大規(guī)模風電并網(wǎng)與直流運行交互影響仿真分析

蒙金有，李宏強，薛曉輝，高 峰，張 爽

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001；

2.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011；

3.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

新能源發(fā)電技術(shù)

大規(guī)模風電并網(wǎng)與直流運行交互影響仿真分析

蒙金有1，李宏強2，薛曉輝3，高 峰2，張 爽2

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001；

2.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011；

3.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

為了研究大規(guī)模風電集中接入，高比例風火、電打捆外送給交直流混合電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來的風險，通過建立典型風、火電打捆交直流外送系統(tǒng)模型，從風機無功控制模式，風電場動態(tài)無功補償，風、火電打捆比例以及直流閉鎖故障等方面仿真分析了交直流混合電網(wǎng)中風電與直流運行的交互影響。仿真結(jié)果表明：風、火電打捆外送的交直流混合電網(wǎng)需要配備一定比例的常規(guī)電源，常規(guī)電源的強慣量和優(yōu)良的無功電壓支撐能較好地支持新能源發(fā)電并網(wǎng)運行，有利于降低電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的波動，減緩新能源發(fā)電波動性對電網(wǎng)直流運行的影響，提升電網(wǎng)直流運行的可靠性。

新能源并網(wǎng)；交直流電網(wǎng)；交互影響；風火電比例

隨著新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，我國風、光新能源資源豐富的西北地區(qū)已建成多座大規(guī)模集中接入的風、光能源基地，但是我國負荷中心位于“三華”地區(qū)，需要采取以新能源通過特高壓直流遠距離輸送至負荷中心消納為主，以大規(guī)模分散接入、就近接入、就地消納為輔的消納方式。

10 GW級的風、光混合能源基地分布相對較近，且通過基于傳統(tǒng)晶閘管換流技術(shù)特高壓大容量直流送出，大規(guī)模風、光新能源與直流運行將相互作用、影響給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了風險，因此研究大規(guī)模風電并網(wǎng)與直流運行交互影響具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀及問題

目前針對風電并網(wǎng)與直流之間的影響已有了一些相關研究，文獻［1-2］研究了風、火打捆直流外送型電網(wǎng)對電網(wǎng)的暫態(tài)特性的影響，文獻［3-4］研究了特高壓直流故障對風電場的影響，文獻［5］研究了風電場風速變化、風電場故障等對直流系統(tǒng)的影響。

以上研究只是著重分析了直流系統(tǒng)本身對電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響以及風速變化、風電場故障對直流系統(tǒng)的影響，然而依然有以下問題需要更進一步研究：

（1）風功率波動時，不同風機控制模式對直流運行的影響。

（2）風功率波動時，風電場動態(tài)無功補償裝置對直流運行的影響。

（3）直流送端系統(tǒng)，不同風、火電配置比例對電網(wǎng)直流運行的影響。

（4）直流閉鎖故障引起的大規(guī)模功率回退，對風電場風機并網(wǎng)運行的影響。

針對以上這些問題，本文以某一典型風、火電打捆直流外送系統(tǒng)為例，利用電力系統(tǒng)分析綜合程 序（Power system analysis software package, PSASP）建立該典型系統(tǒng)仿真模型，仿真分析了風機控制模型、風電場動態(tài)無功補償裝置、火電、風電比例對直流的影響和直流閉鎖后對風機的影響。

2 風電與直流運行交互影響仿真分析

2.1 風火打捆交直流外送系統(tǒng)及建模

2.1.1 風火打捆交直流外送系統(tǒng)

結(jié)合西北地區(qū)風火打捆直流外送實際情況，本文建構(gòu)了光新能源與常規(guī)火電打捆交直流外送的典型系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 風火打捆交直流外送典型系統(tǒng)

圖1所示的典型系統(tǒng)風電總裝機13 GW，機組類型均為雙饋感應風電機組，配套火電機組裝機容量11.4 GW，風、火電通過交直流線路送出，其中直流額定輸送容量為8 GW。

2.1.2 風電機組模型

變速雙饋風力發(fā)電機是目前應用比較廣泛的風機類型，本文采用PSASP中的雙饋風機模型，它主要包括風功率轉(zhuǎn)換模型、轉(zhuǎn)子機械部分模型、雙饋風電機組模型、變流器控制模型、故障期間控制模型及槳距角控制系統(tǒng)模型等，模型總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中參數(shù)含義詳見文獻［6］。

