基于能量同步轉(zhuǎn)換技術(shù)的高比例新能源外送地區(qū)暫態(tài)過電壓抑制研究

田旭，劉飛，張君，白左霞

(1. 國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，西寧810000；2. 國網(wǎng)青海省電力公司，西寧810000)

0 引言

能源轉(zhuǎn)型、綠色低碳發(fā)展已經(jīng)成為全球趨勢，我國已明確提出2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的“雙碳”目標(biāo)[1]。電力系統(tǒng)持續(xù)通過加大新能源供應(yīng)和加快推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)布局推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和綠色低碳發(fā)展，助力“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)[2]。

我國資源分布不均，以風(fēng)電和光伏為代表的新能源基地基本位于負(fù)荷水平相對較低的東北、西北、西南等地區(qū)，為解決大規(guī)模新能源消納問題，通過跨區(qū)特高壓直流將新能源送入負(fù)荷中心地區(qū)是促進(jìn)新能源消納的有效手段[3 - 6]。

直流送端電網(wǎng)一般強(qiáng)度較低，配套水火電機(jī)組少，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)和無功電壓支撐能力弱，振蕩問題突出[7 - 8]。大規(guī)模新能源并網(wǎng)，將進(jìn)一步導(dǎo)致電網(wǎng)強(qiáng)度和系統(tǒng)慣量下降、頻率和電壓控制困難等一系列問題，加大常規(guī)直流送端新能源大規(guī)模脫網(wǎng)及其引起的連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)[9 - 12]。目前，我國發(fā)生的多起大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，主要原因是在系統(tǒng)故障局部電壓降低的情況下部分風(fēng)機(jī)因低壓保護(hù)脫網(wǎng)，系統(tǒng)無功功率過剩，由此又引起局部高電壓問題，導(dǎo)致部分風(fēng)機(jī)因過電壓保護(hù)動(dòng)作脫網(wǎng)，從而進(jìn)一步加劇電壓升高而引發(fā)連鎖脫網(wǎng)[13 - 14]。因此，提升直流送端新能源場站的高電壓穿越能力對高比例新能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[15 - 16]。

文獻(xiàn)[17]從提高短路容量、加強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和提高風(fēng)電耐壓能力等方面提出了防范風(fēng)電連鎖脫網(wǎng)的應(yīng)對策略。文獻(xiàn)[18]提出了基于機(jī)組可控域劃分的風(fēng)電機(jī)組和靜止同步補(bǔ)償器相協(xié)調(diào)的風(fēng)電場高電壓穿越(high voltage ride through，HVRT)控制策略。文獻(xiàn)[19]探討了協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)控制模塊、靜止無功補(bǔ)償器和直流送端母線交流濾波器的HVRT協(xié)調(diào)控制方案。文獻(xiàn)[20]提出了協(xié)調(diào)換流站濾波器、調(diào)相機(jī)及換流站近區(qū)同步機(jī)組的過電壓抑制策略。文獻(xiàn)[21]分析了改進(jìn)直流控制系統(tǒng)模型及參數(shù)對抑制送端并網(wǎng)母線暫態(tài)過電壓的效果。文獻(xiàn)[22 - 24]研究了不同類型的無功補(bǔ)償裝置對抑制穩(wěn)態(tài)過電壓、降低新能源高壓脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的效果。上述文獻(xiàn)對于暫態(tài)過電壓的抑制主要是采取優(yōu)化控制策略或裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)等基于傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)備的措施，并未考慮通過提升電力電子設(shè)備支撐電網(wǎng)能力的過電壓抑制措施。

本文通過采用具備電網(wǎng)支撐能力的逆變器，結(jié)合高性能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型的基于能量同步轉(zhuǎn)換技術(shù)的裝置來抑制新能源暫態(tài)過電壓。最后，通過對青豫直流送端電網(wǎng)的仿真分析和裝置的性能測試，驗(yàn)證了準(zhǔn)確性和有效性。

