大規(guī)模風火電源打捆的特高壓交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)運行特性分析

鄭博文，楊朋威，任 正，王新宇，竇宇宇，王俊芳，陳財福

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著新能源發(fā)電技術的飛速發(fā)展，我國風、光資源豐富的西北地區(qū)已建成多座大規(guī)模集中接入的新能源發(fā)電基地，而由于我國負荷中心位于“三華”地區(qū)，能源與負荷的逆向分布導致必須采用遠距離、大規(guī)模、集中外送的輸電方式[1-2]。風電出力具有間歇性與波動性特點，無法單獨進行遠距離外送，通過采取風火電源打捆聯(lián)合外送的輸電方式不僅可以解決風電出力的問題，還可以提高輸電通道的利用率，節(jié)約輸電成本，是大型能源基地風電、火電外送的主要方式[3]。“三北”地區(qū)上萬兆瓦級風電基地距負荷中心的平均距離超過2000 km，并且外送規(guī)模大。特高壓直流輸電方式具有輸電成本低、輸電容量大的特點，可以很好地滿足風火電源打捆外送的要求，但是直流輸電無法時刻跟蹤風功率的波動，導致其無法單獨進行大規(guī)模電力外送，因此采用風火電源打捆的交直流聯(lián)合外送方式可以更好地彌補直流調(diào)節(jié)能力差的問題，大幅提高輸電通道和電力系統(tǒng)的運行可靠性[4-5]。

風火電源打捆交直流混聯(lián)外送的輸電方式解決了我國能源與負荷中心逆向分布的問題，不僅能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)能源與可再生能源的跨區(qū)域輸送，而且節(jié)約了輸電成本。但是弱同步支撐的送端電網(wǎng)存在大量風電與火電、直流與交流輸電之間的相互耦合，導致系統(tǒng)的動態(tài)特性十分復雜，因此需要對各種方式下風火電源打捆交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，以及風電與火電的配置比例對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響進行深入研究，制訂相應的控制策略來提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度，對實現(xiàn)我國的能源互聯(lián)戰(zhàn)略及“雙碳”目標有重大意義[6-7]。本文以錫林浩特地區(qū)特高壓交直流輸電工程送端電網(wǎng)為對象，研究大規(guī)模風電集中接入后，交直流系統(tǒng)與風火電源的交互作用以及系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，對合理安排電網(wǎng)運行方式以及促進清潔能源消納具有一定的指導作用。

1 大規(guī)模風火電源打捆特高壓交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)介紹

錫林浩特地區(qū)煤炭和風電資源豐富，開發(fā)條件方便，環(huán)保容量大，適宜大規(guī)模開發(fā)建設能源外送基地。目前以該地區(qū)為送端系統(tǒng)，已建成兩大跨區(qū)輸電工程，即錫林浩特—泰州±800 kV特高壓直流輸電工程及錫林浩特—山東特高壓交流輸電工程，錫林浩特地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結構見圖1。

錫林浩特—山東特高壓交流輸電工程始于勝利特高壓變電站，通過勝錫雙回線、錫廊雙回線、廊河雙回線，經(jīng)過錫林浩特特高壓變電站、廊坊特高壓變電站，止于山東泉城，送電容量9GW，送電距離730 km。錫林浩特—泰州±800 kV特高壓直流輸電工程起于錫林浩特換流站，止于江蘇省泰州換流站，線路總長1627.9 km，額定輸送功率10 GW，并通過勝林三回線接入勝利特高壓變電站，與上述交流輸電工程互聯(lián)。工程建成初期，錫林浩特變電站與勝利變電站均無圖1之外的500 kV網(wǎng)架支撐，屬于典型的長末端薄弱系統(tǒng)。

圖1 錫林浩特地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結構Fig.1 Grid structure of Xilinhot power grid

錫泰直流送端計劃并網(wǎng)7.3GW火電，其中烏蘭電廠與潤青電廠接入錫林浩特換流站，恩和電廠接入勝利變電站500 kV側，哈那電廠、馬都電廠與欣康電廠接入勝利變電站1000 kV側，共計6廠12機。另有7GW風電計劃2020年底投產(chǎn)，以“五站五線”方式接入系統(tǒng)新建的5個500 kV風電匯集站。

結合錫林浩特地區(qū)風火電源打捆特高壓交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)實際情況，本文構建了錫林浩特地區(qū)新能源與常規(guī)火電電源打捆的特高壓交直流混聯(lián)外送典型系統(tǒng)，見圖2。風電投產(chǎn)后，直流輸送功率按5GW以上考慮，風電最大同時率按70%考慮，風電機組采用恒功率因數(shù)控制方式。

圖2 錫林浩特地區(qū)風火電源打捆的特高壓交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)Fig.2 UHV AC/DC hybrid external transmission system for wind and fire power binding in Xilinhot area

