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

李冬梅

摘 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展與進(jìn)步，開(kāi)辟新能源成為當(dāng)前需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。本文主要從頻率調(diào)節(jié)、無(wú)功電壓控制及次同步振蕩機(jī)理與抑制技術(shù)這三個(gè)方面對(duì)運(yùn)行控制技術(shù)進(jìn)行綜述，并針對(duì)新能源大規(guī)模發(fā)展過(guò)程中的一些盲點(diǎn)提出亟待研究的內(nèi)容，對(duì)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(wú)功電壓控制;次同步振蕩

中圖分類號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yùn)用的典型代表，已被國(guó)內(nèi)外的研究所認(rèn)可。在我國(guó)，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電已經(jīng)取得了巨大的運(yùn)用成果，我國(guó)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(yùn)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(yùn)用新能源的主力軍和先鋒?！叭薄钡貐^(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(guó)中東部地區(qū)由于自身發(fā)展速度較快，因此，對(duì)能源的需求量也高于“三北”地區(qū)。新能源的大規(guī)模運(yùn)用不僅是解決該地區(qū)能源負(fù)荷地區(qū)問(wèn)題的一項(xiàng)福利，更為“三北”地區(qū)借勢(shì)發(fā)展提供了契機(jī)?；セ莼ペA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(shí)也能更大程度上解決我國(guó)能源供不應(yīng)求、地區(qū)發(fā)展不平衡的問(wèn)題，新能源在眾多認(rèn)可的支撐下發(fā)展也更加迅速。

1 運(yùn)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(lái)說(shuō)，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(diǎn)能較好地對(duì)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(guò)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(diǎn)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(wèn)題，從而避免安全隱患的遺留，減少發(fā)電過(guò)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(guò)程中掌握著主動(dòng)權(quán)。新能源機(jī)組具有快速調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，如果新能源機(jī)組能積極參與到電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過(guò)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(wú)功電壓控制技術(shù)

1.2.1 新能源無(wú)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(duì)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(yùn)用時(shí)存在一些亟待改善之處，并不代表新能源接入電網(wǎng)絕對(duì)不可行。對(duì)之前出現(xiàn)的事故進(jìn)行詳細(xì)分析，便會(huì)發(fā)現(xiàn)事故出現(xiàn)的一個(gè)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(chǎng)無(wú)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(jiàn)，新能源無(wú)功電壓調(diào)節(jié)在電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行和有序調(diào)節(jié)過(guò)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(jì)者要在新能源無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)上下功夫。

1.2.2 直流系統(tǒng)無(wú)功電壓調(diào)節(jié)。運(yùn)用直流系統(tǒng)進(jìn)行輸電的情況下，無(wú)論是哪個(gè)環(huán)節(jié)，都需要消耗無(wú)功來(lái)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(dòng)仍然會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成或大或小的影響。直流系統(tǒng)中的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較多突破，比如，靜止無(wú)功補(bǔ)償器是在常規(guī)無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)電壓的問(wèn)題，直流系統(tǒng)無(wú)功電壓調(diào)節(jié)工作的完成是各設(shè)備單獨(dú)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(guó)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(guó)發(fā)生的這場(chǎng)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(guò)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(jì)，而雙饋型風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械性占比更多，機(jī)械對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)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(duì)事故出現(xiàn)的薄弱點(diǎn)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(gè)問(wèn)題：第一，考慮跳閘問(wèn)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(shí)有的風(fēng)電機(jī)組會(huì)跳閘，但有的不會(huì)，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(duì)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(diǎn)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(cè)試時(shí)，應(yīng)如何模擬出強(qiáng)度、波動(dòng)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(guó)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(shì)。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(yùn)輸過(guò)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(duì)新能源自身的特點(diǎn)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(dòng)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(shí)，發(fā)電功率提升，但過(guò)大的功率會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)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(huì)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(wú)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(yùn)用的發(fā)展重點(diǎn)和焦點(diǎn)。

2.2 無(wú)功電壓控制技術(shù)

無(wú)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(gè)方面。新能源無(wú)功/電壓是一項(xiàng)最具有指導(dǎo)意義的因素，在無(wú)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(lái)發(fā)電的，但在電源匹配情況上仍有所差別。針對(duì)新能源與常規(guī)能源的匹配差異性，在對(duì)無(wú)功電壓控制技術(shù)進(jìn)行完善時(shí)，就要著重考慮兩者的差異，從而找準(zhǔn)兩者的特點(diǎn)再進(jìn)行逐個(gè)突破[4]。除此之外，直流系統(tǒng)中無(wú)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(dòng)力。直流交換站可以對(duì)能源進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，并能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用過(guò)程中的高低壓進(jìn)行界定。通過(guò)直流系統(tǒng)中的能源轉(zhuǎn)換能將波動(dòng)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(lái)應(yīng)對(duì)壓力變化。

2.3 次同步振動(dòng)機(jī)理與抑制技術(shù)

次同步振動(dòng)機(jī)理設(shè)計(jì)方面應(yīng)該更加趨于簡(jiǎn)化，越是簡(jiǎn)單的機(jī)理越便于操作。當(dāng)機(jī)理方面出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，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(dòng)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(yùn)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(guò)程中，要對(duì)變電設(shè)備和換電設(shè)備加以完善，只有保障好每個(gè)環(huán)節(jié)中每個(gè)硬件的性能，才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離交流和直流的混合和交換。

3 結(jié)語(yǔ)

新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)不僅是一個(gè)為人民謀福利的工程，更是緩解我國(guó)能源供不應(yīng)求、分布不平衡的一項(xiàng)重要舉措。新能源是時(shí)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(guò)程中仍然存在一些亟待克服的問(wèn)題，新能源的不斷完善和自我突破才是開(kāi)辟?gòu)V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(wú)功電壓控制和次同步振動(dòng)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(yùn)用的發(fā)展道路上，這三方面也是主要突破點(diǎn)。

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