海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)技術(shù)標準對比分析

余 浩, 張哲萌, 彭 穗, 張志強, 任萬鑫, 黎燦兵

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電網(wǎng)規(guī)劃研究中心， 廣州 510080；2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

“碳達峰、碳中和”目標的提出，表明了我國堅持綠色低碳發(fā)展的戰(zhàn)略目標和積極應(yīng)對氣候變化的責(zé)任[1-2].近年來，我國電力系統(tǒng)正朝著以新能源為主體的低碳電力系統(tǒng)快速發(fā)展.而海上風(fēng)力發(fā)電具有對環(huán)境負面影響較少、風(fēng)速較為穩(wěn)定、發(fā)電量大、空間廣闊、允許風(fēng)機機組大型化等優(yōu)勢[3].但是與陸上風(fēng)電場相比，其建設(shè)、安裝及電力輸送的技術(shù)難度較大，成本較高.我國海岸線狹長，海上風(fēng)力資源豐富，開發(fā)利用海上風(fēng)力資源具有重要的現(xiàn)實意義[4].2019年9月，中國工程院正式啟動“海上風(fēng)電支撐我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目，旨在從戰(zhàn)略高度上明確我國海上風(fēng)電的發(fā)展戰(zhàn)略，從實踐層面上策劃了我國海上風(fēng)電的發(fā)展路徑，并為海上風(fēng)電的高質(zhì)量發(fā)展提供了指導(dǎo)建議.目前，海上風(fēng)電場可選的并網(wǎng)方式有：高壓交流輸電、柔性直流輸電(VSC-HVDC)、混合直流輸電、分頻輸電等方式[5].國內(nèi)實際建設(shè)和投運的海上風(fēng)電并網(wǎng)工程主要采用前兩種方案.對于高壓交流輸電方式，由于交流海纜電容效應(yīng)的存在，電能損耗隨傳輸距離的增大而增加，建設(shè)規(guī)模在400 MW下、離岸距離在50 km內(nèi)的風(fēng)電場多采用此類方案[6].采用柔性直流輸電方式的優(yōu)勢在于能夠獨立調(diào)控有功和無功功率、不受輸送距離制約、具有較強的故障穿越能力[7]，是目前大規(guī)模、遠距離海上風(fēng)電場接入陸上電網(wǎng)的主要方式[8].由于海上風(fēng)電相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，近海風(fēng)力的開發(fā)將逐漸趨于飽和，隨著國內(nèi)外遠海風(fēng)電項目的規(guī)劃和建設(shè)，大規(guī)模海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)方式將被廣泛采用[9].采用直流輸電方式使得海上交流系統(tǒng)與陸上電網(wǎng)隔離，大量電力電子設(shè)備的應(yīng)用會降低電力系統(tǒng)慣量[10]，同時風(fēng)力發(fā)電具有波動性、弱支撐性，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)[11-12].為此，亟需制定相應(yīng)的并網(wǎng)技術(shù)標準，規(guī)范海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的技術(shù)要求，保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行.

本文選取國內(nèi)外多個標準對海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)要求進行對比研究.對一般性要求、功率控制和低電壓穿越要求等方面進行對比，分析海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)標準的發(fā)展趨勢.在此基礎(chǔ)上，對我國海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)標準的制訂提供合理建議.

1 國內(nèi)外海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)標準

1.1 歐盟(EU)標準2016/1447

2014年，歐洲輸電運營商聯(lián)盟ENTSO-E制定了高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)與直流系統(tǒng)相連的非同步發(fā)電(DC-C PPM)系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范草案140430-NC，在此基礎(chǔ)上，歐盟標準委員會在2016年8月出臺了歐盟標準2016/1447.在該項標準中，規(guī)定了HVDC與DC-C PPM的并網(wǎng)要求，適用于海上風(fēng)電場經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)的場景.其主要適用范圍包括：海上風(fēng)電經(jīng)柔直并網(wǎng)，跨國、區(qū)域電網(wǎng)海上直流互聯(lián)，區(qū)域電網(wǎng)背靠背互聯(lián)，采用直流輸電系統(tǒng)為海島供電.其主要內(nèi)容包括：對高壓直流并網(wǎng)要求(逆變站)，對連接高壓直流輸電的非同步發(fā)電系統(tǒng)(針對海上風(fēng)電)要求，以及對高壓直流整流站的要求.

