基于接入風(fēng)電功率突變的直流 輸電換相失敗辨識(shí)方法研究

曹偉杰, 萬(wàn)達(dá), 魏武, 季振亞, 王維

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司無(wú)錫供電公司,江蘇 無(wú)錫 214000;2. 南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,江蘇 南京 210046)

0 引 言

在國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略背景下,大規(guī)模風(fēng)電等新能源接入電網(wǎng),電網(wǎng)的整體架構(gòu)也隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展,逐漸成長(zhǎng)為以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1］。當(dāng)風(fēng)電等新能源并入受端電網(wǎng)時(shí),由于風(fēng)電等新能源普遍具有間歇性和波動(dòng)性,高比例新能源接入會(huì)造成交流母線電壓波動(dòng),可能導(dǎo)致直流輸電發(fā)生換相失敗,對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[2］。

雖然換相失敗的預(yù)測(cè)判據(jù)已有大量的理論研究,但直流輸電系統(tǒng)下不同層面的影響因素眾多復(fù)雜。因此為準(zhǔn)確掌握換相失敗特性,文獻(xiàn)[3]綜述了直流輸電系統(tǒng)中的換相失敗問(wèn)題,分析了換相失敗的發(fā)生機(jī)理和影響因素。文獻(xiàn)[4]提出了采用臨界換相電壓降來(lái)評(píng)估交流系統(tǒng)中高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

針對(duì)新能源接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響,文獻(xiàn)[5]根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的勵(lì)磁特性和暫態(tài)響應(yīng)特性,分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[6]利用隨機(jī)微分理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,探討了風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

本文提供一種基于潮流追蹤與功率變化影響換相失敗的辨識(shí)方法,針對(duì)不同的接入節(jié)點(diǎn),功率變化的影響不同,需要對(duì)不同的拓?fù)浞謩e進(jìn)行計(jì)算。本文在提出通用計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,以某地區(qū)直流輸電電網(wǎng)為例,進(jìn)行算例驗(yàn)證。

1 直流輸電臨界換相電壓降

1.1 風(fēng)電并網(wǎng)下的直流輸電系統(tǒng)

風(fēng)電并網(wǎng)下的直流輸電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風(fēng)電并網(wǎng)下的直流輸電系統(tǒng)

系統(tǒng)包含交流電網(wǎng)、整流換流站、逆變換流站和風(fēng)電場(chǎng)。本文對(duì)風(fēng)電接入受端電網(wǎng)后的影響進(jìn)行了分析。

1.2 臨界換相電壓降

換相失敗是直流輸電中換流站最為常見(jiàn)的故障。本文主要分析交直流混聯(lián)系統(tǒng)下逆變站換相失敗的機(jī)理,可用超前熄弧角?公式說(shuō)明:

(1)

式中:Um為逆變側(cè)交流母線電壓最大值;Id為直流側(cè)電流;k為換流變壓器變比;Xc為換相電抗;β為逆變側(cè)超前觸發(fā)角。本文認(rèn)為當(dāng)γ<7°時(shí)換流站發(fā)生換相失敗。

(2)

由式(2)可推出臨界換相電壓降落ΔU1：

(3)

2 分析和討論

2.1 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)換相失敗的影響分析

風(fēng)電并網(wǎng)的系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

圖2中:V0為主網(wǎng)系統(tǒng)電源側(cè)電壓幅值;Z為等值阻抗;P、Q分別為電網(wǎng)系統(tǒng)電源向負(fù)荷方向輸送的有功和無(wú)功功率;V為并網(wǎng)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值;Pload、Qload分別為并入點(diǎn)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的有功和無(wú)功功率;PWT、QWT分別為接入點(diǎn)風(fēng)電發(fā)出的有功和無(wú)功功率。

圖3為風(fēng)電并入點(diǎn)上的戴維南等效電路圖。

圖3 風(fēng)電接入點(diǎn)的 戴維南等效電路圖

風(fēng)電注入功率改變時(shí),會(huì)使線路上的電流產(chǎn)生ΔI的變化。由圖3的等效電路計(jì)算出風(fēng)電并入電網(wǎng)或者當(dāng)發(fā)電量波動(dòng)時(shí),在并入點(diǎn)上的電壓變化值。

(4)

根據(jù)式(4)可以推出并入點(diǎn)的電壓為:

(5)

