馮剛，劉明康，王棟

（國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

交直流混聯(lián)電網(wǎng)與風(fēng)電場適應(yīng)性穩(wěn)態(tài)分析研究

馮剛，劉明康，王棟

（國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

選取浙江舟山電網(wǎng)現(xiàn)有并網(wǎng)風(fēng)電場與舟山五端柔性直流投運(yùn)后的交直流混聯(lián)運(yùn)行電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)特性為研究對象，通過建模，著重對其穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行校核分析，得出相應(yīng)的結(jié)論來指導(dǎo)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行，促進(jìn)電網(wǎng)和風(fēng)電等新能源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

海島電網(wǎng)；風(fēng)電場；交直流混聯(lián)；適應(yīng)性穩(wěn)態(tài)分析；VSC-MTDC

0 引言

舟山電網(wǎng)受海島地理?xiàng)l件限制，各島嶼呈鏈?zhǔn)椒植?，與舟山本島電網(wǎng)聯(lián)系較弱且島內(nèi)無大的電源支持，運(yùn)行靈活性和供電可靠性較低。海島風(fēng)資源豐富，目前已有97.8 MW風(fēng)電裝機(jī)容量。為提高舟山群島各島供電能力和供電可靠性，掌握多端柔性直流輸電核心技術(shù)，國家電網(wǎng)公司在舟山建設(shè)五端柔性直流輸電示范工程，并于2014年6月投入運(yùn)行。

為分析掌握多端柔性直流接入系統(tǒng)后，舟山交直流混聯(lián)電網(wǎng)與并網(wǎng)風(fēng)電的適應(yīng)性問題，需對舟山電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)水平進(jìn)行校核。本文基于PSS/E軟件，搭建五端柔性直流、舟山電網(wǎng)以及風(fēng)電機(jī)組的數(shù)字仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行潮流計(jì)算和分析，給出舟山交直流混聯(lián)電網(wǎng)與并網(wǎng)風(fēng)電的適應(yīng)性穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果。

1 舟山電網(wǎng)概況

舟山電網(wǎng)是浙江省11個(gè)地市電網(wǎng)中唯一的海島電網(wǎng)，目前，其最高電壓等級為220 kV。舟山主網(wǎng)通過江南—岑港1回、江南—大豐1回、厚墩—雙嶼1回110 kV線路及春曉—昌洲2回220 kV線路與浙江大陸電網(wǎng)相聯(lián)；嵊泗電網(wǎng)通過上?！鱼簟?0 kV直流輸電線路與上海電網(wǎng)相聯(lián)；舟山主網(wǎng)與嵊泗電網(wǎng)通過1回110 kV線路聯(lián)網(wǎng)。目前舟山電網(wǎng)裝機(jī)容量較大的電廠有朗熹電廠（650 MW）和舟山電廠（260 MW），分別以220 kV和110 kV電壓等級上網(wǎng)。

舟山電網(wǎng)目前在舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島已建成投運(yùn)五端柔性直流輸電工程。舟山五端柔性直流工程是基于IGBT（全控型電力電子器件）的新一代直流輸電技術(shù)，電壓源換流器采用最新型的MMC（模塊化多電平換流器），工程的直流電壓水平和各換流站容量如表1所示。

舟山電網(wǎng)目前已建成的風(fēng)電場有3座，分別為長白風(fēng)電場、衢山風(fēng)電場和岑港風(fēng)電場。其中長白風(fēng)電場共布置8臺HW77/1500的雙饋風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)規(guī)模12 MW，以1回35 kV線路接入220kV云頂供區(qū)；岑港風(fēng)電場共布置30臺HW77/ 1500的雙饋風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)規(guī)模45 MW，以1回110 kV線路接入220 kV云頂供區(qū)；衢山風(fēng)電場共布置48臺V52-850的定速風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)規(guī)模40.8 MW，以2回35 kV線路接入110 kV大衢變電站。衢山風(fēng)電場裝設(shè)2套±4 Mvar的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備。

表1 舟山多端柔性直流輸電工程電壓水平和各站容量

2 風(fēng)電場建模方法

風(fēng)電場發(fā)電機(jī)數(shù)量眾多，為減少仿真計(jì)算量，可將幾十臺風(fēng)機(jī)等效成1臺或多臺等值機(jī)，建立風(fēng)電場等值模型。風(fēng)電場內(nèi)部各風(fēng)機(jī)先通過升壓變壓器升壓，經(jīng)匯集線接入變電站升壓后送出至外部電力系統(tǒng)。在對風(fēng)電場進(jìn)行等值建模時(shí)，考慮到風(fēng)電場內(nèi)部線路及發(fā)電機(jī)升壓變的損耗，不能忽略集電系統(tǒng)對潮流計(jì)算的影響。潮流計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場中風(fēng)電機(jī)組的排列將風(fēng)電場內(nèi)部的集電線路等效成1個(gè)等值阻抗。風(fēng)電場等值模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場等值系統(tǒng)