1.2 國際組織標準

目前，國際上已經(jīng)出臺了較多的風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)標準和直流輸電技術(shù)標準[13-15]，如IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1899-2017標準，IEEE guide for establishing basic requirements for high-voltage direct-current transmission protection and control equipment，德國VDE-AR-N 4120標準，Technical requirements for the connection and operation of customer installations to the high voltage network等，但是針對海上風(fēng)電場經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)技術(shù)要求，IEEE、IEC(International Electrotechnical Commission) 等國際組織均未出臺相關(guān)標準.歐洲電網(wǎng)運營商先后在該標準的基礎(chǔ)上制訂了各自的企業(yè)標準，如英國北愛爾蘭SONI公司、挪威STATNETT公司、德國TENNET公司、丹麥ENERGINET公司、希臘IPTO公司等.上述企業(yè)標準均在歐盟EU 2016/1447 標準的基礎(chǔ)上將可選參數(shù)或非強制性要求結(jié)合實際需求具體化.IEC已經(jīng)成立了多個相關(guān)的標準制定工作組委員會，如SC 8A可再生能源并網(wǎng)技術(shù)委員會、TC 88風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)委員會、TC 115 直流電壓等級100 kV高壓直流輸電系統(tǒng)技術(shù)委員會等，將有助于推進相關(guān)國際標準的制定.

1.3 我國相關(guān)標準

目前，國內(nèi)出臺了風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)標準，如中國GB/T 19963-2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》標準[16]，針對海上風(fēng)電場經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)技術(shù)要求，國內(nèi)暫未出臺相關(guān)標準.2019年底，南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院組織召開中國海上風(fēng)電并網(wǎng)領(lǐng)域首個行業(yè)標準編制組研討會.同時，中國電工技術(shù)學(xué)會也開始制定相關(guān)標準.2021年，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院在廣州組織召開了工作組會議，牽頭制定南方電網(wǎng)企業(yè)標準.相關(guān)國內(nèi)組織可參考丹麥、德國、英國和加拿大等國家的海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)有關(guān)技術(shù)規(guī)定和標準，結(jié)合我國現(xiàn)階段風(fēng)電工程的實際情況，在頻率、電壓、有功功率和無功功率、故障穿越能力和電能質(zhì)量等方面對風(fēng)電場并網(wǎng)提出要求.

2 國外標準中對海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)要求對比分析

2.1 海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電場接入電網(wǎng)的一個基本問題是送端系統(tǒng)無穩(wěn)定頻率的交流電源支撐，使得輸電系統(tǒng)必須兼顧穩(wěn)定送端交流系統(tǒng)頻率的功能.對于送端的換流站控制，一般采用電壓源型換流器向無源電網(wǎng)送電的控制策略，即通過給定交直軸電壓分量和頻率控制送端系統(tǒng)的交流電壓，從而為風(fēng)機提供穩(wěn)定的交流電源.而受端換流站的控制類似于風(fēng)電機組的網(wǎng)側(cè)換流站控制控制，即分別控制直流側(cè)電壓和傳遞到電網(wǎng)的無功功率.

2.2 一般性要求和接入原則

直流逆變站相較于受端電網(wǎng)而言可等效為電源，其應(yīng)具備快速的有功、無功調(diào)節(jié)能力，維持受端電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定.標準對于柔直逆變站的并網(wǎng)要求主要包括：運行條件(電壓、頻率等)，動態(tài)響應(yīng)特性(頻率響應(yīng)特性、電壓響應(yīng)特性等)，自動調(diào)節(jié)能力(有功功率、無功功率、頻率、電壓調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)速度等)，以及信息交互等.