1 新能源直流外送地區(qū)暫態(tài)過電壓問題

1.1 直流故障對送端電網(wǎng)暫態(tài)過電壓的影響

常規(guī)直流換流站的無功功率消耗大，需要配置大量常規(guī)無功補(bǔ)償設(shè)備。在直流發(fā)生換相失敗或閉鎖故障期間，送端換流站近區(qū)可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的過電壓問題。暫態(tài)過電壓可能引發(fā)大規(guī)模送端新能源機(jī)組脫網(wǎng)事故，對系統(tǒng)穩(wěn)定造成極大危害。目前，換流站交流母線側(cè)一般考慮配置大型調(diào)相機(jī)來抑制暫態(tài)過電壓。本文對輸電規(guī)模8 000 MW、額定電流5 kA的直流系統(tǒng)發(fā)生直流換相失敗故障進(jìn)行仿真，仿真時(shí)考慮輸電功率4 000 MW、工作電流2.5 kA，其直流電流、送端換流站無功功率交換曲線和近區(qū)新能源電站各級匯流母線暫態(tài)電壓波動(dòng)如圖1—3所示。

圖1 直流電流仿真曲線Fig.1 HVDC current curve

圖2 換流站與交流系統(tǒng)無功功率交換曲線Fig.2 Reactive power exchange curve between rectifier station and AC system

圖3 送端換流站近區(qū)母線暫態(tài)過電壓Fig.3 Bus transient overvoltages near sending rectifier station

從圖1—3仿真曲線來看，發(fā)生換相失敗后，直流電流和換流站無功功率消耗快速增加，送端換流站從交流系統(tǒng)吸收大量無功功率，使得交流母線電壓大幅降低，隨后在直流控制器的作用下直流電流減小，換流器無功功率消耗減少，但無功補(bǔ)償設(shè)備尚未調(diào)整，換流站有較多無功功率注入交流系統(tǒng)，進(jìn)而引發(fā)暫態(tài)過電壓。因此，在換相失敗期間，交流系統(tǒng)呈現(xiàn)先出現(xiàn)低電壓后出現(xiàn)高電壓的現(xiàn)象。圖3中高壓側(cè)母線的過電壓水平得到了較好的抑制，但中壓側(cè)和低壓側(cè)母線的過電壓水平仍然較高(機(jī)端側(cè)超過1.3 p.u.)，且呈現(xiàn)電壓等級越低，過電壓水平越高的特點(diǎn)?？梢娧b設(shè)在換流站交流母線側(cè)的調(diào)相機(jī)對較低電壓等級過電壓限制能力弱，直流換相失敗故障容易引起換流站近區(qū)新能源場站的過電壓問題。

1.2 新能源機(jī)組發(fā)生暫態(tài)過電壓的機(jī)理

圖3的仿真結(jié)果顯示越靠近新能源場站，電網(wǎng)過電壓水平越嚴(yán)重，說明新能源機(jī)組對過電壓水平有一定的助增效應(yīng)。一般情況下，新能源電站的無功功率控制采用定電壓控制，逆變器會(huì)根據(jù)系統(tǒng)電壓的變化發(fā)出或吸收無功功率，在交流系統(tǒng)連續(xù)的低電壓、高電壓變化過程中，逆變器可能會(huì)存在高電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)延遲，產(chǎn)生過電壓“反調(diào)”問題，從而對系統(tǒng)的過電壓水平起到助增效應(yīng)。當(dāng)直流發(fā)生換相失敗時(shí)，送端系統(tǒng)電壓先降后升，由于電壓上升過程中光伏逆變器仍可能滯后輸出無功功率，進(jìn)而助增了光伏并網(wǎng)點(diǎn)的暫態(tài)過電壓，最終導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的進(jìn)一步升高。

2 能量同步轉(zhuǎn)換技術(shù)

2.1 能量同步轉(zhuǎn)換技術(shù)原理

目前，絕大多數(shù)的新能源逆變器為電網(wǎng)跟隨式(grid-following)，其控制模式基于電網(wǎng)的參考電壓和功角，對鎖相環(huán)具有依賴性，表現(xiàn)為恒定功率的電流源特性。這種逆變器對電網(wǎng)呈現(xiàn)“低阻尼”特性，在高比例新能源電網(wǎng)中將呈現(xiàn)系統(tǒng)強(qiáng)度和慣量降低的特性，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。新型逆變器為電網(wǎng)構(gòu)建式(grid-forming)，其控制模式通過建立內(nèi)部參考電壓并調(diào)整功率輸出以幫助維持該電壓，不依賴鎖相環(huán)，表現(xiàn)為直流側(cè)電壓可保持恒定的電壓源特性。這種逆變器模擬傳統(tǒng)同步機(jī)的運(yùn)行特性，可像同步電機(jī)一樣為系統(tǒng)提供故障電流和系統(tǒng)慣量，增強(qiáng)系統(tǒng)強(qiáng)度，響應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化并自主調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和頻率，從而提升高比例新能源地區(qū)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定水平[25 - 26]。