圖2 PSASP雙饋風機模型總體結(jié)構(gòu)

2.1.3 直流模型

直流模型采用PSASP程序提供的5型準穩(wěn)態(tài)直流模型，其控制主要包括電流控制、電壓控制、最小觸發(fā)角控制，γ角控制等，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中參數(shù)含義詳見文獻［6］。

圖3 PSASP程序5型直流模型控制框架

2.2 風機控制模式對直流系統(tǒng)的影響

目前風機控制模式可分為單位功率因數(shù)控制和無功電壓控制。若按照風電機組恒功率因數(shù)為1的控制模式，即風電機組與系統(tǒng)之間的無功支撐較弱，若風功率波動引起風電機組無功缺乏，由于其不從系統(tǒng)吸收或發(fā)出無功，會引起風機側(cè)電壓的變化；對于近電氣距離大規(guī)模風電直流系統(tǒng)來說，風電與直流近距離耦合，由于風功率波動，會影響到直流系統(tǒng)的交流換流母線電壓，交流換流母線電壓變化后，對直流系統(tǒng)可靠運行會產(chǎn)生影響。若風電機組采取定電壓控制，其相應的無功電壓性能則比恒功率因數(shù)控制要好。

基于圖1所示的某風、火電打捆直流外送系統(tǒng)對風機2種控制模式下分別進行仿真分析，比較得出相同風功率波動下，風電機組不同控制模式對直流系統(tǒng)的影響。

仿真中對風機設置漸進風擾動，初始風速為9.1 m/s，漸進風擾動啟動時刻為5 s，終止時刻為15 s，保持時間是40 s，增加最大值是1.5 m/s，模擬風電出力迅速提高至最大值。風速變化曲線如圖4所示。

圖4 風速擾動曲線

風速快速變化時，風機在不同控制模式下，風機機端電壓、風機無功功率、換流站母線電壓以及直流線功率變化情況如圖5至圖8所示。

圖5 風電機組機端電壓變化曲線

圖6 單臺風機無功功率變化曲線

圖7 直流換流母線電壓變化曲線

從圖5至圖8可以看出，當風機采取單位功率因數(shù)控制，隨著風速的大幅上升，風機有功出力逐漸增大，拉低系統(tǒng)電壓。由于單位功率因數(shù)風電機組無功電壓的弱支撐，風機無法保持其機端電壓為恒定值，機端電壓隨之降低（圖5）。風電機端電壓的下降，進一步導致?lián)Q流母線電壓的降低（圖7）。按照直流系統(tǒng)自身控制模式，隨著換流母線電壓下降，直流為了保證可靠送出，降低觸發(fā)滯后角來保證整流側(cè)直流電壓穩(wěn)定，直至觸發(fā)滯后角降至最小后，直流整流側(cè)切換至定最小觸發(fā)滯后角（αmin）控制，隨著換流母線電壓的進一步降低，整流側(cè)電壓降低，直流送出功率Pd也隨著下降（圖8）。

相對于單位功率因數(shù)控制而言，風電機組定電壓控制可以為系統(tǒng)提供更多的動態(tài)無功支撐（圖6），改善了風速增加后系統(tǒng)的無功電壓特性，換流母線電壓下降程度要小于定功率因數(shù)控制。隨著換流母線電壓的降低。整流側(cè)觸發(fā)滯后角α也會下降，但是未跌至αmin，整流側(cè)電壓保持不變，直流維持額定輸電功率不變，能夠可靠送出。

2.3 風電場側(cè)動態(tài)無功補償對直流系統(tǒng)的影響

按照文獻［7］中的規(guī)定，在風電場配置了一定容量的動態(tài)無功補償，動態(tài)無功補償容性容量等于感性容量，為風電場裝機容量的20%。

在圖4所示的相同風速擾動下，仿真分析了風電場有無配置靜態(tài)無功補償裝置2種情況下對直流送出的影響，風功率波動期間，風電場側(cè)母線電壓、直流換流站母線電壓、直流功率變化情況如圖9至圖11所示。

