習(xí)工偉，趙兵，鄭帥飛，沈琳，賈琦，袁超

(電網(wǎng)安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司),北京市 100192)

0 引言

截止2020年底,張家口可再生能源規(guī)劃裝機(jī)容量達(dá)20000 MW。 張北柔直工程建成后,可以解決約14000 MW 新能源裝機(jī)的電力送出(同時(shí)率0.6),2020年仍存在約6000 MW 新能源裝機(jī)送出受限問題。 后續(xù)張北地區(qū)新能源裝機(jī)規(guī)模進(jìn)一步增長(zhǎng),新能源消納問題將進(jìn)一步加劇。 建設(shè)張北—雄安(簡(jiǎn)稱張雄)特高壓交流工程可緩解張北地區(qū)千萬(wàn)千瓦級(jí)新能源基地棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。

張雄特高壓交流工程是我國(guó)交流孤島送出純新能源電力的首個(gè)工程,工程配套千萬(wàn)千瓦級(jí)電源全部為新能源機(jī)組,嚴(yán)重缺乏常規(guī)電源支撐,新能源接入交流電網(wǎng)短路容量較低。 此外,由于千萬(wàn)千瓦級(jí)新能源基地新能源機(jī)組數(shù)量龐大、類型多樣,不同新能源機(jī)組動(dòng)態(tài)行為各異,近區(qū)交流系統(tǒng)故障下大規(guī)模新能源動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜且新能源機(jī)組與場(chǎng)站動(dòng)態(tài)無(wú)功設(shè)備交互作用,將對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大挑戰(zhàn)。

目前相關(guān)研究在大規(guī)模新能源經(jīng)特高壓交流外送系統(tǒng)輸送能力受限原因方面尚未厘清,已有研究主要集中在新能源與常規(guī)火電打捆經(jīng)直流送出或高比例新能源經(jīng)交直流聯(lián)合送出穩(wěn)定問題分析。 如文獻(xiàn)[1]研究了風(fēng)火打捆經(jīng)交直流聯(lián)合送出暫態(tài)過電壓機(jī)理,文獻(xiàn)[2]分析了暫態(tài)過電壓引起風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),文獻(xiàn)[3]分析了風(fēng)機(jī)低電壓穿越控制對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的影響并提出優(yōu)化措施,文獻(xiàn)[4-7]主要研究了不同類型直流故障對(duì)于新能源匯集區(qū)暫態(tài)過電壓的影響與對(duì)策。

本文首先研究制約大規(guī)模新能源經(jīng)特高壓交流送出能力的關(guān)鍵因素,然后定性分析暫態(tài)過電壓制約新能源經(jīng)特高壓交流送出的影響因素,接著研究穩(wěn)態(tài)低電壓制約新能源送出能力的根本原因,最后給出分布式調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功響應(yīng)特性,并對(duì)分布式調(diào)相機(jī)配置對(duì)于新能源經(jīng)特高壓交流送出能力的提升效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 電網(wǎng)概況與輸電能力受限因素

1.1 工程概況

張雄特高壓交流工程輸電線路全長(zhǎng)2 ×318 km,北起張家口張北特高壓變電站,南至保定雄安(北京西)特高壓變電站,途經(jīng)張家口市張北縣、萬(wàn)全區(qū)、懷安縣、陽(yáng)原縣、蔚縣和保定淶源縣、易縣、徐水區(qū)、定興縣共9 個(gè)縣(區(qū)),張北電網(wǎng)簡(jiǎn)化系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 張北—雄安特高壓交流簡(jiǎn)化接線圖Fig.1 Simplified diagram of Zhangbei-Xiong'an UHVAC system

預(yù)計(jì)2023年,張雄特高壓交流工程配套新能源裝機(jī)將超過10000 MW (考慮同時(shí)率后有約6000 MW送出需求)。 通過4 個(gè)匯集站(康寶、尚義、解放、土窯)、6 條500 kV 線路(康寶—張家口2回、尚義—張家口2 回、土窯—張家口1 回、解放—張家口1 回)匯集至張北特高壓站,然后通過張北—雄安2 回1000 kV 線路送至華北主網(wǎng),張北地區(qū)新能源匯集情況如圖2 所示。