2.3 有功功率控制與頻率支持要求

2.3.1有功功率控制與頻率支持具體要求 有功功率控制和頻率支持主要有以下4點要求.① 頻率范圍，強調(diào)對電網(wǎng)的適應(yīng)性，即被動應(yīng)對電網(wǎng)擾動的能力；在系統(tǒng)緊急情況下，需要確保將傳輸系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài).② 頻率變化率耐受能力，即頻率在-2.5～+2.5 Hz/s之間，以保證柔直系統(tǒng)不脫網(wǎng).③ 動態(tài)響應(yīng)特性，即慣量響應(yīng)；標準要求高壓直流系統(tǒng)應(yīng)能夠響應(yīng)頻率變化提供慣量響應(yīng)，必要時設(shè)定最小慣量，但具體定義、計算方法和具體要求并未給出.④自動調(diào)節(jié)能力，自動調(diào)節(jié)能力分為3種頻率調(diào)節(jié)模式(1次調(diào)頻)：頻率敏感模式(FSM)，有限頻率敏感模式-超頻(LFSM-O)以及有限頻率敏感模式-低頻(LFSM-U).自動調(diào)頻能力在歐盟標準1447/2016 中是強制性的，必須選擇三者之一.當(dāng)系統(tǒng)在LFSM-O和LFSM-U模式下運行，且系統(tǒng)頻率在標稱頻率附近的指定死區(qū)內(nèi)時，不向系統(tǒng)提供任何頻率響應(yīng)，比FSM模式的死區(qū)要寬得多.通常用于某些單元在技術(shù)上無法響應(yīng)較小的頻率變化或避免系統(tǒng)振蕩等場景.FSM模式主要應(yīng)用于同步發(fā)電機組，LFSM-O模式多用于風(fēng)電場的緊急響應(yīng)，LFSM-U模式應(yīng)用場景極少，因此某些國家建議通過選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，如選擇較大的頻率死區(qū)或較低的下垂系數(shù)，從而放寬要求.高壓直流輸電系統(tǒng)頻率適應(yīng)范圍如表1所示.

表1 高壓直流輸電系統(tǒng)頻率適應(yīng)范圍

2.3.2頻率敏感模式

(1) 高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠通過調(diào)整有功功率傳輸來響應(yīng)每個電網(wǎng)中的頻率偏差，如圖1所示.其中：ΔP/Pmax為有功功率變化量與最大高壓直流輸電有功功率的比率；t1為系統(tǒng)響應(yīng)最低高壓直流有源功率容量所對應(yīng)的時間；t2為系統(tǒng)響應(yīng)最大高壓直流有源功率容量對應(yīng)的時間；t為時間；ΔP1為最大高壓直流有源功率容量限制.

圖1 高壓直流輸電系統(tǒng)的有功功率頻率響應(yīng)能力

(2) 有源功率傳輸(雙向)的頻率相關(guān)調(diào)整受高壓直流系統(tǒng)最低高壓直流有源功率容量和最大高壓直流有源功率容量限制.

2.3.3有限頻率敏感模式-超頻 除頻率適應(yīng)范圍要求外，以下要求適用于LFSM-O模式.

(1) 高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠根據(jù)頻率將有功功率傳輸調(diào)整至如圖2所示的狀態(tài).其中：Δf/fn為頻率變化率與額定頻率的比率；f1為設(shè)定的頻率閾值；s3為靜態(tài)系數(shù).由圖2可知，頻率閾值f1在 50.2～50.5 Hz，s3可以向上調(diào)整0.1%；

圖2 LFSM-O模式下的高壓直流輸電系統(tǒng)的有功功率頻率響應(yīng)能力

(2) 在LFSM-O模式下，高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠?qū)⑵溆泄β收{(diào)節(jié)到其最小高壓直流輸電有功功率容量.

2.3.4有限頻率模式-低頻 除頻率適應(yīng)性要求外，以下要求適用于有LFSM-U模式.

(1) 高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠根據(jù)頻率將有功功率傳輸調(diào)整到三相交流電網(wǎng)，包括如圖3中所示的功率輸入和輸出.其中：f2為設(shè)定的頻率閾值；s4為靜態(tài)系數(shù).由圖3可知，頻率閾值f2在 49.5～49.8 Hz，s4可向上調(diào)整0.1%；

圖3 LFSM-U模式下的高壓直流輸電系統(tǒng)的有功功率頻率響應(yīng)能力

(2) 在LFSM-U模式下，高壓直流輸電系統(tǒng)必須能夠?qū)⒂泄β蕚鬏斦{(diào)整到最大高壓直流有功功率容量.

2.4 無功控制與電壓支持要求

電壓范圍隨著各地區(qū)、不同電壓等級而異.無功支撐能力是給出無功功率與最大高壓直流輸電有功功率比率的邊界范圍，高壓直流換流站應(yīng)能夠在其最大有功功率傳輸容量下提供無功功率.

電壓適應(yīng)性要求：

(1) 當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)各換流站并網(wǎng)點電壓標幺值(p.u.)在0.85～1.118，系統(tǒng)可以無限時長保持運行，具體各國標準如表2和3所示.

(2) 當(dāng)并網(wǎng)點電壓超越了表2和3所示的電壓范圍，高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)能按照各標準對應(yīng)的穿越要求運行.