圖9 風場側(cè)母線電壓變化曲線

圖10 直流換流母線電壓變化曲線

圖11 直流有功功率變化曲線

在風場側(cè)不安裝靜態(tài)無功補償裝置（Static Var Compensator，SVC）時，若發(fā)生風功率波動，隨著風速的大幅上升，風機有功出力逐漸增大，由于無功補償不足，風場側(cè)機端電壓迅速降低，換流母線電壓也隨之下降，此時直流系統(tǒng)降低觸發(fā)滯后角α來保證維持整流側(cè)電壓保持不變。當觸發(fā)滯后角降低至最小αmin時，直流整流側(cè)切換至定αmin控制，隨著換流母線電壓Uc的進一步降低，整流側(cè)電壓降低，直流送出功率Pd也隨之下降。

風場側(cè)安裝SVC后，隨著風速的上升，風電機組出力增大，為了維持風機機端電壓的恒定，SVC將發(fā)出部分無功功率。但由于系統(tǒng)無功補償不足，換流母線電壓仍會降低，隨后SVC在發(fā)出無功功率繼續(xù)增大，為直流母線電壓的快速恢復提供了有利的條件。此時觸發(fā)滯后角也跌至最小觸發(fā)角，但整流側(cè)電壓沒有變化，直流系統(tǒng)維持輸電功率不變，能夠可靠送出。

2.4 風、火電不同比例對直流系統(tǒng)的影響

對圖1所示的系統(tǒng)，調(diào)整5種不同風、火電比例方式，分析風、火電不同比例對直流系統(tǒng)的影響。5種方式風、火電出力大小及比例如表1所示。

表1 不同風、火電比例的5種方式

在5種方式下，施加一定的風速擾動，保證一定的風功率波動量，風機控制無功控制模式統(tǒng)一采用恒功率因數(shù)控制，風功率波動引起的換流母線電壓和直流功率變化情況如表2及圖12、圖13所示。

表2 不同風、火電比例下輸送容量波動

圖12 5種方式下直流母線電壓變化曲線

圖13 5種方式下直流功率變化曲線

由表2及圖12、圖13可以看出，在風功率波動總量保持一定的前提下，風、火電新能源基地中火電出力所占比重越大，火電機組能夠提供的無功功率也隨之變大，在風功率快速增大時向電網(wǎng)注入無功，抑制直流換流母線電壓的跌落，保證直流正常運行；反之，火電比例減小時，由于風電機組無功支撐較弱，不能保證換流站母線電壓在正常范圍內(nèi)，導致直流功率下降。

2.5 直流閉鎖故障對風電并網(wǎng)可靠性影響

調(diào)整圖1所示的典型系統(tǒng)為交流受電方式，受電功率約為6 GW，風電總出力為1.9 GW，風機機組采用單位功率因數(shù)控制，直流輸送功率8 GW，仿真過程為：在0 s時設置直流線路單極閉鎖，0.02 s后切除一半容量的濾波器。仿真結(jié)果如圖14-圖17所示。

圖14 風機機端電壓變化曲線

圖15 交流線路有功功率變化曲線

圖16 換流母線電壓變化曲線

圖17 脫網(wǎng)風電機組有功功率變化曲線

由圖14-圖17可知，在直流單級閉鎖故障后，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，但閉鎖后有4 GW的冗余功率將通過交流線路送出，交流外送通道單回線路輸送容量從外送3 GW迅速下降至1 GW，使得系統(tǒng)主網(wǎng)電壓迅速升高，風場側(cè)機端電壓也隨之上升，達到風機規(guī)定的高壓穿越的閾值和持續(xù)時間，風機從主網(wǎng)切除。

3 仿真結(jié)果評價

風機控制模式、風電場動態(tài)無功補償、風、火電配置比例都會影響直流送出的可靠性，而直流閉鎖又會影響風電并網(wǎng)的可靠性。

（1）風功率波動引起直流母線電壓波動時，風電機組采用功率因數(shù)控制時，風電機組無功支撐弱，導致風機機端電壓降低，進而導致?lián)Q流站母線電壓降低，直流功率也隨之降低，而風機采用定電壓控制可以為系統(tǒng)提供一定的無功支撐，改善直流母線電壓特性，直流可以可靠送出。

（2）風電場安裝動態(tài)無功補償裝置SVC后，風電機組出力增大時，為了維持風機機端電壓的恒定，SVC將發(fā)出部分無功功率，為直流母線電壓的快速恢復提供了有利的條件，保證了直流系統(tǒng)維持輸電功率不變，能夠可靠送出。