本質(zhì)上新型逆變器的作用是讓基于逆變器電源與傳統(tǒng)電源保持同步穩(wěn)定，支持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，本文定義能量同步轉(zhuǎn)換技術(shù)：采用新型逆變器和控制技術(shù)，可將通過該逆變器與電網(wǎng)連接的能量轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)中傳統(tǒng)電源保持“同步穩(wěn)定”運(yùn)行的技術(shù)。能量同步轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 能量同步轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Energy synchronous conversion system (ESCS)

其中，能量同步轉(zhuǎn)換裝置(energy synchronous conversion system，ESCS)的基本構(gòu)成包括能量單元、新型逆變器和控制系統(tǒng)。能量單元一方面需要并網(wǎng)接入的電源，包括風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能等。另一方面具備額外靈活可用的能量(儲(chǔ)能、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能、預(yù)留電源發(fā)電容量等)，用以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)系統(tǒng)強(qiáng)度、慣量支持、快速頻率響應(yīng)和黑啟動(dòng)等功能。

考慮到我國各省區(qū)已經(jīng)陸續(xù)出臺(tái)政策，要求新建新能源項(xiàng)目必須配套相應(yīng)比例的儲(chǔ)能，用以解決其消納和穩(wěn)定性問題。因此，本文考慮以儲(chǔ)能作為能量單元，對能量同步轉(zhuǎn)換裝置抑制暫態(tài)過電壓的效果進(jìn)行研究。

2.2 新型逆變器技術(shù)特點(diǎn)

新型逆變器主要由逆變器模塊、濾波器模塊、主進(jìn)線開關(guān)和相關(guān)元器件等組成，本文采用的新型逆變器如圖5所示，主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖5 新型逆變器裝置Fig.5 New inverter device

表1 逆變器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main datasheet of the new inverter

從表1中可以看出，新型逆變器具有較強(qiáng)的過負(fù)荷能力，可為系統(tǒng)提供短時(shí)故障電流和慣量支持，從而具備增強(qiáng)弱電網(wǎng)區(qū)域的系統(tǒng)強(qiáng)度和提供慣量支持的能力。其過負(fù)荷能力的提升一方面取決于逆變模塊電力電子器件(IGBT)固有性能，另一方面也需要對IGBT芯片、封裝底板和散熱器進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，并保證制造工藝，來確保逆變器運(yùn)行時(shí)能夠承受由于電流負(fù)載變化而導(dǎo)致的溫度波動(dòng)而不影響其使用壽命。經(jīng)相關(guān)市場調(diào)研和測算，和傳統(tǒng)逆變器相比，新型逆變器過負(fù)荷能力的提升會(huì)提高整個(gè)能量同步轉(zhuǎn)換裝置造價(jià)的10%左右。

2.3 控制策略設(shè)計(jì)

能量同步轉(zhuǎn)換控制策略主要有3種：模擬同步機(jī)暫態(tài)特性的虛擬同步機(jī)控制、功率-頻率和無功功率-電壓下垂控制、以及虛擬振蕩器快速響應(yīng)控制等。

本文結(jié)合下垂和虛擬同步機(jī)控制策略，以輸出電壓為控制目標(biāo)，主要包括：有功功率-頻率、無功功率-電壓、內(nèi)環(huán)電壓、內(nèi)環(huán)電流控制等模塊。整個(gè)裝置控制策略的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 能量同步轉(zhuǎn)換裝置控制策略Fig.6 ESCS control strategy

有功功率-頻率和無功功率-電壓模塊控制相角和電壓幅值。有功功率-頻率模塊通過下垂控制，并根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可以計(jì)算出相角θ， 無功功率-電壓控制模塊輸出電壓指令Vcmd， 通過內(nèi)環(huán)電壓和內(nèi)環(huán)電流控制模塊計(jì)算出電流指令I(lǐng)cmd， 與相角θ結(jié)合，輸出目標(biāo)電壓。

