蒙金有，李宏強(qiáng)，薛曉輝，高 峰，張 爽

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001；

2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；

3.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

新能源發(fā)電技術(shù)

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)與直流運(yùn)行交互影響仿真分析

蒙金有1，李宏強(qiáng)2，薛曉輝3，高 峰2，張 爽2

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001；

2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；

3.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

為了研究大規(guī)模風(fēng)電集中接入，高比例風(fēng)火、電打捆外送給交直流混合電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)建立典型風(fēng)、火電打捆交直流外送系統(tǒng)模型，從風(fēng)機(jī)無(wú)功控制模式，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，風(fēng)、火電打捆比例以及直流閉鎖故障等方面仿真分析了交直流混合電網(wǎng)中風(fēng)電與直流運(yùn)行的交互影響。仿真結(jié)果表明：風(fēng)、火電打捆外送的交直流混合電網(wǎng)需要配備一定比例的常規(guī)電源，常規(guī)電源的強(qiáng)慣量和優(yōu)良的無(wú)功電壓支撐能較好地支持新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行，有利于降低電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，減緩新能源發(fā)電波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)直流運(yùn)行的影響，提升電網(wǎng)直流運(yùn)行的可靠性。

新能源并網(wǎng)；交直流電網(wǎng)；交互影響；風(fēng)火電比例

隨著新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)風(fēng)、光新能源資源豐富的西北地區(qū)已建成多座大規(guī)模集中接入的風(fēng)、光能源基地，但是我國(guó)負(fù)荷中心位于“三華”地區(qū)，需要采取以新能源通過(guò)特高壓直流遠(yuǎn)距離輸送至負(fù)荷中心消納為主，以大規(guī)模分散接入、就近接入、就地消納為輔的消納方式。

10 GW級(jí)的風(fēng)、光混合能源基地分布相對(duì)較近，且通過(guò)基于傳統(tǒng)晶閘管換流技術(shù)特高壓大容量直流送出，大規(guī)模風(fēng)、光新能源與直流運(yùn)行將相互作用、影響給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)，因此研究大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)與直流運(yùn)行交互影響具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)與直流之間的影響已有了一些相關(guān)研究，文獻(xiàn)［1-2］研究了風(fēng)、火打捆直流外送型電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的暫態(tài)特性的影響，文獻(xiàn)［3-4］研究了特高壓直流故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響，文獻(xiàn)［5］研究了風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化、風(fēng)電場(chǎng)故障等對(duì)直流系統(tǒng)的影響。

以上研究只是著重分析了直流系統(tǒng)本身對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響以及風(fēng)速變化、風(fēng)電場(chǎng)故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響，然而依然有以下問(wèn)題需要更進(jìn)一步研究：

（1）風(fēng)功率波動(dòng)時(shí)，不同風(fēng)機(jī)控制模式對(duì)直流運(yùn)行的影響。

（2）風(fēng)功率波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)直流運(yùn)行的影響。

（3）直流送端系統(tǒng)，不同風(fēng)、火電配置比例對(duì)電網(wǎng)直流運(yùn)行的影響。

（4）直流閉鎖故障引起的大規(guī)模功率回退，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的影響。

針對(duì)以上這些問(wèn)題，本文以某一典型風(fēng)、火電打捆直流外送系統(tǒng)為例，利用電力系統(tǒng)分析綜合程 序（Power system analysis software package, PSASP）建立該典型系統(tǒng)仿真模型，仿真分析了風(fēng)機(jī)控制模型、風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、火電、風(fēng)電比例對(duì)直流的影響和直流閉鎖后對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。

2 風(fēng)電與直流運(yùn)行交互影響仿真分析

2.1 風(fēng)火打捆交直流外送系統(tǒng)及建模

2.1.1 風(fēng)火打捆交直流外送系統(tǒng)