圖2 張北新能源匯集方式Fig.2 Gathering mode of Zhangbei new energy base

1.2 輸電能力受限因素分析

新能源發(fā)電機(jī)組對(duì)于交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)耐受能力較差,長(zhǎng)時(shí)間、大幅度的電壓波動(dòng)可能導(dǎo)致新能源大規(guī)模脫網(wǎng),對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重功率不平衡,甚至引發(fā)進(jìn)一步的連鎖故障,在實(shí)際運(yùn)行中往往采取棄風(fēng)棄光、降低輸送限額的應(yīng)對(duì)措施,這也成為制約新能源和特高壓輸電通道利用率的重要因素。 仿真分析中通常使用的新能源在故障后脫網(wǎng)判定原則如下:

1)低電壓?jiǎn)栴}導(dǎo)致新能源脫網(wǎng)判定原則。 新能源由于低電壓?jiǎn)栴}脫網(wǎng)判定原則以GB/T 19963—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》與GB/T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中新能源低電壓穿越能力要求為依據(jù)。 為保證故障期間新能源不脫網(wǎng),系統(tǒng)電壓跌落深度及恢復(fù)時(shí)間、恢復(fù)后穩(wěn)態(tài)值均要滿足圖3—4 所示要求。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力要求Fig.3 Requirements for low-voltage ride-through capability of wind farm

2)過電壓?jiǎn)栴}導(dǎo)致新能源脫網(wǎng)判定原則。 根據(jù)風(fēng)電、光伏的并網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(Q/GDW 1392—2015、Q/GDW 1617—2015),風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過1.2 pu 時(shí)允許立即脫網(wǎng),光伏電站在并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過1.3 pu 時(shí)允許立即脫網(wǎng)。 考慮到目前張北地區(qū)風(fēng)電均已完成耐壓能力1.3 pu 改造,因此本文采用暫態(tài)電壓超過1.3 pu 為新能源暫態(tài)過電壓脫網(wǎng)判定標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 光伏電站低電壓穿越能力要求Fig.1 Requirements for low-voltage ride-through capability of photovoltaic power station

使用電力系統(tǒng)分析綜合程序( power system analysis software package,PSASP)建立了張北地區(qū)機(jī)電暫態(tài)模型,仿真計(jì)算了張雄特高壓交流不同輸送功率下,交流線路發(fā)生“三永N-1”(單回交流線三相永久性故障后切除該回線)故障后由于新能源機(jī)端電壓?jiǎn)栴}導(dǎo)致脫網(wǎng)的情況。

張雄特高壓交流送出新能源功率分別為2700、3900、4400、4500 MW 時(shí),發(fā)生三永N-1 故障后新能源脫網(wǎng)量如表1 所示。

表1 張北—雄安三永N-1 故障期間風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)情況Table 1 Disconnection of wind power during Zhangbei-Xiong'an three-phase permanent N-1 fault

當(dāng)張雄特高壓交流送出4500 MW 新能源時(shí),交流故障將導(dǎo)致張北地區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓均超過脫網(wǎng)判定值。 當(dāng)張雄特高壓交流送出功率降低至4400 MW 時(shí),暫態(tài)過電壓導(dǎo)致的新能源脫網(wǎng)量大幅降低至695 MW。 當(dāng)張雄特高壓交流送出功率降低至3900 MW 時(shí),輸電能力受制因素由暫態(tài)過電壓轉(zhuǎn)移為故障后的機(jī)端穩(wěn)態(tài)低電壓,導(dǎo)致的新能源脫網(wǎng)量為41 MW。 當(dāng)張雄安特高壓交流送出功率小于2700 MW時(shí),交流故障后將不會(huì)引起新能源脫網(wǎng)。

綜上,張雄特高壓交流輸電線路在三永N-1 故障后暫態(tài)過電壓和穩(wěn)態(tài)低電壓?jiǎn)栴}都可能導(dǎo)致新能源脫網(wǎng),當(dāng)輸送功率較大時(shí),暫態(tài)過電壓是導(dǎo)致新能源脫網(wǎng)的主要原因。