本文采用了一種基于實(shí)際系統(tǒng)和等值系統(tǒng)的線路損耗相等來計(jì)算等值阻抗的方法：

已知各風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出口電流，根據(jù)基爾霍夫電流定律，可知所有線路上的電流，由此可以計(jì)算出所有線路上的損耗，進(jìn)而可以得到集電系統(tǒng)的等效線路阻抗Zeq：

式中：Ij和Zj分別為流過線路j的電流和線路j的阻抗；L為風(fēng)電場內(nèi)部所有線路集合；I為風(fēng)電場出口處的總電流。

學(xué)生在進(jìn)行時(shí)事新聞評論活動(dòng)時(shí)，從選題分析到團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作，從素材的選擇到PPT制作，從資料收集到理論探討，從語言表達(dá)到交流互動(dòng)，都是對自身能力的訓(xùn)練，每一個(gè)細(xì)節(jié)都體現(xiàn)了學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性。不同學(xué)生的審美風(fēng)格以及不同觀點(diǎn)，會使課堂成為一個(gè)五彩繽紛的萬花筒。通過找、選、做、講、評等活動(dòng)鍛煉了學(xué)生的綜合能力，是實(shí)現(xiàn)了學(xué)生間的共享，促進(jìn)了師生的良性互動(dòng)。

線路電納產(chǎn)生的功率與電壓的平方成正比，而一般電壓都接近額定值，其標(biāo)么值基本相同，因此基于功率相等的原則，等值系統(tǒng)的線路等值電納Beq等于風(fēng)電場內(nèi)所有電納之和：

式中：Bj為線路j的電納。

每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)都通過升壓變壓器接入風(fēng)電場。同樣，由發(fā)電機(jī)的出口電流可得到各升壓變壓器的損耗，基于實(shí)際系統(tǒng)和等效系統(tǒng)的升壓變壓器損耗相等原則，可以得到等效系統(tǒng)中升壓變壓器的阻抗ZT：

式中：ITj和ZTj分別為流過發(fā)電機(jī)升壓變壓器j的電流和變壓器j的阻抗；T為風(fēng)電場內(nèi)部所有發(fā)電機(jī)升壓變壓器集合。

3 潮流計(jì)算過程中風(fēng)電機(jī)組的處理方法

含風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的關(guān)鍵是正確處理異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。本文的處理方法是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為常規(guī)發(fā)電機(jī)，再根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的類型對發(fā)電機(jī)的無功功率限制作相應(yīng)處理，方法如下：

（1）對于定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組（PSS/E中相對應(yīng)的為WT1和WT2模型），看作是功率輸出固定的風(fēng)機(jī)，無功限制由風(fēng)機(jī)有功出力PG和特定的功率因數(shù)cosφ確定，即吸收的無功功率為：QG=Qmax=Qmin=PG×tanφ。為使風(fēng)電機(jī)組在固定的功率因數(shù)下運(yùn)行，采用定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的風(fēng)電場應(yīng)該加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

（2）對于變速風(fēng)電機(jī)組，如基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和全功率換流器的風(fēng)電機(jī)組（PSS/E中相對應(yīng)的為WT3和WT4模型），看作是參與電壓控制的風(fēng)機(jī)，無功限制由功率因數(shù)和風(fēng)機(jī)的有功功率輸出確定，即吸收或發(fā)出的無功功率為：Qmin≤

QG≤Qmax，其中Qmax=-Qmin=|PG×tanφ|。

4 VSC-MTDC潮流計(jì)算模擬處理方法

VSC-MTDC（基于電壓源型換流器的多端直流輸電）的每個(gè)換流器可以獨(dú)立控制注入交流網(wǎng)絡(luò)的有功功率和無功功率，每個(gè)換流器的交流母線可視為PQ或PV節(jié)點(diǎn)，由于PSS/E中無VSC-MTDC模型，處理方法是在潮流計(jì)算中將每個(gè)換流站用1臺發(fā)電機(jī)代替。多端柔性直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，1端換流器控制直流電壓，其他換流器控制交流側(cè)有功功率。在計(jì)算含VSC-MTDC系統(tǒng)的潮流時(shí)，未知的變量為定直流電壓換流站注入交流系統(tǒng)的有功功率。