結(jié)合西北地區(qū)風(fēng)火打捆直流外送實(shí)際情況，本文建構(gòu)了光新能源與常規(guī)火電打捆交直流外送的典型系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)火打捆交直流外送典型系統(tǒng)

圖1所示的典型系統(tǒng)風(fēng)電總裝機(jī)13 GW，機(jī)組類型均為雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組，配套火電機(jī)組裝機(jī)容量11.4 GW，風(fēng)、火電通過(guò)交直流線路送出，其中直流額定輸送容量為8 GW。

2.1.2 風(fēng)電機(jī)組模型

變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前應(yīng)用比較廣泛的風(fēng)機(jī)類型，本文采用PSASP中的雙饋風(fēng)機(jī)模型，它主要包括風(fēng)功率轉(zhuǎn)換模型、轉(zhuǎn)子機(jī)械部分模型、雙饋風(fēng)電機(jī)組模型、變流器控制模型、故障期間控制模型及槳距角控制系統(tǒng)模型等，模型總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中參數(shù)含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)［6］。

圖2 PSASP雙饋風(fēng)機(jī)模型總體結(jié)構(gòu)

2.1.3 直流模型

直流模型采用PSASP程序提供的5型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)直流模型，其控制主要包括電流控制、電壓控制、最小觸發(fā)角控制，γ角控制等，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中參數(shù)含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)［6］。

圖3 PSASP程序5型直流模型控制框架

2.2 風(fēng)機(jī)控制模式對(duì)直流系統(tǒng)的影響

目前風(fēng)機(jī)控制模式可分為單位功率因數(shù)控制和無(wú)功電壓控制。若按照風(fēng)電機(jī)組恒功率因數(shù)為1的控制模式，即風(fēng)電機(jī)組與系統(tǒng)之間的無(wú)功支撐較弱，若風(fēng)功率波動(dòng)引起風(fēng)電機(jī)組無(wú)功缺乏，由于其不從系統(tǒng)吸收或發(fā)出無(wú)功，會(huì)引起風(fēng)機(jī)側(cè)電壓的變化；對(duì)于近電氣距離大規(guī)模風(fēng)電直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，風(fēng)電與直流近距離耦合，由于風(fēng)功率波動(dòng)，會(huì)影響到直流系統(tǒng)的交流換流母線電壓，交流換流母線電壓變化后，對(duì)直流系統(tǒng)可靠運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響。若風(fēng)電機(jī)組采取定電壓控制，其相應(yīng)的無(wú)功電壓性能則比恒功率因數(shù)控制要好。

基于圖1所示的某風(fēng)、火電打捆直流外送系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)2種控制模式下分別進(jìn)行仿真分析，比較得出相同風(fēng)功率波動(dòng)下，風(fēng)電機(jī)組不同控制模式對(duì)直流系統(tǒng)的影響。

仿真中對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)置漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)，初始風(fēng)速為9.1 m/s，漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)啟動(dòng)時(shí)刻為5 s，終止時(shí)刻為15 s，保持時(shí)間是40 s，增加最大值是1.5 m/s，模擬風(fēng)電出力迅速提高至最大值。風(fēng)速變化曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)速擾動(dòng)曲線

風(fēng)速快速變化時(shí)，風(fēng)機(jī)在不同控制模式下，風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓、風(fēng)機(jī)無(wú)功功率、換流站母線電壓以及直流線功率變化情況如圖5至圖8所示。

圖5 風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓變化曲線

圖6 單臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功功率變化曲線

圖7 直流換流母線電壓變化曲線

從圖5至圖8可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)采取單位功率因數(shù)控制，隨著風(fēng)速的大幅上升，風(fēng)機(jī)有功出力逐漸增大，拉低系統(tǒng)電壓。由于單位功率因數(shù)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功電壓的弱支撐，風(fēng)機(jī)無(wú)法保持其機(jī)端電壓為恒定值，機(jī)端電壓隨之降低（圖5）。風(fēng)電機(jī)端電壓的下降，進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓的降低（圖7）。按照直流系統(tǒng)自身控制模式，隨著換流母線電壓下降，直流為了保證可靠送出，降低觸發(fā)滯后角來(lái)保證整流側(cè)直流電壓穩(wěn)定，直至觸發(fā)滯后角降至最小后，直流整流側(cè)切換至定最小觸發(fā)滯后角（αmin）控制，隨著換流母線電壓的進(jìn)一步降低，整流側(cè)電壓降低，直流送出功率Pd也隨著下降（圖8）。