2 暫態(tài)過電壓產(chǎn)生原因

造成大規(guī)模新能源經(jīng)特高壓交流送出系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的主要原因是由于故障后新能源進(jìn)入低電壓穿越導(dǎo)致的系統(tǒng)無(wú)功過剩。 圖5 為典型風(fēng)電匯集送出系統(tǒng),可使用圖5 說(shuō)明故障后暫態(tài)過電壓?jiǎn)栴}。 風(fēng)電機(jī)組側(cè)主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)與0.69 kV/35 kV 升壓變壓器,Xjz為風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)站匯集母線之間35 kV 線路電抗。 風(fēng)電場(chǎng)站35 kV 母線配置有固定電容補(bǔ)償與靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator,SVG),Xcz為風(fēng)電場(chǎng)站與系統(tǒng)220 kV 匯集母線間線路電抗,Xs為220 kV 匯集母線與主網(wǎng)之間等值電抗,忽略220 kV 及以下電壓等級(jí)線路充電功率。

圖5 風(fēng)電經(jīng)交流送出系統(tǒng)Fig.5 Wind harm AC sending system

當(dāng)送出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),風(fēng)電場(chǎng)站35 kV 匯集母線上接入的固定電容補(bǔ)償Qc與SVG 無(wú)功Qsvg主要用來(lái)補(bǔ)償場(chǎng)站1 所有風(fēng)電組有功出力在匯集過程中的無(wú)功損耗,穩(wěn)態(tài)期間保持風(fēng)電場(chǎng)站與系統(tǒng)無(wú)功交換為零。

2.1 低電壓穿越有功控制因素影響

短路故障期間,距離故障點(diǎn)電氣距離較近的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓會(huì)跌至0.9 pu 以下,風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制器切換為低電壓穿越模式,低電壓穿越期間有功變化為:

式中:ΔPg1為風(fēng)電低電壓穿越期間有功變化量;kw為低電壓穿越期間風(fēng)機(jī)有功出力比例系數(shù),典型值為0.1 ～0.5;Pg1為風(fēng)電額定有功功率。

不同有功比例系數(shù)下風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越有功功率響應(yīng)如圖6 所示。

圖6 不同有功比例系數(shù)下風(fēng)電低電壓穿越有功響應(yīng)Fig.6 LVRT active power response of wind power under different active power ratio coefficients

由圖6 可知,風(fēng)電低電壓穿越期間有功出力被大幅限制。 短路故障結(jié)束后,風(fēng)電有功出力不能階躍式變化,而是呈一定斜率較慢恢復(fù)。 假設(shè)張北地區(qū)新能源大發(fā),故障后均進(jìn)入低電壓穿越控制模式,且低電壓穿越有功電流系數(shù)在典型值下限,則故障結(jié)束后瞬間與穩(wěn)態(tài)總有功功率差額將達(dá)到5000 MW 以上,無(wú)功損耗大幅度降低。 與此同時(shí),故障結(jié)束后交流系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度較快,因此新能源場(chǎng)站母線上接入的各類無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功出力以及線路充電功率能夠迅速恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值,這導(dǎo)致了新能源機(jī)組近區(qū)無(wú)功嚴(yán)重過剩。

2.2 低電壓穿越無(wú)功控制因素影響

風(fēng)電低電壓穿越期間無(wú)功功率變化可用下式表示:

式中:ΔQg1為風(fēng)電低電壓穿越期間無(wú)功功率變化量;λW為低電壓穿越期間風(fēng)機(jī)無(wú)功出力比例系數(shù),典型值為1 ～2;U′jd為低電壓穿越期間風(fēng)電機(jī)端電壓;Qg1為風(fēng)電額定無(wú)功出力。 由式(2)可以看出低電壓穿越期間無(wú)功出力與機(jī)端電壓跌落幅值成正比。 圖7為不同無(wú)功比例系數(shù)下風(fēng)電低電壓穿越期間無(wú)功出力響應(yīng)。

由圖7 可知,在交流系統(tǒng)短路故障消除后,由于風(fēng)機(jī)無(wú)功控制環(huán)節(jié)存在延時(shí),故障穿越期間無(wú)功較大出力在系統(tǒng)電壓恢復(fù)后仍繼續(xù)存在幾個(gè)周波,導(dǎo)致暫態(tài)無(wú)功過剩。