表2 高壓直流輸電系統(tǒng)在不與電網(wǎng)斷開的情況下運行的最短時間(110 kV≤基準電壓<300 kV)

表3 高壓直流輸電系統(tǒng)在不與電網(wǎng)斷開的情況下運行的最短時間(300 kV≤基準電壓≤400 kV)

無功功率控制要求：

(1) 控制模式要求，可選擇電壓控制模式、無功功率控制模式以及功率因數(shù)控制模式，應(yīng)為3種之一或組合.其中，只采用電壓控制模式時，極端情況下無功功率可能會越限.

(2) 控制參數(shù)要求，可為固定值或遠程調(diào)整，控制模式可根據(jù)運行狀態(tài)調(diào)整.

(3) 控制特性要求，規(guī)定了正常運行所需的響應(yīng)(以希臘為例，歐盟標準未詳細描述).

U-Q/Pmax曲線的邊界如圖4所示.其中：U為連接點處的電壓，用實際值與參考值的比率表示；Q/Pmax為無功功率與最大高壓直流輸電有功功率的比率.虛線矩形的位置、尺寸和形狀是指示性的，并且在虛線矩形內(nèi)可以使用除矩形之外的形狀.對于矩形以外的輪廓形狀，電壓范圍代表該形狀中的最高和最低電壓點.

圖4 U-Q/Pmax 曲線的邊界

2.5 低電壓穿越要求

通過電壓-時間曲線可知在曲線上側(cè)高壓直流換流站應(yīng)能保持與電網(wǎng)的連接，并在電力系統(tǒng)受到安全故障干擾后繼續(xù)穩(wěn)定運行，分為故障前、故障期間和故障后3個階段，低電壓故障穿越(FRT)要求曲線如圖5所示.其中：Uret為在并網(wǎng)點發(fā)生故障時的殘余電壓；Urec1和trec1為故障排除后的恢復(fù)電壓與其對應(yīng)的時間下限；Urec2和trec2為電壓穩(wěn)定后的恢復(fù)電壓與其對應(yīng)的時間下限；Ubloc為風(fēng)電并網(wǎng)點的阻塞電壓；tcle為故障得到清除的時間點.

圖5 低電壓故障穿越要求曲線

故障后有功功率恢復(fù)應(yīng)規(guī)定高壓直流輸電系統(tǒng)能夠提供的有功功率恢復(fù)的幅度和時間曲線.

國標《GB/T 36995-2018風(fēng)力發(fā)電機組故障電壓穿越能力測試規(guī)程》中明確提出了對風(fēng)電機組的低電壓穿越要求[17]，相較于歐盟標準，國標所給出的低電壓穿越要求曲線缺少了一個拐點，對應(yīng)的橫坐標為圖5中的trec1時刻，縱坐標為故障排除后電壓恢復(fù)的下限，國標低電壓穿越故障穿越要求曲線如圖6所示.

圖6 國標中的低電壓穿越故障穿越要求曲線

低電壓穿越要求風(fēng)電機組應(yīng)具有規(guī)定的電壓和時間范圍內(nèi)不脫網(wǎng)連續(xù)運行的能力(見圖6).具體要求如下：

(1) 有功功率恢復(fù).對電壓跌落期間沒有脫網(wǎng)的風(fēng)電機組自電壓恢復(fù)正常時刻開始，有功功率應(yīng)至少以每秒10%額定功率的功率變化率恢復(fù)至實際工況對應(yīng)的輸出功率.

(2) 動態(tài)無功支撐能力.當(dāng)風(fēng)電機組并網(wǎng)點發(fā)生三相對稱電壓跌落時，風(fēng)電機組應(yīng)自電壓跌落出現(xiàn)的時刻起快速響應(yīng)，通過注入容性無功電流支撐電壓恢復(fù).

高壓直流輸電換流站FRT能力參數(shù)如表4所示.

表4 高壓直流輸電換流站FRT能力參數(shù)

北愛爾蘭故障穿越要求如表5所示.

表5 北愛爾蘭故障穿越要求

2.6 電能質(zhì)量

柔性直流輸電系統(tǒng)所有者應(yīng)確保其與網(wǎng)絡(luò)的連接不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)電壓的失真或波動，在連接點超過限度由相關(guān)運營商協(xié)定.