其中，虛擬同步機(jī)的轉(zhuǎn)子方程數(shù)學(xué)模型如式(1)所示，框圖如圖7所示。

(1)

式中：TJ為慣性時(shí)間常數(shù)；ω為角速度，Δω=ω-ω0，ω0為額定轉(zhuǎn)速；Pm、Pe和D分別為機(jī)械功率、電磁功率和阻尼系數(shù)；θ為相角。

圖7 轉(zhuǎn)子方程控制框圖Fig.7 Swing equation control block diagram

2.4 控制系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

隨著基于逆變器電源的不斷接入和同步發(fā)電電源的不斷減少，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性將變得更快。從控制理論的角度來看，快速變化只能由更快的控制系統(tǒng)跟蹤。因此，隨著新能源比例不斷增加，基于新型逆變器的能量同步轉(zhuǎn)換裝置需要配置更穩(wěn)健、更快的控制系統(tǒng)，以響應(yīng)具有更快動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)。

目前，考慮到儲(chǔ)能一般由多個(gè)模塊并聯(lián)組成，能量轉(zhuǎn)換裝置的控制系統(tǒng)需要具備統(tǒng)一、快速控制多個(gè)對象的能力。因此，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)通信和分布實(shí)時(shí)控制技術(shù)，采用主從環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)新型逆變器實(shí)時(shí)同步統(tǒng)一控制，如圖8所示。

圖8 能量同步轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 ESCS control system structure

主站控制器具備實(shí)時(shí)快速運(yùn)算和實(shí)時(shí)采樣等功能。從站就地單元是各種測量和控制結(jié)點(diǎn)，分別與每個(gè)逆變器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)快速通信。各就地單元采用分布式時(shí)鐘技術(shù)同步，使得各點(diǎn)測量及控制一致性好。主站與多個(gè)從站間無需交換機(jī)，采用高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通過光纖直連。根據(jù)控制策略可以設(shè)計(jì)各種有功/無功功率及慣量支持、功率擾動(dòng)阻尼、孤島運(yùn)行和黑啟動(dòng)等多種功能，通過主站控制器進(jìn)行快速運(yùn)算，實(shí)時(shí)統(tǒng)一下發(fā)各逆變器的控制指令至就地控制單元，并實(shí)時(shí)統(tǒng)一控制各個(gè)逆變器實(shí)現(xiàn)各種高級功能。可見，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)統(tǒng)一性能和新型逆變器的硬件性能是決定整個(gè)能量同步轉(zhuǎn)換裝置性能的關(guān)鍵。

3 控制系統(tǒng)性能測試

控制系統(tǒng)統(tǒng)一實(shí)時(shí)性能是能量同步轉(zhuǎn)換裝置實(shí)施效果的關(guān)鍵。按照2.3節(jié)的思路設(shè)計(jì)了測試方案，對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物性能測試?？刂葡到y(tǒng)測試如圖9所示，包括1臺(tái)主站控制器和5臺(tái)從站就地單元，使用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)相連，測試儀器包含信號(hào)發(fā)生器、可編程直流源和多路數(shù)據(jù)采集裝置等。

圖9 能量同步轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)性能測試圖Fig.9 ESCS control system performance test

其中，程控直流信號(hào)源輸出-10～10 V的直流電平信號(hào)至主站控制器，主站控制器將信號(hào)傳送至從站就地單元，測試回路中的多路數(shù)據(jù)采集裝置可同時(shí)監(jiān)測、錄波主站控制器的有功/無功功率輸入電平信號(hào)、各個(gè)從站就地單元的有功/無功功率輸出電平信號(hào)以及同步輸出脈沖信號(hào)。

部分測試結(jié)果如圖10所示。測試結(jié)果表明，主站控制器與所有從站就地單元通信周期1 ms。1 ms內(nèi)主站控制器下發(fā)控制指令給每臺(tái)逆變器；所有逆變器收到從站就地單元的同步控制/執(zhí)行脈沖同步精度<1 μs。

圖10 能量同步轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)性能測試結(jié)果Fig.10 Performance test result of ESCS control system

