緩解弱送端電網(wǎng)特高壓直流電壓問題的控制措施研究

摘要：受我國能源資源與負荷中心呈現(xiàn)出逆向分布的自然稟賦制約，“風火打捆”特高壓直流遠距離大容量輸電已成為西北電網(wǎng)外送電力的主要途徑。為提高“風火打捆”特高壓直流輸送新能源能力，減少棄風，除強化送端電網(wǎng)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外，亟需協(xié)調(diào)提高源網(wǎng)控制能力?，F(xiàn)首先闡述由于電壓問題約束“風火打捆”特高壓直流輸送新能源能力的關(guān)鍵因素，在此基礎(chǔ)上分析了投電抗和可控高抗、加裝調(diào)相機以及提高源網(wǎng)設(shè)備涉網(wǎng)能力等措施的改善效果，提出了一種基于事件和響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過電壓控制方法。最后，結(jié)合天中特高壓直流進行了算例驗證。

關(guān)鍵詞：特高壓直流;源網(wǎng)協(xié)調(diào);穩(wěn)態(tài)過電壓;可控高抗;調(diào)相機

0? ? 引言

西北是我國千萬千瓦級風電、百萬千瓦級光電新能源并網(wǎng)示范基地[1]，截至2016年末，風電裝機4 378萬kW，光伏3 036萬kW，占總裝機容量的比例分別達20%、14%，其中風電已成為網(wǎng)內(nèi)僅次于火電的第二大電源，但限于本地消納能力和電網(wǎng)調(diào)節(jié)適應(yīng)能力，新能源受限問題仍很突出，導(dǎo)致被動棄風棄光。因此，優(yōu)化跨區(qū)跨省交易機制、增強緩解新能源受電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束的電網(wǎng)運行控制能力成為亟待解決的困難和問題。高壓直流輸電以其輸電距離遠、輸送容量大、適合大區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的獨特優(yōu)勢成為實現(xiàn)我國能源大規(guī)模、大范圍配置的有效輸電方式[2-6]。大容量直流故障突然閉鎖交流濾波器切除前將導(dǎo)致?lián)Q流站過剩無功倒送交流系統(tǒng)，引起暫態(tài)電壓大幅升高，對近區(qū)風電形成短時性沖擊，可能導(dǎo)致大規(guī)模風電脫網(wǎng)[7-9]，而閉鎖后大量的有功沖擊將造成近區(qū)潮流輕載甚至反轉(zhuǎn)，帶來持續(xù)性的穩(wěn)態(tài)過電壓[10-11]，威脅設(shè)備安全。

本文結(jié)合天中典型“風火打捆”特高壓直流及新疆哈密風電并網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)架特點，著重從電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面，闡述了“風火打捆”特高壓直流外送能力受限的因素，研究分析了包括投電抗器和可控高抗、加裝調(diào)相機以及提高源網(wǎng)設(shè)備涉網(wǎng)能力等措施的改善效果，提出了一種基于事件和響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過電壓控制方法，并進行了算例驗證。

1? ? 網(wǎng)架概況

天中直流是疆電外送第一條特高壓直流輸電工程，也是我國第一個“風火打捆”直流送出工程，額定輸送能力800萬kW，共布置16組交流濾波器，總無功補償容量3 575 Mvar，近區(qū)750 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，目前，配套電源8臺機組，750 kV主網(wǎng)通過4臺聯(lián)變向直流供電，提高聯(lián)變下網(wǎng)能力有助于提高哈密和煙墩地區(qū)風電接納能力。

2? ? 影響天中直流接納主網(wǎng)電力的因素

2.1? ? 暫態(tài)過電壓問題

天中直流閉鎖、換相失敗及再啟動大擾動下暫態(tài)過程中有功大幅下降，在不切除濾波器前大量的無功沖擊將導(dǎo)致近區(qū)風電機端電壓大幅升高，受風機耐高壓能力影響，易導(dǎo)致大規(guī)模風機脫網(wǎng)，從而造成系統(tǒng)低頻等聯(lián)鎖反應(yīng)，成為約束天中直流能力的關(guān)鍵問題之一，其中換相失敗故障導(dǎo)致的風機機端壓升最高，如圖2所示，成為該問題的關(guān)鍵約束故障，且直流功率越大，故障后風機暫態(tài)壓升越明顯，如表1所示。