（1）確定已知量。已知定直流電壓換流站的直流電壓、其他定有功功率換流站注入交流系統(tǒng)的有功功率、所有換流站的交流側(cè)無功功率（或交流母線電壓）、直流網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣。

（2）估算每個(gè)換流站的損耗。每個(gè)換流站的損耗對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響很小。

（3）將定有功功率換流站注入交流系統(tǒng)的有功功率減去換流站損耗，得到其直流側(cè)功率。

（4）VSC-MTDC直流網(wǎng)絡(luò)中，由于定直流電壓換流站的直流電壓、其它定有功功率換流站的直流側(cè)功率均已知，因此可進(jìn)行直流潮流求解，得到定直流電壓換流站的直流側(cè)功率和定有功功率換流站的直流電壓。

（5）通過定直流電壓換流站直流側(cè)功率加上換流站損耗，得到其注入交流系統(tǒng)的有功功率。

（6）對整個(gè)外部交直流系統(tǒng)進(jìn)行潮流求解。由于每個(gè)換流站注入交流系統(tǒng)的有功功率已知，相當(dāng)于每個(gè)用來表示換流站的發(fā)電機(jī)的有功出力已知。因此可利用PSS/E對整個(gè)外部交直流系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，得到每個(gè)換流站交流母線的電壓、有功功率、無功功率。

（7）計(jì)算等效電阻R的值。每個(gè)換流站交流側(cè)模型如圖2所示。由于之前每個(gè)換流站損耗已由估算得到，而此時(shí)交流母線注入換流站的電流is也可由換流站交流母線的電壓、有功功率、無功功率計(jì)算得到，因此等效電阻R的值可由每個(gè)換流站損耗和交流母線注入換流站的電流is計(jì)算得到。

圖2 電壓源型換流器交流側(cè)等效電路

以上潮流求解方法將VSC-MTDC和外部系統(tǒng)解耦為2個(gè)網(wǎng)絡(luò)，只需1次VSC-MTDC直流網(wǎng)絡(luò)潮流求解和1次對外部系統(tǒng)的潮流求解，適合在PSS/E等商業(yè)化軟件中實(shí)現(xiàn)。

5 舟山交直流混聯(lián)電網(wǎng)潮流計(jì)算結(jié)果分析

五端柔性直流系統(tǒng)接入舟山電網(wǎng)后，對應(yīng)舟山電網(wǎng)2014年夏季高峰數(shù)據(jù)，對舟山交直流混聯(lián)電網(wǎng)在風(fēng)電滿出力和無出力的情況，由多端柔性直流和交流線路各帶50%負(fù)荷供電的方式，選取2014年夏季高峰典型方式下的潮流分布進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)行方式的選取見表2。

表2 舟山交直流電網(wǎng)運(yùn)行方式安排

通過對上述4種方式的潮流計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

（1）在系統(tǒng)全接線方式下，衢山風(fēng)電場將影響衢山、岱山、定海換流站的功率安排和相應(yīng)交流聯(lián)網(wǎng)線的潮流分布。岑港與長白風(fēng)電場由于接入電網(wǎng)位置的原因，對多端柔性直流系統(tǒng)的潮流分布沒有明顯影響。衢山風(fēng)電場直接影響衢山地區(qū)的功率平衡。在風(fēng)電無出力時(shí)，衢山換流站為柔性直流系統(tǒng)的受端，向衢山負(fù)荷供電。在風(fēng)電滿出力時(shí)，衢山風(fēng)電場提供的出力超過整個(gè)衢山地區(qū)的負(fù)荷，蓬萊—大衢2回110 kV聯(lián)網(wǎng)線潮流反向，風(fēng)電通過柔性直流線路送出，此時(shí)衢山換流站變成柔性直流系統(tǒng)新的送端。

（2）在系統(tǒng)全接線方式下，從無功角度看，各換流站均具備強(qiáng)大的無功調(diào)節(jié)能力，舟山多端柔性直流系統(tǒng)的接入將在很大程度上改善舟山島際電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)能力。同時(shí)3個(gè)風(fēng)電場的并聯(lián)電容器和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備均能提供充足的無功功率，使得穩(wěn)態(tài)狀況下風(fēng)電場可以基本保持設(shè)定電壓值。但需要注意的是：在實(shí)際運(yùn)行中，多端柔性直流系統(tǒng)需要與舟山機(jī)組協(xié)調(diào)控制無功輸出，避免各換流站無功輸出或吸收過多，導(dǎo)致舟山機(jī)組無功進(jìn)相或滯相越限。