4 仿真驗(yàn)證

本節(jié)以高比例新能源接入的青海省電網(wǎng)為例，采用機(jī)電暫態(tài)軟件PSSE，對能量同步轉(zhuǎn)換裝置解決暫態(tài)過電壓問題的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行大電網(wǎng)仿真分析。

4.1 能量同步轉(zhuǎn)換裝置PSSE模型驗(yàn)證

為保障能量同步轉(zhuǎn)換裝置模型在大電網(wǎng)仿真時(shí)的準(zhǔn)確性，本文首先對搭建的PSSE模型與逆變器制造商提供的PSCAD模型進(jìn)行測試案例對比驗(yàn)證，單線圖如圖11所示。其中，能量同步轉(zhuǎn)換裝置通過變壓器升壓至35 kV后，再進(jìn)一步升壓至330 kV。

圖11 仿真測試案例單線圖Fig.11 Single line diagram of test case

測試案例包括：110%過電壓響應(yīng)、90%低電壓響應(yīng)以及三相故障電壓跌落80%等案例對比。結(jié)果如圖12—14所示，可以看出：在過電壓、低電壓和故障狀態(tài)下，PSSE模型與PSCAD模型計(jì)算結(jié)果一致性非常高，可以保障能量同步轉(zhuǎn)換裝置接入大網(wǎng)計(jì)算時(shí)的準(zhǔn)確性。

4.2 青豫直流及送端換流站近區(qū)新能源概況

已建成投產(chǎn)的±800 kV青豫特高壓直流輸電工程是青海電網(wǎng)的第一條外送直流工程，采用常規(guī)直流輸電技術(shù)，直流設(shè)計(jì)容量8 000 MW。其中，青南換流站與變電站合建，為提高送端系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在換流站750 kV交流母線側(cè)裝設(shè)了4臺(tái)300 MVA的調(diào)相機(jī)。受直流系統(tǒng)故障后送端新能源脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)影響，目前其最大外送電力控制在4 000 MW，直流輸電能力得不到完全利用。青南換流站近區(qū)電網(wǎng)接線如圖15所示。其中，昕陽、旭明、夏陽為330 kV光伏匯流站。昕陽站、旭明站、夏陽站光伏總裝機(jī)容量分別為300 MW、1 200 MW和2 600 MW。德吉站為330 kV風(fēng)電匯流站，總裝機(jī)容量為650 MW，其配置的風(fēng)機(jī)為雙饋型風(fēng)機(jī)。

圖12 1.1 p.u.過電壓響應(yīng)結(jié)果對比Fig.12 Comparison of 1.1 p.u. overvoltage response results

圖13 0.9 p.u.低電壓響應(yīng)結(jié)果對比Fig.13 Comparison of 0.9 p.u. low voltage response results

圖14 三相故障電壓跌落80%結(jié)果對比Fig.14 Comparison of 3-phase fault with 80% voltage drop results

圖15 青南換流站近區(qū)電網(wǎng)接線示意圖Fig.15 Schematic diagram of grid near Qingnan converter station

4.3 青南換流站近區(qū)暫態(tài)過電壓問題

本文對青豫直流發(fā)生3次換相失敗后閉鎖直流的故障進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算方式為青豫直流輸送容量6 000 MW，近區(qū)新能源機(jī)組出力60%的工況。青南換流站近區(qū)部分交流母線暫態(tài)過電壓情況如圖16所示。

圖16 青南站近區(qū)暫態(tài)過電壓Fig.16 Transient overvoltage near Qingnan station

青豫直流換相失敗期間青南換流站750 kV交流母線過電壓水平較低，在1.1 p.u.左右，但從夏陽站各級匯流母線及夏陽機(jī)端電壓結(jié)果來看，隨著電壓等級的降低，過電壓水平逐漸升高，夏陽35 kV匯流母線的過電壓水平達(dá)到最高1.22 p.u.，光伏機(jī)組機(jī)端電壓更是達(dá)到了1.4 p.u.；從青南換近區(qū)4個(gè)新能源場站新能源機(jī)組過電壓水平看，新能源容量相對較低的昕陽站和德吉站過電壓水平較低，未超過1.2 p.u.，新能源裝機(jī)容量較大的夏陽站和旭明站過電壓水平較高，均超過了新能源機(jī)組機(jī)端1.3 p.u.的高壓穿越能力，將存在新能源機(jī)組機(jī)組較大面積脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 能量同步轉(zhuǎn)換裝置過電壓抑制仿真