圖7 不同無(wú)功比例系數(shù)下風(fēng)電低電壓穿越無(wú)功響應(yīng)Fig.7 LVRT reactive power response of wind power under different reactive power ratio coefficients

除了以上2 個(gè)與新能源低電壓穿越控制相關(guān)的因素外,在部分風(fēng)機(jī)因暫態(tài)過電壓保護(hù)脫網(wǎng)后,風(fēng)電場(chǎng)配置的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備未同步切除,導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)富余無(wú)功功率進(jìn)一步增大,引起新能源場(chǎng)站近區(qū)電壓二次抬升,可能導(dǎo)致其余風(fēng)機(jī)脫網(wǎng),形成連鎖故障[7]。

3 穩(wěn)態(tài)低電壓產(chǎn)生原因

造成大規(guī)模新能源經(jīng)特高壓交流送出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)低電壓的主要原因是故障后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化引起送出線路無(wú)功功率消耗增大,同時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功的支撐不足,導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)無(wú)功不平衡。 故障發(fā)生前,風(fēng)電場(chǎng)站匯集送出總有功功率為:

式中:Phj為風(fēng)電場(chǎng)站1 ～n匯集送出的總有功功率;Pcz1為場(chǎng)站1 有功功率;Pcz2為場(chǎng)站2 有功功率;Pczn場(chǎng)站n有功功率。

故障發(fā)生后,由于暫態(tài)過電壓脫網(wǎng)的風(fēng)機(jī)總功率為ΔPt,則故障后風(fēng)電場(chǎng)站匯集送出總有功功率P′hj為:

故障發(fā)生后,由于切除了一回線路,導(dǎo)致線路電抗Xs增大至X′s,故障后穩(wěn)態(tài)條件下無(wú)功潮流變化對(duì)于電壓影響較小,故可忽略系統(tǒng)母線電壓Us與風(fēng)電匯集站母線電壓Uhj220電壓幅值縱分量,電壓變化的橫分量δU為:

Us與Uhj220電壓矢量關(guān)系如圖8 所示。

圖8 電壓矢量圖Fig.8 Diagram of voltage vectors

故當(dāng)故障期間新能源暫態(tài)脫網(wǎng)量ΔPt較小時(shí)新能源匯集通道有功潮流變化不大,交流送出線路N-1故障后切除線路引起送電通道等值電抗增大,傳輸相同有功潮流情況下無(wú)功消耗更大,導(dǎo)致系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后新能源機(jī)端電壓低于故障前穩(wěn)態(tài)。 此外,在新能源35 kV 場(chǎng)站母線,若短路故障期間SVG因過電壓脫網(wǎng),恢復(fù)穩(wěn)態(tài)后無(wú)功支撐將進(jìn)一步不足,加劇穩(wěn)態(tài)低電壓?jiǎn)栴}。 當(dāng)新能源機(jī)端穩(wěn)態(tài)電壓低于0.9 pu 時(shí)將反復(fù)進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài),無(wú)法正常運(yùn)行。

4 分布式調(diào)相機(jī)對(duì)送出能力的提升效果

除同步發(fā)電機(jī)外,目前主要的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置有同步調(diào)相機(jī)、 靜止無(wú)功補(bǔ)償器( static var compensator,SVC)和SVG。 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行受到較大擾動(dòng)而導(dǎo)致?lián)Q流站等樞紐站母線電壓大幅波動(dòng)時(shí),SVC和SVG 無(wú)功補(bǔ)償裝置受其工作原理限制在故障過程中難以給系統(tǒng)提供足夠的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐[8],甚至由于耐壓能力不足在故障后立即脫網(wǎng)。 同步調(diào)相機(jī)高、低電壓穿越能力強(qiáng),短時(shí)過載能力大,其調(diào)節(jié)能力基本不受系統(tǒng)電壓影響,故障情況下具有強(qiáng)大瞬時(shí)無(wú)功支撐和短時(shí)過載能力,在動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[9-10]。