式中:φ為風(fēng)電并入點(diǎn)的電網(wǎng)阻抗角;ZS為電網(wǎng)等效阻抗;ΔSWT為風(fēng)力發(fā)電注入功率的變化量;V為風(fēng)電接入點(diǎn)電壓;SK為風(fēng)電并入點(diǎn)處的短路容量;θ為風(fēng)力發(fā)電的功率因數(shù)角;V′為風(fēng)電注入功率改變后并入點(diǎn)的電壓。

2.2 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)逆變側(cè)換流母線電壓影響分析

圖4 風(fēng)電接入交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

(6)

將式(6)中的實(shí)部與虛部分開(kāi)可求得:

(7)

由式(7)可求得有功功率和無(wú)功功率,并將式中的P、Q分別對(duì)U1r、U1i、R、X和U2求全微分得到微分方程,將得到的微分方程用差分方程替換,結(jié)合式(7)可得到如下方程組。

(8)

式中:t為風(fēng)電接入功率發(fā)生改變前;t+1為當(dāng)風(fēng)電接入功率發(fā)生改變后的時(shí)刻。

因此可以推出t+1時(shí)刻換流母線電壓的變化值為:

(9)

(10)

2.3 風(fēng)電接入功率最大變化量修正值

根據(jù)文獻(xiàn)[8]提出的潮流追蹤方法,基于順流功率追蹤和逆流功率追蹤得到相對(duì)應(yīng)的支路潮流計(jì)算。

2.3.1 順流功率追蹤

定義順流功率矩陣SA為:

(11)

式中:Sij為節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j流入的功率;Si為節(jié)點(diǎn)i的功率。

(12)

根據(jù)上述分析易得分配系數(shù)為:

(13)

2.3.2 逆流功率追蹤

與順流功率追蹤的方式相同。根據(jù)矩陣的定義易得定義逆流功率矩陣SB為:

SA=(SB)T

(14)

因此分配系數(shù)為:

(15)

2.3.3 支路潮流追蹤

根據(jù)上面分析可得:

(16)

圖5 潮流追蹤流程圖

2.3.4 風(fēng)電接入功率最大變化量修正值

(17)

式中:Bml為風(fēng)電機(jī)注入換流站節(jié)點(diǎn)功率所占風(fēng)電接入電網(wǎng)總功率比例。

根據(jù)式(10)和式(17)可得修正后風(fēng)電接入功率最大變化量為:

(18)

3 風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)換相失敗辨識(shí)方法

本文研究了風(fēng)電接入功率變化量與風(fēng)電接入功率最大變化量之間的關(guān)系,提出風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗關(guān)聯(lián)因子。其表達(dá)式如下:

(19)

(20)

綜上所述,風(fēng)電引發(fā)直流換相失敗辨識(shí)方法流程如圖6所示。

圖6 風(fēng)電引發(fā)直流換相失敗辨識(shí)方法流程圖

以修正前風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗關(guān)聯(lián)因子為例,提出風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗的辨識(shí)方法:當(dāng)Kw>1時(shí),逆變站發(fā)生直流換相失敗;當(dāng)Kw<1時(shí),系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)發(fā)生電壓波動(dòng)但保持運(yùn)行;當(dāng)Kw=1時(shí),處于臨界換相失敗。

4 算例分析

4.1 電網(wǎng)網(wǎng)架及參數(shù)

本文以某一地區(qū)直流輸電電網(wǎng)為基礎(chǔ)的算例進(jìn)行說(shuō)明。直流輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 直流輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖7為±800 kV特高壓直流工程。A地區(qū)為送端交流電網(wǎng),整流側(cè)AH為換流站經(jīng)兩臺(tái)750/500 kV聯(lián)絡(luò)變接入A地區(qū)750 kV主網(wǎng)相聯(lián)。AH換流站750 kV母線出線4回,分別至A1兩回和A2兩回。在受端B地區(qū)電網(wǎng),逆變側(cè)BH換流站通過(guò)4回500 kV接入B地區(qū)主網(wǎng),BH分別至B1兩回和B2兩回,其中換流母線額定運(yùn)行電壓為525 kV。風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)升壓變壓器接入B地區(qū)主網(wǎng)。

通過(guò)潮流計(jì)算可得,A1與A2向AH提供有功功率6 500 MW和無(wú)功功率1 544.8 Mvar,BH向B1輸送有功功率1 440.7 MW和無(wú)功功率217.3 Mvar,BH向B2輸送有功功率4 706.9 MW和接收無(wú)功功率200.2 Mvar。