2.2? ? 穩(wěn)態(tài)過電壓問題

目前，天中直流送端天山換流站500 kV母線電壓穩(wěn)態(tài)最高電壓不高于550 kV。考慮天中直流雙極閉鎖故障，安控裝置將切除近區(qū)大量機組，導(dǎo)致近區(qū)潮流輕載，電壓升高，易導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)過電壓問題，如圖3所示。且隨著聯(lián)變下網(wǎng)功率增加，故障后天山換500 kV母線壓升也在增加，如表2所示，該問題已成為制約聯(lián)變下網(wǎng)能力的關(guān)鍵問題。

3? ? 源網(wǎng)措施及效果評估

鑒于以上故障后的兩方面問題，可分別從預(yù)防和緊急控制兩方面進行考慮。針對直流故障后的風機暫態(tài)過電壓，為保證盡可能高的直流外送能力，根本有效的措施是提高風機耐高電壓穿越能力。而針對直流閉鎖故障后的穩(wěn)態(tài)過電壓問題，為保證盡可能多地送哈密和煙墩地區(qū)清潔能源，提高聯(lián)變下網(wǎng)能力，可選擇采取事故后投電抗、投可控高抗及事故前加裝調(diào)相機等措施。

表3為以上措施抑制天中直流閉鎖故障后穩(wěn)態(tài)過電壓的效果。

通過事故前預(yù)留感性無功補償，事故后快速投入的方法，可以有效緩解事故后的穩(wěn)態(tài)過電壓問題。不同措施及其安裝地點對事故后穩(wěn)態(tài)過電壓的抑制效果不同，需通過量化評估確定如何更加有效地進行措施預(yù)留。

工程上常用以下公式評價同一母線上的無功補償對電壓變化的影響：

式中，ΔQ為投入的無功補償?shù)娜萘?S為投入點的短路容量;ΔU為對應(yīng)的電壓變化相對值。

為評估不同電壓等級、不同變電站無功補償容量投入對天山站電壓變化的影響，需對公式（1）進行改進，引入靈敏度系數(shù)K進行評價，K通過不同接入點、不同變電站至所控制母線的電氣距離確定。

式中，ΔQi為i點投入的無功補償?shù)娜萘?S為受控制點的短路容量;Ki為通過無功補償投入點對電壓受控制點的電氣距離折算出的靈敏度系數(shù);ΔUi為受控制點的電壓變化相對值。

上述公式可用于工程上快速評估分析，得出表3在不同地點預(yù)留同樣的感性無功容量對穩(wěn)態(tài)過電壓控制的效果排序，且與仿真計算的結(jié)論基本一致。

4? ? 基于事件和響應(yīng)的過電壓控制方法

考慮到電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、直流配套電源開機、近區(qū)斷面潮流、事故前運行電壓等因素均會影響事故后電壓變化情況和穩(wěn)態(tài)過電壓控制時間上充裕性，可通過事件疊加事故后電壓響應(yīng)作為控制投切低抗、可控高抗等判據(jù)進行措施的分輪次投入，直至消除事故后的過電壓，不致控制措施誤動。圖4為本方法的控制流程圖。

5? ? 算例

本文以某典型方式下天中直流為例進行分析，天中直流輸電功率650萬kW，聯(lián)變下網(wǎng)440萬kW，配套8臺機組，分別為花園電廠4臺機組、綠洲電廠2臺機組、南湖電廠2臺機組，分別出力26.4萬kW，模擬控制措施包括投天山換低抗兩組，共計240 Mvar、天山換500 kV投可控高抗320 Mvar，事故后控制目標電壓545 kV。通過靈敏度分析，分別投120 Mvar低抗和可控高抗可知，后者的過電壓抑制效果更好一些，如圖5所示。

通過仿真分析可知，事故后投入可控高抗和兩組天山換低抗可將天山換525 kV母線電壓控制在目標值以下，如圖6所示。

6? ? 結(jié)語

隨著我國送端電網(wǎng)越來越多特高壓直流的建設(shè)和風光清潔能源的并網(wǎng)，電網(wǎng)運行特性更加復(fù)雜，限制直流能力的因素更多，需統(tǒng)籌協(xié)調(diào)更多的電網(wǎng)可控資源，提高電網(wǎng)運行調(diào)控能力，促進清潔能源的長距離、遠距離消納。

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收稿日期：2019-12-17

作者簡介：霍超（1982—），男，河北廣宗人，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行與控制。