（3）當(dāng)昌洲—云頂和朗熹—云頂2回220 kV交流線路檢修時(shí)，220 kV云頂變電站與外部電網(wǎng)無交流聯(lián)系，形成孤島，且孤島中含有岑港和長白2座風(fēng)電場。此時(shí)岱山換流站由定有功控制模式轉(zhuǎn)換至定直流電壓控制模式，維持多端柔性直流系統(tǒng)的有功功率平衡；定海換流站轉(zhuǎn)換為孤島運(yùn)行模式，維持孤島穩(wěn)定的交流電壓，并平衡岑港和長白2座風(fēng)電場出力以及云頂變電站下送負(fù)荷的波動(dòng)。

（4）當(dāng)蓬萊—大衢2回110 kV交流線路檢修時(shí)，衢山、嵊泗組成的電網(wǎng)與外部電網(wǎng)無交流聯(lián)系，形成孤島。該系統(tǒng)中的電源包括嵊泗傳統(tǒng)直流逆變站、大衢換流站和泗礁換流站，此時(shí)選擇衢山換流站作為平衡節(jié)點(diǎn)來應(yīng)對衢山風(fēng)電場出力的波動(dòng)。

（5）通過計(jì)算，前文（3）和（4）中的2種檢修方式在風(fēng)電滿出力和無出力的情況下，云頂供區(qū)、嵊泗電網(wǎng)和110 kV大衢變電站電壓監(jiān)測點(diǎn)的電壓均能保持在正常范圍內(nèi)，各主要輸送通道潮流均不會越限。多端柔性直流系統(tǒng)投運(yùn)后，舟山電網(wǎng)在主要交流輸送通道檢修方式下，柔性直流系統(tǒng)可以滿足并網(wǎng)風(fēng)電場送出要求。

（6）通過計(jì)算，朗熹—蓬萊、昌洲—蓬萊2回220 kV線路檢修時(shí)，朗熹—云頂、昌洲—云頂2回220 kV線路在2014年夏季高峰風(fēng)電無出力時(shí)輸送的有功功率最大，約為160 MW。朗熹—云頂、昌洲—云頂2回220 kV交流線路輸送的極限均約為200 MW，不會出現(xiàn)過載問題。

6 結(jié)語

舟山五端柔性直流系統(tǒng)投運(yùn)后，舟山電網(wǎng)形成了典型的交直流混聯(lián)運(yùn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。本文介紹了PSS/E商業(yè)軟件風(fēng)電和多端柔性直流的建模方法、風(fēng)電機(jī)組在潮流計(jì)算中的處理方法，給出了舟山交直流混聯(lián)電網(wǎng)與并網(wǎng)風(fēng)電的適應(yīng)性穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果。

隨著能源緊缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，光伏、風(fēng)電等可再生能源的大力開發(fā)和利用是必然趨勢。舟山地處海島，各島嶼風(fēng)能資源豐富，根據(jù)初步規(guī)劃，2015年，舟山市陸上風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到300 MW，舟山市近海風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到600 MW，后續(xù)還將進(jìn)一步增長。舟山五端柔性直流系統(tǒng)投運(yùn)前，舟山電網(wǎng)各島際交流聯(lián)系薄弱，基礎(chǔ)負(fù)荷較小，無法滿足風(fēng)電的就地消納和送出。五端柔性直流系統(tǒng)投運(yùn)后，對舟山電網(wǎng)島際聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，系統(tǒng)強(qiáng)大的無功調(diào)節(jié)能力和輸送能力有效平抑了風(fēng)電出力波動(dòng)引起的電壓和潮流波動(dòng)，滿足風(fēng)電的送出，為舟山后續(xù)風(fēng)電開發(fā)和接入電網(wǎng)提供了技術(shù)條件。

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（本文編輯：趙曉明）

Steady-state Analysis Research on Adaptability of AC/DC Hybrid Grid and Wind Farm

FENG Gang，LIU Mingkang，WANG Dong
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316021，China）

Taking the existing grid-integrated wind farms in Zhoushan power grid and steady-state characteristics of AC/DC hybrid grid with the operation of flexible DC system in Zhoushan station 5 as research subject，the paper checks and analyzes the steady-state characteristics by means of modeling;furthermore，it draws a conclusion to guide real operation of power grid and enhance coordinated development of power grid and new energy resources such as wind power.

island power grid；wind farm；AC/DC hybrid system；steady-state analysis on adaptability；VSCMTDC

TM744+.4

B

1007-1881（2015）06-0016-04

2014-12-11

馮剛（1979），男，工程師，技師，從事電網(wǎng)新能源并網(wǎng)管理及調(diào)度運(yùn)行管理工作。