國標GB/T 12326-2008中規(guī)定，任何一個波動干擾源在電力系統(tǒng)公共連接點產(chǎn)生的電壓變動，其限值和電壓變動頻度和電壓等級有關(guān)[18].風(fēng)電場屬隨機性不規(guī)則干擾源，根據(jù)國標規(guī)定，其引起的電壓波動，其限值應(yīng)小于2.5%.

根據(jù)該國標規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點，在系統(tǒng)正常運行的較小方式下，以一周(168 h)為測量周期，所有長時間閃變值Rlt都應(yīng)滿足的要求.對于220 kV及以上接入的海上風(fēng)電場，Rlt≤0.8.

IEEE Std 519-2014 標準電壓畸變限值如表6所示.根據(jù)標準IEEE Std 519-2014[19]，在公共連接點，系統(tǒng)的用戶或者運營商需要按照以下原則限制線路與中性點之間的諧波電壓：① 每天極短時間 (3 s) 的99%概率值諧波電壓應(yīng)小于表6值的1.5倍[20].② 每周短時間(10 min)的95%概率值諧波電壓應(yīng)小于表6中的值.

表6 IEEE Std 519-2014 標準電壓畸變限值

《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GBT 14549-1993)規(guī)定的110 kV公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值如表7所示，額定電壓為220 kV的公用電網(wǎng)參照110 kV執(zhí)行[21].

表7 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

為保證電網(wǎng)公共連接(PCC)點的電壓諧波水平在限值范圍內(nèi)，必須限制各諧波源注入PCC點的諧波電流.根據(jù)《海上風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》(Q/GDW11410-2015)[22]，風(fēng)電場所在的公共連接點的諧波注入電流應(yīng)滿足《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》[21]的要求，其中海上風(fēng)電場向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值應(yīng)按照海上風(fēng)電場裝機容量與公共連接點的發(fā)/供電設(shè)備總?cè)萘恐冗M行分配.

2.7 保護與控制

保護與控制方面需要考慮的是滿足無人值守的要求，達到緊湊化的設(shè)計，特別是要解決海上風(fēng)電直流送出的系統(tǒng)充電的方法，快速的功率控制，以及與海上風(fēng)電系統(tǒng)配合的問題.

根據(jù)(歐盟EU 2016/1447 標準[15]條例第14條第(5)款(b)項規(guī)定，確定直流電場模塊的電氣保護方案和設(shè)置.保護方案的設(shè)計必須考慮到系統(tǒng)性能、電網(wǎng)的特殊性以及電力園區(qū)模塊技術(shù)的特殊性，并與相關(guān)系統(tǒng)運營商達成一致.

直流并網(wǎng)的保護和控制的優(yōu)先級應(yīng)根據(jù)歐盟EU 2016/1447 標準[15]第14條第(5)款(c)項(其中網(wǎng)絡(luò)指同步區(qū)域網(wǎng)絡(luò))確定，并與相關(guān)系統(tǒng)運營商協(xié)定.

2.8 穩(wěn)定性

高壓直流系統(tǒng)應(yīng)能對所連接的交流網(wǎng)絡(luò)中的電力振蕩起到阻尼作用.高壓直流系統(tǒng)的控制系統(tǒng)不得降低功率振蕩的阻尼.相關(guān)的運營商應(yīng)規(guī)定控制方案應(yīng)積極阻尼的振蕩頻率范圍，以及出現(xiàn)這種情況時的網(wǎng)絡(luò)條件，至少應(yīng)考慮到運營商為確定其輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性極限和潛在穩(wěn)定性問題而進行的任何動態(tài)穩(wěn)定性評估研究.控制參數(shù)的設(shè)置應(yīng)由相關(guān)的運營商和HVDC系統(tǒng)業(yè)主商定.

2.9 黑啟動

具備黑啟動能力的高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)能在一個換流站通電的情況下，在高壓直流輸電系統(tǒng)關(guān)閉后的一段時間范圍內(nèi)，為連接到另一個換流站的交流母線通電，這一點由相關(guān)的運營商決定.高壓直流系統(tǒng)應(yīng)能在本文2.3節(jié)所述的頻率范圍內(nèi)、本文2.4節(jié)所述的電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)同步.必要時，相關(guān)運營商可規(guī)定更寬的頻率以及電壓范圍，以恢復(fù)系統(tǒng)安全.

相關(guān)運營商和高壓直流系統(tǒng)業(yè)主應(yīng)就黑啟動能力的容量和可用性以及操作程序達成一致.