4.2 仿真分析

風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)升壓變壓器接入B3,風(fēng)電場(chǎng)的接入最大功率為6 000 MVA。根據(jù)潮流追蹤可知,風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)B3注入B2的功率為3 960 MVA,其占風(fēng)電接入總功率的比例為0.66。

為驗(yàn)證本文提出的風(fēng)電接入功率最大變化量修正值,進(jìn)行仿真試驗(yàn)。風(fēng)電接入功率變化如圖8所示,逆變站關(guān)斷角如圖9所示。

圖8 風(fēng)電接入功率變化圖

圖9 逆變站關(guān)斷角變化圖

圖8和圖9中:γ1、Sw1分別為風(fēng)電接入功率變化量為2 124 MVA時(shí)候的關(guān)斷角和風(fēng)電接入功率;γ2、Sw2分別為風(fēng)電接入功率變化量為3 218 MVA時(shí)候的關(guān)斷角和風(fēng)電接入功率。

由圖8和圖9可知,當(dāng)未修正前,系統(tǒng)在5 s時(shí)風(fēng)電接入功率瞬時(shí)減少了2 124 MVA,此時(shí)關(guān)斷角在5.15 s時(shí)從15°跌到8.85°,換流站未發(fā)生直流換相失敗。根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示,此時(shí)對(duì)于換流站節(jié)點(diǎn)真實(shí)風(fēng)電功率變化量為1 402 MVA,并未達(dá)到最大變化量,因此換流站未發(fā)生直流換相失敗。由此可得,當(dāng)修正前的風(fēng)電接入功率最大值時(shí),還存在26.4%的誤差,因此需要對(duì)風(fēng)電接入功率最大值進(jìn)行修正。

當(dāng)采用風(fēng)電接入功率修正值時(shí),系統(tǒng)在5 s時(shí)風(fēng)電接入功率瞬時(shí)減少了3 218 MVA,此時(shí)關(guān)斷角在5.13 s時(shí)從15°跌到7.12°,此時(shí)處于臨界換相失敗。根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示,此時(shí)對(duì)于換流站節(jié)點(diǎn)真實(shí)風(fēng)電功率變化量為2 124 MVA,達(dá)到最大變化量,因此換流站此時(shí)發(fā)生臨界換相失敗,驗(yàn)證了本文提出的修正風(fēng)電接入功率最大變化量方法的準(zhǔn)確性和可行性。

由計(jì)算所得風(fēng)電接入功率最大修正值,與臨界關(guān)斷角7°相比,還存在1.7%誤差。這是由于當(dāng)風(fēng)電接入功率瞬時(shí)改變時(shí),換流母線電壓瞬時(shí)下降,但是系統(tǒng)其他發(fā)電機(jī)為其支撐,導(dǎo)致電壓向上抬升,造成計(jì)算得到的風(fēng)電接入功率最大變化量修正值有一定誤差。

為驗(yàn)證本文提出的風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗的辨識(shí)方法,通過(guò)某地區(qū)大網(wǎng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。風(fēng)電接入功率變化如圖10所示,逆變站關(guān)斷角如圖11所示。

圖10 風(fēng)電接入功率變化圖

圖11 逆變站關(guān)斷角變化圖

通過(guò)上述仿真分析,驗(yàn)證了提出的風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗的辨識(shí)方法的準(zhǔn)確性和有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提供一種基于潮流追蹤與接入風(fēng)電功率突變的直流輸電換相失敗的辨識(shí)方法。針對(duì)不同的接入節(jié)點(diǎn),功率變化的影響不同,因此需要對(duì)不同的拓?fù)浞謩e進(jìn)行計(jì)算。首先推出風(fēng)電接入功率最大變化量ΔSwmax表達(dá)式,通過(guò)分析在不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,風(fēng)電注入換流站的功率并不等同于風(fēng)電并網(wǎng)的總功率,因此需要對(duì)風(fēng)電接入功率最大變化量進(jìn)行修正。在此基礎(chǔ)上,定義風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)直流換相失敗關(guān)聯(lián)因子。最后根據(jù)關(guān)聯(lián)因子提出風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)直流輸電換相失敗辨識(shí)方法,并在提出通用計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,以某地區(qū)直流輸電電網(wǎng)為例,通過(guò)算例驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性和有效性。