2 系統(tǒng)暫態(tài)響應特性分析

2.1 交直流系統(tǒng)與風火電源打捆的交互作用

換流閥或其他設備故障、直流線路故障及附近區(qū)域交流系統(tǒng)故障均可導致直流閉鎖，系統(tǒng)出現(xiàn)大容量有功功率缺額的同時，引起送受端系統(tǒng)頻率和電壓的大幅突變。此外，換流站的交流側發(fā)生金屬性短路故障時，也會引起電壓突變問題，對頻率、電壓突變耐受能力弱且基本不參與調(diào)頻調(diào)壓的新能源來說，容易引發(fā)大規(guī)模脫網(wǎng)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成沖擊[8-10]。

風電機組慣量低，光伏發(fā)電慣量為零，均不參與電網(wǎng)調(diào)頻，大量新能源發(fā)電替代常規(guī)電源后，系統(tǒng)的轉動慣量和頻率調(diào)節(jié)能力大幅度降低，在一些大擾動下頻率會發(fā)生變化，引發(fā)穩(wěn)控裝置及保護動作[11]。如果新能源發(fā)電容量大于常規(guī)電源，因新能源的無功電壓支撐能力比常規(guī)電源弱，近區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性差，直流輸電系統(tǒng)送端交流側母線電壓波動幅度大，易導致直流換相失敗。此外，新能源機組對系統(tǒng)高頻和過電壓的耐受能力差，當系統(tǒng)發(fā)生較大擾動時，新能源機組可能大規(guī)模脫網(wǎng)，導致嚴重的連鎖性故障[12-13]。而且，由于交直流系統(tǒng)間的交互作用，受端交流電網(wǎng)故障導致直流連續(xù)換相失敗，在對受端造成巨大沖擊的同時，也會將沖擊傳遞到送端，造成送端系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2 風火電源打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析方法

風火電源打捆外送系統(tǒng)中，風電機組不存在功角穩(wěn)定問題，但風電的大規(guī)模接入會對同步機組的功角、電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，通?？梢酝ㄟ^等面積法則來分析火電機組的功角穩(wěn)定性。等面積法則是電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析的經(jīng)典方法，既可以用于單機無窮大系統(tǒng)，也可以用于多機系統(tǒng)[14]。同步發(fā)電機組的機械功率、電磁功率、轉子角速度和功角間的關系可用式（1）表示：

式中：ω為轉子角速度；δ為功角；t為時間；Pm為機械功率；Pe為電磁功率；ZX為系統(tǒng)等效電抗；M為發(fā)電機慣性時間常數(shù)；E為發(fā)電機內(nèi)電勢；U為發(fā)電機機端電壓。

圖3為發(fā)電機在不同模態(tài)下的功率特性曲線，同步發(fā)電機組在穩(wěn)態(tài)運行時，功率特性曲線為，當某一輸電線路發(fā)生短路接地故障后，功率特性曲線變?yōu)?，發(fā)電機輸出的電磁功率減小至曲線對應的d點，由于火電機組調(diào)速器尚未動作，原動機機械功率大于電磁功率，轉子開始加速，功角增大。加速運行至c點時故障線路被切除，功率特性曲線變?yōu)镻()3e，進入減速面積區(qū)域，功角繼續(xù)增大，但轉子速度同時開始下降。加速面積表示火電機組加速過程積累的能量，如果減速面積大于加速面積，則發(fā)電機功角經(jīng)過若干次振蕩最終將穩(wěn)定在新的平衡點，否則會運行至e點，轉子角速度偏差仍大于0，繼續(xù)加速，系統(tǒng)發(fā)生功角失穩(wěn)。

圖3 發(fā)電機在不同模態(tài)下的功率特性曲線Fig.3 Power characteristic curve of generator under different modes

由于火電機組和風力發(fā)電機組運行特性的不同，導致了風火電源打捆的特高壓交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)中風火電源基地的等值加速功率在故障發(fā)生后完全由火電機組產(chǎn)生。如果單純考慮系統(tǒng)的等值加速功率，在一定擾動下，風電比例越大系統(tǒng)等值加速功率越小，穩(wěn)定性越好。但是，故障發(fā)生往往伴隨著系統(tǒng)電壓的下降，火電機組相比于風力發(fā)電機組具有更強的無功調(diào)節(jié)能力，能夠發(fā)出更多的無功功率，所以風電比例的增加不利于系統(tǒng)電壓的恢復，而電壓水平過低將導致系統(tǒng)外送水平的下降，加劇故障對系統(tǒng)的破壞[15-16]。因此，當系統(tǒng)電源側發(fā)生故障后，需要綜合考慮風電、火電機組運行特性對系統(tǒng)加速功率、無功平衡情況等的影響。