（3）風、火電新能源基地中火電出力所占比重越大，火電機組能夠提供的無功功率也隨之變大，在風功率快速增大時可向電網(wǎng)注入無功，抑制直流換流母線電壓的跌落，保證直流正常運行；反之，火電比例越小，由于風電機組無功支撐較弱，不能保證換流站母線電壓在正常范圍內(nèi)，會導致直流功率下降。

（4）直流閉鎖后系統(tǒng)大量功率盈余，導致系統(tǒng)母線電壓迅速上升，風機機端電壓也上升，達到風機高壓穿越閾值，引起大規(guī)模風機脫網(wǎng)。

4 結(jié)論

（1）新能源波動變化影響到新能源接入及送出區(qū)域的無功電壓，進而影響到直流系統(tǒng)交流換流母線電壓，交流換流母線電壓波動降低到一定程度，會導致直流系統(tǒng)外送功率發(fā)生波動，影響到直流系統(tǒng)的可靠運行。

（2）風電場風機如果具有恒電壓控制模式，或者新能源場站配置足夠容量，且性能合乎標準的動態(tài)無功補償，在新能源發(fā)電并網(wǎng)無功電壓波動期間，新能源可提供較好的動態(tài)支撐，有利于降低系統(tǒng)電壓的波動，進而減緩了新能源波動對直流運行的影響。

（3）風、火電打捆需要配備一定比例的常規(guī)電源，常規(guī)電源的強慣量、優(yōu)良的無功電壓支撐能較好地支撐波動性的新能源運行，使得風火的有功、無功能平滑運行，增強送端電網(wǎng)安全性，提升了直流運行的可靠性。

（4）直流系統(tǒng)閉鎖后，較大的能量對送端電網(wǎng)構(gòu)成沖擊，通道母線電壓會出現(xiàn)較大的提升，新能源易發(fā)生規(guī)?；母邏好摼W(wǎng)風險，因此，需要在電網(wǎng)側(cè)強化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在新能源側(cè)提高新能源抗高壓脫網(wǎng)能力。

［1］ 郭小江，趙麗莉，湯奕，等.風火打捆交直流外送系統(tǒng)功角暫態(tài)穩(wěn)定研究[J].中國電機工程學報，2013，33（22）：19-25.

［2］ 李生福，張愛玲，李少華，等.風火打捆交直流外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（1）：108-114.

［3］ 王衡，姚秀萍，常喜強，等.特高壓直流故障對風電場送出可靠性的影響及改進措施[J].電工電氣，2014（5）：29-33.

［4］ 屠競哲，張健，劉明松，等.風火打捆直流外送系統(tǒng)直流故障引發(fā)風機脫網(wǎng)問題研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（12）：3333-3338.

［5］ 張新燕，孟瑞龍，梅生偉，等.含大規(guī)模風電送端系統(tǒng)對直流系統(tǒng)的影響[J].高電壓技術(shù)，2015，41（3）：730-738.

［6］ 電力系統(tǒng)綜合分析程序使用手冊[R].中國電力科學研究院.

［7］ GB/T 19963—2011，風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].

Simulation analysis on interaction of large scale wind power integration and DC operation in power grid

MENG Jinyou1,LI Hongqiang2,XUE Xiaohui3,GAO Feng2,ZHANG Shuang2
(1.Dispatching&Control Center of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750001,China;
2.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China;
3.State Grid Beijing Power Company,Beijing 100031,China)

In order to research the large scale wind power centralized access,high proportion wind power and thermal power blending transmission bring the steady operation risk for AC/DC hybrid power grid,establishes representative wind power and thermal power blending,AC/DC hybrid transmission system model,analyzes the interaction of wind power and DC operation of AC/DC hybrid power grid,from reactive power control mode of wind generator,dynamic reactive power compensation of the wind farm,proportion of wind power and thermal power and DC blocking failures.The simulation result shows that wind power and thermal power blending transmission needs a percentage of regular power source.The strong inertia of the regular power source and fine reactive power can support volatility of new energy integration operation.It is beneficial to reduce the voltage fluctuation of power grid system,alleviates the impact of new energy power generation fluctuation for power grid DC operation and promotes the DC operation reliability of power grid.

new energy integration;AC/DC power grid;interaction;proportion of wind power and thermal power

TM74

A

1672-3643（2017）01-0048-06

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.010

2016-10-11

蒙金有（1971），男，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行控制與管理。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.010