3 海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標準發(fā)展趨勢

3.1 無功與電壓控制策略

對于海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)的無功與電壓控制問題，應(yīng)充分利用好海上風(fēng)電機組的自身無功調(diào)節(jié)能力[23]，并做好其與動態(tài)無功補償設(shè)備的協(xié)調(diào)控制.同時，應(yīng)利用好柔性直流換流站內(nèi)的無功資源，分析此柔性直流系統(tǒng)對海上風(fēng)電機組電壓穿越能力的需求，對海上風(fēng)電機組設(shè)備進行必要的性能提升，共同應(yīng)對系統(tǒng)在大、小擾動下的無功功率與電壓控制問題.需要考慮海上風(fēng)電和常規(guī)火電機組不同運行配比情況下，因海上風(fēng)電資源特性導(dǎo)致的大范圍功率波動以及對受端電網(wǎng)的電壓分布特性的影響.

另外，還需關(guān)注直流閉鎖故障下送端電網(wǎng)各電壓等級節(jié)點的暫態(tài)電壓特性，特別是不同地理位置的海上風(fēng)電場的過電壓特性，根據(jù)分析結(jié)果提出大規(guī)模海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的高電壓穿越電壓閾值、穿越時長、無功電流支撐等指標建議.因此，建立無功與電壓控制策略的專項標準是海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標準發(fā)展趨勢之一.

3.2 次同步和超同步控制交互

2010年以來，我國多次出現(xiàn)風(fēng)電場經(jīng)串補并入系統(tǒng)發(fā)生的次同步振蕩現(xiàn)象，系統(tǒng)電壓振蕩幅值大幅提高，造成風(fēng)機脫網(wǎng)及Crowbar電路損壞.2015年7月，我國甘肅某風(fēng)電基地，在沒有串聯(lián)補償?shù)那闆r下，多次出現(xiàn)次同步頻率范圍的持續(xù)功率振蕩現(xiàn)象，甚至引發(fā)200 km外經(jīng)直流送出的火電機組扭振保護動作切機，嚴重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，影響風(fēng)電的并網(wǎng)消納[24-26].

對于海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)次同步和超同步控制交互的研究目前集中在簡單類型變流器及系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析中，忽略了復(fù)雜多種類變流器、多端柔性直流系統(tǒng)中換流器的耦合效應(yīng)[27].對變流器的穩(wěn)定性分析，主要依靠傳統(tǒng)的小信號模型、電磁暫態(tài)模型以及簡化的阻抗分析法，忽略了鎖相環(huán)回路延時，繼電保護回路延時，采樣回路延時等，會在實際工程應(yīng)用中影響變流器阻抗特性.另一方面，柔性直流系統(tǒng)振蕩從次同步頻率區(qū)間，到中高頻率區(qū)間均有概率發(fā)生，實際工程中需要考慮變流器、傳輸線路等設(shè)備的寬頻特性，保證其在振蕩發(fā)生頻率范圍的阻抗一致性[28].

因此，實現(xiàn)對多模式寬頻帶系統(tǒng)的量化分析，建立能夠適應(yīng)實際海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)，編寫次同步和超同步控制交互的專項標準是海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標準發(fā)展趨勢之一.

3.3 海上風(fēng)電與柔性直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

正如交流電網(wǎng)需要有交流電壓和功率控制一樣，柔性直流輸電系統(tǒng)同樣需要具備直流電壓和直流功率控制功能，并且直流輸電網(wǎng)設(shè)備之間需要通信實現(xiàn)直流輸電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制[29].大量海上風(fēng)電接入電網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)等效慣量降低，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定將應(yīng)對挑戰(zhàn)[30].由于海上風(fēng)電場與柔性直流輸電系統(tǒng)都具備一定調(diào)頻能力，所以優(yōu)先考慮發(fā)揮柔性直流系統(tǒng)的調(diào)制的作用，其次充分挖掘海上風(fēng)電機組的調(diào)頻能力，充分適應(yīng)系統(tǒng)要求，將海上風(fēng)電調(diào)頻的快速性和常規(guī)電源調(diào)頻的持續(xù)性有效結(jié)合，共同應(yīng)對海上風(fēng)電柔直并網(wǎng)系統(tǒng)在小擾動和大擾動下的頻率調(diào)節(jié)問題[31].