相對(duì)于單位功率因數(shù)控制而言，風(fēng)電機(jī)組定電壓控制可以為系統(tǒng)提供更多的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐（圖6），改善了風(fēng)速增加后系統(tǒng)的無(wú)功電壓特性，換流母線電壓下降程度要小于定功率因數(shù)控制。隨著換流母線電壓的降低。整流側(cè)觸發(fā)滯后角α也會(huì)下降，但是未跌至αmin，整流側(cè)電壓保持不變，直流維持額定輸電功率不變，能夠可靠送出。

2.3 風(fēng)電場(chǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)直流系統(tǒng)的影響

按照文獻(xiàn)［7］中的規(guī)定，在風(fēng)電場(chǎng)配置了一定容量的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容性容量等于感性容量，為風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的20%。

在圖4所示的相同風(fēng)速擾動(dòng)下，仿真分析了風(fēng)電場(chǎng)有無(wú)配置靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置2種情況下對(duì)直流送出的影響，風(fēng)功率波動(dòng)期間，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓、直流換流站母線電壓、直流功率變化情況如圖9至圖11所示。

圖9 風(fēng)場(chǎng)側(cè)母線電壓變化曲線

圖10 直流換流母線電壓變化曲線

圖11 直流有功功率變化曲線

在風(fēng)場(chǎng)側(cè)不安裝靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator，SVC）時(shí)，若發(fā)生風(fēng)功率波動(dòng)，隨著風(fēng)速的大幅上升，風(fēng)機(jī)有功出力逐漸增大，由于無(wú)功補(bǔ)償不足，風(fēng)場(chǎng)側(cè)機(jī)端電壓迅速降低，換流母線電壓也隨之下降，此時(shí)直流系統(tǒng)降低觸發(fā)滯后角α來(lái)保證維持整流側(cè)電壓保持不變。當(dāng)觸發(fā)滯后角降低至最小αmin時(shí)，直流整流側(cè)切換至定αmin控制，隨著換流母線電壓Uc的進(jìn)一步降低，整流側(cè)電壓降低，直流送出功率Pd也隨之下降。

風(fēng)場(chǎng)側(cè)安裝SVC后，隨著風(fēng)速的上升，風(fēng)電機(jī)組出力增大，為了維持風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓的恒定，SVC將發(fā)出部分無(wú)功功率。但由于系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償不足，換流母線電壓仍會(huì)降低，隨后SVC在發(fā)出無(wú)功功率繼續(xù)增大，為直流母線電壓的快速恢復(fù)提供了有利的條件。此時(shí)觸發(fā)滯后角也跌至最小觸發(fā)角，但整流側(cè)電壓沒(méi)有變化，直流系統(tǒng)維持輸電功率不變，能夠可靠送出。

2.4 風(fēng)、火電不同比例對(duì)直流系統(tǒng)的影響

對(duì)圖1所示的系統(tǒng)，調(diào)整5種不同風(fēng)、火電比例方式，分析風(fēng)、火電不同比例對(duì)直流系統(tǒng)的影響。5種方式風(fēng)、火電出力大小及比例如表1所示。

表1 不同風(fēng)、火電比例的5種方式

在5種方式下，施加一定的風(fēng)速擾動(dòng)，保證一定的風(fēng)功率波動(dòng)量，風(fēng)機(jī)控制無(wú)功控制模式統(tǒng)一采用恒功率因數(shù)控制，風(fēng)功率波動(dòng)引起的換流母線電壓和直流功率變化情況如表2及圖12、圖13所示。

