障后的電壓穩定問題。

2.3 直流無功控制對交流系統的影響

直流無功控制分為3級：最小濾波器、電壓控制、無功平衡。為保證直流可靠運行，至少投入1～2組濾波器，當直流電壓偏差越限時，相應投切濾波器，當電壓合格時，根據交直流系統無功交換控制濾波器。一般設計送端采用欠補償，受端采用過補償，考慮10%過負荷運行。

還仿真了送端送出約為45%(電壓535 kV)，受端約為60%(電壓510 kV)時直流無功控制，如圖5所示。

由圖5可知，極Ⅰ電流為零時間170 ms，極Ⅱ電流為零時間21 ms。故障后約300 ms過程中，交流電壓最高達到656 kV，直流功率總體缺額較大。

圖5 直流無功控制仿真分析圖

3 結 論

詳細分析了風、火電打捆交直流系統的相互影響，仿真并得出：1)具有低電壓穿越能力的風電機組能躲避故障期間的低電壓繼續并網運行；故障切除后功率會轉移到進區線路，使得系統電壓一定程度的降低。2)直流閉鎖故障會使系統出現暫態過電壓，有可能導致進區交流通道上的風機大量脫網，外加故障過程中風機吸收無功這一特性，會進一步惡化事故后穩態過電壓問題。3)故障時，直流無功控制會使得直流功率缺額總體較大。

根據以上結論還需進一步研究風電和火電的配比關系是否能解決系統的電壓、頻率穩定性問題，以及直流的各種控制策略，找到一種優化的外送方案，最大程度上解決直流接入面臨的電壓、頻率等系統的安全穩定性問題，從而為特高壓直流輸電的投入運行提供參考依據。

[1] 郭小江,申洪,馬士英. 風電機組大規模接入系統后對多點直流外送的影響研究[R].北京：中國電力科學研究院，2009.

[2] 周宏林,楊耕. 大型DFIG風電場的LCC-HVDC并網及控制[J].電力自動化設備，2009,29(7)：8-12.

[3] 姚偉,遲永寧,程時杰，等. 直流輸電技術在海上風電場并網中的應用[J].中國電力，2007,40(10)：70-74.

[4] 汪寧渤. 甘肅酒泉千萬千瓦風電基地面臨的挑戰與應對措施[J].電網與清潔能源，2009,30(7)：43-47.

[5] 肖創英,汪寧渤,丁坤，等. 甘肅酒泉風電功率調節方式的研究[J].中國電機工程學報，2010,30(10)：1-7.