本文考慮在過電壓問題相對嚴(yán)重的夏陽和旭明330 kV匯集站的每臺(tái)主變壓器35 kV側(cè)母線上安裝1臺(tái)能量同步轉(zhuǎn)換裝置(共9臺(tái))，同步轉(zhuǎn)換裝置采用2.3節(jié)介紹的控制策略。每臺(tái)能量同步轉(zhuǎn)換設(shè)備容量60 MVA，正常運(yùn)行時(shí)有功功率和無功功率分別在-0.8～0.8 p.u.和-0.32～0.32 p.u.范圍內(nèi)可調(diào)。按上述方案配置后，青豫直流換相失敗期間青南換流站近區(qū)部分交流母線暫態(tài)過電壓情況如圖17所示。

圖17 青南站近區(qū)暫態(tài)過電壓(配置能量同步轉(zhuǎn)換裝置)Fig.17 Transient overvoltage near Qingnan station (with ESCS)

各站點(diǎn)過電壓水平均有所下降，裝設(shè)了能量同步轉(zhuǎn)換裝置的新能源場站過電壓水平下降幅度較大，夏陽和旭明的光伏機(jī)組機(jī)端過電壓水平下降到1.3 p.u.以下，未裝設(shè)能量同步轉(zhuǎn)換裝置的昕陽、德吉新能源場站過電壓水平也略有下降。

故障期間夏陽站能量同步轉(zhuǎn)換裝置的有功無功功率曲線如圖18所示。

圖18 夏陽站能量同步轉(zhuǎn)換設(shè)備有功功率、無功功率曲線Fig.18 Active & reactive power output of ESCS in Xiayang station

在直流換相失敗、交流母線電壓大幅度跌落期間，能量同步轉(zhuǎn)換裝置利用其良好的過負(fù)荷能力，瞬間吸收有功功率，發(fā)出無功功率；在隨后的交流母線出現(xiàn)暫態(tài)過電壓期間，能量同步轉(zhuǎn)換設(shè)備又瞬間吸收無功功率。可見在換相失敗導(dǎo)致青南站近區(qū)電壓“先低后高”過程中，能量同步轉(zhuǎn)換裝置通過快速控制其有功功率和無功功率輸出，可以同時(shí)對低電壓和高電壓進(jìn)行抑制，有良好的效果。在大規(guī)模新能源外送地區(qū)配置適當(dāng)?shù)哪芰客睫D(zhuǎn)換裝置后，能提升近區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)強(qiáng)度，可較好地抑制系統(tǒng)故障后的暫態(tài)過電壓，從而提高青豫直流的輸電能力。

5 結(jié)語

本文分析了高比例新能源地區(qū)通過大規(guī)模直流外送時(shí)，直流輸電系統(tǒng)故障引起送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題的機(jī)理；結(jié)合新型逆變器和新型控制策略及系統(tǒng)，提出了利用能量同步轉(zhuǎn)換裝置解決暫態(tài)過電壓問題的方法；設(shè)計(jì)的新型能量同步轉(zhuǎn)換裝置采用具備較大過負(fù)荷能力的新型電網(wǎng)構(gòu)建式逆變器，結(jié)合下垂控制和虛擬同步機(jī)控制策略，通過利用工業(yè)以太網(wǎng)通信和分布實(shí)時(shí)控制技術(shù)的全新控制系統(tǒng)進(jìn)行整體控制。對控制系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)物性能測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)制造的控制系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)、高精度統(tǒng)一控制的能力。

最后，本文以新能源裝機(jī)比例最高的青海省為例，對能量同步轉(zhuǎn)換設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行大電網(wǎng)仿真分析，證明了在送端換流站近區(qū)新能源場站330 kV匯流站的35 kV側(cè)配置一定比例的能量同步轉(zhuǎn)換裝置可有效抑制直流系統(tǒng)故障后的暫態(tài)過電壓，提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定水平，提高青豫直流的輸電能力。