表2 不同風(fēng)、火電比例下輸送容量波動(dòng)

圖12 5種方式下直流母線電壓變化曲線

圖13 5種方式下直流功率變化曲線

由表2及圖12、圖13可以看出，在風(fēng)功率波動(dòng)總量保持一定的前提下，風(fēng)、火電新能源基地中火電出力所占比重越大，火電機(jī)組能夠提供的無(wú)功功率也隨之變大，在風(fēng)功率快速增大時(shí)向電網(wǎng)注入無(wú)功，抑制直流換流母線電壓的跌落，保證直流正常運(yùn)行；反之，火電比例減小時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)組無(wú)功支撐較弱，不能保證換流站母線電壓在正常范圍內(nèi)，導(dǎo)致直流功率下降。

2.5 直流閉鎖故障對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)可靠性影響

調(diào)整圖1所示的典型系統(tǒng)為交流受電方式，受電功率約為6 GW，風(fēng)電總出力為1.9 GW，風(fēng)機(jī)機(jī)組采用單位功率因數(shù)控制，直流輸送功率8 GW，仿真過(guò)程為：在0 s時(shí)設(shè)置直流線路單極閉鎖，0.02 s后切除一半容量的濾波器。仿真結(jié)果如圖14-圖17所示。

圖14 風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓變化曲線

圖15 交流線路有功功率變化曲線

圖16 換流母線電壓變化曲線

圖17 脫網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組有功功率變化曲線

由圖14-圖17可知，在直流單級(jí)閉鎖故障后，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，但閉鎖后有4 GW的冗余功率將通過(guò)交流線路送出，交流外送通道單回線路輸送容量從外送3 GW迅速下降至1 GW，使得系統(tǒng)主網(wǎng)電壓迅速升高，風(fēng)場(chǎng)側(cè)機(jī)端電壓也隨之上升，達(dá)到風(fēng)機(jī)規(guī)定的高壓穿越的閾值和持續(xù)時(shí)間，風(fēng)機(jī)從主網(wǎng)切除。

3 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)

風(fēng)機(jī)控制模式、風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、風(fēng)、火電配置比例都會(huì)影響直流送出的可靠性，而直流閉鎖又會(huì)影響風(fēng)電并網(wǎng)的可靠性。

（1）風(fēng)功率波動(dòng)引起直流母線電壓波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組采用功率因數(shù)控制時(shí)，風(fēng)電機(jī)組無(wú)功支撐弱，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓降低，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流站母線電壓降低，直流功率也隨之降低，而風(fēng)機(jī)采用定電壓控制可以為系統(tǒng)提供一定的無(wú)功支撐，改善直流母線電壓特性，直流可以可靠送出。

（2）風(fēng)電場(chǎng)安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC后，風(fēng)電機(jī)組出力增大時(shí)，為了維持風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓的恒定，SVC將發(fā)出部分無(wú)功功率，為直流母線電壓的快速恢復(fù)提供了有利的條件，保證了直流系統(tǒng)維持輸電功率不變，能夠可靠送出。

（3）風(fēng)、火電新能源基地中火電出力所占比重越大，火電機(jī)組能夠提供的無(wú)功功率也隨之變大，在風(fēng)功率快速增大時(shí)可向電網(wǎng)注入無(wú)功，抑制直流換流母線電壓的跌落，保證直流正常運(yùn)行；反之，火電比例越小，由于風(fēng)電機(jī)組無(wú)功支撐較弱，不能保證換流站母線電壓在正常范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致直流功率下降。

（4）直流閉鎖后系統(tǒng)大量功率盈余，導(dǎo)致系統(tǒng)母線電壓迅速上升，風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓也上升，達(dá)到風(fēng)機(jī)高壓穿越閾值，引起大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。