3 風火電源占比對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的仿真分析

3.1 算例說明

基礎方式為錫林浩特送端12臺火電機組、2臺調(diào)相機全開，5個風電匯集站的風機均投入運行，最大同時率為70%，隆化串補站投入運行。保證直流輸送功率6.5GW，風火電源打捆總出力為8GW，考慮到火電的自動調(diào)節(jié)裝置對系統(tǒng)特性影響較大，火電機組開機數(shù)量不變，通過調(diào)整火電出力及風力發(fā)電機組開機數(shù)量來改變風電機組出力占比，采用電力系統(tǒng)分析軟件包（Power System Analysis Soft?ware Package，PSASP）分析工具，研究不同風電占比情況下系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。本文設定5種典型方式進行仿真分析，風電機組出力占比依次為62.5%、50%、37.5%、25%、12.5%。

3.2 交流故障下功角穩(wěn)定性仿真分析

根據(jù)錫林浩特地區(qū)網(wǎng)架結構的特點，外送線路的穩(wěn)定水平?jīng)Q定了系統(tǒng)的輸電能力，而三相金屬性短路故障在系統(tǒng)中引起的沖擊最嚴重，系統(tǒng)仿真通常在線路上設置三相金屬性短路接地故障，獲得系統(tǒng)的暫態(tài)響應曲線，對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性做直觀分析。交流故障導致的系統(tǒng)電壓下降引起火電機組產(chǎn)生不平衡轉矩，而送端系統(tǒng)中火電機組相互間電氣距離較近，暫態(tài)響應過程中體現(xiàn)出同調(diào)性，振蕩中心一般位于外送線路上。因此在勝錫線路模擬三相金屬性短路故障，持續(xù)時間0.2 s，同時為研究大容量機組跳閘對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，模擬1000 kV哈那電廠1號機故障跳閘，不同風電機組出力占比下發(fā)電機功角仿真曲線見圖4和圖5。

由圖4和圖5可知，風力發(fā)電機組出力占比較少時，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，甚至在短路故障發(fā)生后出現(xiàn)失步現(xiàn)象。當風力發(fā)電機組出力占比達到37.5%后，火電機組功角第一擺接近90°，能夠恢復穩(wěn)定。隨著風力發(fā)電機組出力占比不斷增加，功角搖擺程度逐漸減弱，恢復速度逐漸增大，可認為系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性不斷增強。

圖4 三相金屬短路故障發(fā)電機功角仿真曲線Fig.4 Power angle simulation curve of three?phase metal short circuit fault generator

圖5 跳閘故障后發(fā)電機功角仿真曲線Fig.5 Power angle simulation curve of generator after tripping fault

3.3 直流故障下暫態(tài)電壓升高仿真分析

傳統(tǒng)直流在運行過程中需要消耗大量無功，因此會在換流站裝設大量無功補償裝置。無功補償裝置在直流發(fā)生雙極閉鎖故障時不能及時切除，短時間內(nèi)由于直流閉鎖瞬時下跌，而無功補償設備產(chǎn)生的大量盈余無功功率將會反向沖擊至交流系統(tǒng)，造成嚴重的過電壓問題。對于風火電源打捆特高壓交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)，送端大量的風電機組將受過電壓影響，存在大量風電機組并網(wǎng)點電壓超出耐受范圍，甚至大面積風機無序脫網(wǎng)的風險。

圖6和圖7為不同風電出力占比下錫泰直流雙極閉鎖故障，兩次全壓再啟動故障下?lián)Q流站的母線電壓仿真曲線。母線電壓隨著風電占比的提高，跌落程度明顯減小，始終保持在穩(wěn)定水平，為系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定提供了保障，最終隨著風電占比的提高，系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障后，暫態(tài)穩(wěn)定性得到明顯改善，與交流故障的結論類似。然而風電占比越高，系統(tǒng)暫態(tài)電壓升高就越大，可能成為制約風電外送能力的重要因素。

圖7 錫泰直流全壓再啟動故障母線電壓仿真曲線Fig.7 Voltage simulation curve of DC full voltage restart fault bus

4 結束語

本文針對大規(guī)模風火電源打捆特高壓交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題進行深入研究，以錫林浩特風火電源打捆特高壓交直流外送系統(tǒng)為例，仿真分析了不同風電占比情況下系統(tǒng)發(fā)生交流短路故障、直流閉鎖故障時的暫態(tài)穩(wěn)定特性。結果表明，在典型交直流故障作用下，風電機組的功率、電壓快速恢復特性能夠改善火電機組的功角穩(wěn)定性，風電占比的提高將極大削減火電機組注入系統(tǒng)的暫態(tài)加速能量，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。需要指出的是，隨著風電占比的增加，系統(tǒng)的暫態(tài)電壓升高也大幅增大，因此，風火電源運行方式的安排還應結合系統(tǒng)運行方式、風電機組無功控制方式、系統(tǒng)網(wǎng)架結構等因素進行進一步的深入分析。