海上的天氣多變惡劣，出現(xiàn)雷暴、臺風(fēng)等極端天氣的概率遠高于陸上，而極端天氣導(dǎo)致的海上風(fēng)電出力短時內(nèi)會大幅變化，對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定造成嚴重威脅，因此有必要開展極端天氣情況下海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)的頻率特性研究.此外，需要研究海上風(fēng)電調(diào)頻控制與柔性直流附加頻率控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)頻率控制技術(shù).海上風(fēng)電能夠快調(diào)節(jié)輸出有功功率，柔性直流輸電系統(tǒng)也具備緊急功率控制功能，需要研究海上風(fēng)電有功控制與柔性直流緊急功率控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)頻率控制技術(shù).因此，建立海上風(fēng)電與柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略的專項標準是海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標準發(fā)展趨勢之一.

4 并網(wǎng)標準對技術(shù)的挑戰(zhàn)和相關(guān)建議

4.1 并網(wǎng)標準對技術(shù)的挑戰(zhàn)

為了實現(xiàn)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并入電網(wǎng)，需解決高電壓大容量系統(tǒng)與緊湊化輕型化平臺之間存在矛盾，關(guān)注異常頻率下的動態(tài)有功功率支撐條件，研究異常電壓條件下的動態(tài)電壓支持以及負序電流注入和系統(tǒng)保護[32].制定直流海纜絕緣水平優(yōu)化提升、海上風(fēng)電輸出能量波動大且對柔性直流系統(tǒng)故障穿越要求高、主設(shè)備海洋適應(yīng)性技術(shù)等要求.

4.2 相關(guān)建議

長期以來，海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出技術(shù)被歐洲少數(shù)國家所掌握，制約了我國海上風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展并網(wǎng)的進程[33].通過持續(xù)加強對海上適用性的柔性直流輸電技術(shù)的研究儲備，引領(lǐng)我國海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，能夠確保我國海上風(fēng)電發(fā)得多，送得出，能消納.海上風(fēng)電經(jīng)柔直并網(wǎng)技術(shù)標準體系的建設(shè)是一項長期的系統(tǒng)工程，需密切關(guān)注國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)，加強國內(nèi)外研究機構(gòu)的合作，使行業(yè)內(nèi)企業(yè)能夠更加有效地參與海上風(fēng)電經(jīng)柔直并網(wǎng)的工作[34].

在“十四五”期間，需加快形成海上風(fēng)電集中化、規(guī)?；_發(fā)，優(yōu)化電力生產(chǎn)與輸送通道布局[35].同時，加快沿海地區(qū)廣東和江蘇等風(fēng)能資源良好省份已有的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，并逐步推動海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流輸電并網(wǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)大規(guī)模海上風(fēng)電的消納[36].建議加強海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)技術(shù)研究，多方合作展開海上風(fēng)電開發(fā)，統(tǒng)籌考慮電力系統(tǒng)網(wǎng)架和電力系統(tǒng)安全的影響，規(guī)劃建設(shè)海上電力輸送通道[37].最終建成世界先進的海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)技術(shù)標準體系，為我國大規(guī)模海上風(fēng)電集約開發(fā)與并網(wǎng)提供更可靠、更經(jīng)濟的技術(shù)標準[38].

5 結(jié)論

本文總結(jié)了國內(nèi)外海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)技術(shù)標準，分析了海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標準發(fā)展趨勢以及并網(wǎng)標準對技術(shù)的挑戰(zhàn)和相關(guān)建議歷程，為我國大規(guī)模海上風(fēng)電集中接入的發(fā)展提供一定指導(dǎo)建議，得到具體結(jié)論如下.

(1) 總結(jié)分析了近期出臺的有關(guān)海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的相關(guān)政策，對我國海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)標準的制定具有借鑒意義.對我國海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的發(fā)展，具有一定的導(dǎo)向意義.

(2) 我國在柔性直流輸電技術(shù)中的多項技術(shù)已位于全球前列，同時具備海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)條件，但鑒于海上換流站的復(fù)雜多變特殊環(huán)境，今后需進一步提高設(shè)備的耐受性與可靠性，相關(guān)標準還需進一步完善.

(3) 海上風(fēng)電的發(fā)展必將對電力系統(tǒng)安全運行提出很多新的要求，目前執(zhí)行的海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的相關(guān)標準是否適應(yīng)這些新要求，是否需要對相關(guān)標準進行適時地修編，以適應(yīng)海上風(fēng)電的發(fā)展要求成為迫切需要解決的問題.