4 結(jié)論

（1）新能源波動(dòng)變化影響到新能源接入及送出區(qū)域的無(wú)功電壓，進(jìn)而影響到直流系統(tǒng)交流換流母線電壓，交流換流母線電壓波動(dòng)降低到一定程度，會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)外送功率發(fā)生波動(dòng)，影響到直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

（2）風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)如果具有恒電壓控制模式，或者新能源場(chǎng)站配置足夠容量，且性能合乎標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，在新能源發(fā)電并網(wǎng)無(wú)功電壓波動(dòng)期間，新能源可提供較好的動(dòng)態(tài)支撐，有利于降低系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，進(jìn)而減緩了新能源波動(dòng)對(duì)直流運(yùn)行的影響。

（3）風(fēng)、火電打捆需要配備一定比例的常規(guī)電源，常規(guī)電源的強(qiáng)慣量、優(yōu)良的無(wú)功電壓支撐能較好地支撐波動(dòng)性的新能源運(yùn)行，使得風(fēng)火的有功、無(wú)功能平滑運(yùn)行，增強(qiáng)送端電網(wǎng)安全性，提升了直流運(yùn)行的可靠性。

（4）直流系統(tǒng)閉鎖后，較大的能量對(duì)送端電網(wǎng)構(gòu)成沖擊，通道母線電壓會(huì)出現(xiàn)較大的提升，新能源易發(fā)生規(guī)?；母邏好摼W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要在電網(wǎng)側(cè)強(qiáng)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在新能源側(cè)提高新能源抗高壓脫網(wǎng)能力。

［1］ 郭小江，趙麗莉，湯奕，等.風(fēng)火打捆交直流外送系統(tǒng)功角暫態(tài)穩(wěn)定研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（22）：19-25.

［2］ 李生福，張愛(ài)玲，李少華，等.風(fēng)火打捆交直流外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（1）：108-114.

［3］ 王衡，姚秀萍，常喜強(qiáng)，等.特高壓直流故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)送出可靠性的影響及改進(jìn)措施[J].電工電氣，2014（5）：29-33.

［4］ 屠競(jìng)哲，張健，劉明松，等.風(fēng)火打捆直流外送系統(tǒng)直流故障引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)問(wèn)題研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（12）：3333-3338.

［5］ 張新燕，孟瑞龍，梅生偉，等.含大規(guī)模風(fēng)電送端系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)的影響[J].高電壓技術(shù)，2015，41（3）：730-738.

［6］ 電力系統(tǒng)綜合分析程序使用手冊(cè)[R].中國(guó)電力科學(xué)研究院.

［7］ GB/T 19963—2011，風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].

Simulation analysis on interaction of large scale wind power integration and DC operation in power grid

MENG Jinyou1,LI Hongqiang2,XUE Xiaohui3,GAO Feng2,ZHANG Shuang2
(1.Dispatching&Control Center of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750001,China;
2.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China;
3.State Grid Beijing Power Company,Beijing 100031,China)

In order to research the large scale wind power centralized access,high proportion wind power and thermal power blending transmission bring the steady operation risk for AC/DC hybrid power grid,establishes representative wind power and thermal power blending,AC/DC hybrid transmission system model,analyzes the interaction of wind power and DC operation of AC/DC hybrid power grid,from reactive power control mode of wind generator,dynamic reactive power compensation of the wind farm,proportion of wind power and thermal power and DC blocking failures.The simulation result shows that wind power and thermal power blending transmission needs a percentage of regular power source.The strong inertia of the regular power source and fine reactive power can support volatility of new energy integration operation.It is beneficial to reduce the voltage fluctuation of power grid system,alleviates the impact of new energy power generation fluctuation for power grid DC operation and promotes the DC operation reliability of power grid.

new energy integration;AC/DC power grid;interaction;proportion of wind power and thermal power

TM74

A

1672-3643（2017）01-0048-06

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.010

2016-10-11

蒙金有（1971），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行控制與管理。

有效訪問(wèn)地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.010