分布式調(diào)相機(jī)在我國(guó)大規(guī)模新能源經(jīng)特高壓直流送出工程中已有應(yīng)用,相較于傳統(tǒng)集中式調(diào)相機(jī),分布式調(diào)相機(jī)容量較小,通常為10 ～50 MV·A,具有良好的經(jīng)濟(jì)性,占地面積小,便于安裝在新能源35 kV 場(chǎng)站,對(duì)于新能源機(jī)端電壓支撐有較好作用[11-12]。

4.1 調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功特性

調(diào)相機(jī)可以在幾十毫秒內(nèi)將定轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存電磁場(chǎng)能提供至電網(wǎng),其無(wú)功功率與調(diào)相機(jī)主參數(shù)相關(guān)。 機(jī)端電壓突變時(shí),次暫態(tài)過程中定子輸出電流如下:

式中:I″d為次暫態(tài)過程中定子輸出電流;E″q為調(diào)相機(jī)q軸次暫態(tài)電動(dòng)勢(shì),在故障發(fā)生時(shí)不能發(fā)生突變;Ut為機(jī)端電壓(電網(wǎng)電壓);X″d為d軸次暫態(tài)電抗。 在系統(tǒng)電壓發(fā)生突變時(shí),調(diào)相機(jī)可根據(jù)系統(tǒng)電壓的情況快速發(fā)出或吸收無(wú)功功率,且不呈現(xiàn)無(wú)功“反調(diào)”特性,相較于SVG 的無(wú)功控制特性性能更優(yōu)[13-15]。

分布式調(diào)相機(jī)主要經(jīng)雙繞組變壓器接入35 kV場(chǎng)站母線,其接入方式如圖9 所示。 而集中式調(diào)相機(jī)主要經(jīng)雙繞組變壓器接入220 kV 匯集母線,如圖10所示。

圖9 分布式調(diào)相機(jī)接入方式Fig.9 Access mode of distributed condenser

圖10 集中式調(diào)相機(jī)接入方式Fig.10 Access mode of centralized condenser

當(dāng)張雄特高壓直流輸送功率較大時(shí),交流N-1故障引起的暫態(tài)過電壓是制約新能源利用率的主要因素。 50 MV·A 分布式調(diào)相機(jī)與300 MV·A 集中式調(diào)相機(jī)在交流N-1 故障期間的暫態(tài)無(wú)功響應(yīng)特性如圖11 所示。

圖11 調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功特性Fig.11 Dynamic reactive power characteristics of condenser

圖11 中交流系統(tǒng)短路過程從1.00 s 持續(xù)至1.10 s,故障前調(diào)相機(jī)無(wú)功出力均為0。 故障開始后,50 MV·A分布式調(diào)相機(jī)無(wú)功出力在10 ms 以內(nèi)由0急劇升高至120 MV·A(約為額定容量2.4 倍),交流故障結(jié)束后,由于暫態(tài)過電壓原因,調(diào)相機(jī)會(huì)立即進(jìn)入進(jìn)相運(yùn)行方式,最高進(jìn)相至27 MV·A(約為額定容量的0.54 倍)。 故障開始后,300 MV·A 集中式調(diào)相機(jī)無(wú)功出力在10 ms 以內(nèi)由0 急劇升高至620 MV·A(約為額定容量2.1 倍),故障結(jié)束后,由于暫態(tài)過電壓原因,調(diào)相機(jī)會(huì)立即進(jìn)入進(jìn)相方式,最高進(jìn)相至210 MV·A(約為額定容量的0.7 倍)。

4.2 調(diào)相機(jī)對(duì)新能源多場(chǎng)站短路比的提升

新能源多場(chǎng)站短路比(multiple renewable energy station short circuit ratio,MRSCR) 可作為評(píng)價(jià)多新能源場(chǎng)站接入交流系統(tǒng)電壓強(qiáng)度的指標(biāo)[16-18],其計(jì)算公式為:

式中:rMRSC,i為新能源多場(chǎng)站短路比;為第i個(gè)并網(wǎng)母線節(jié)點(diǎn)標(biāo)稱電壓;為設(shè)備(新能源)發(fā)電功率在第i個(gè)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的電壓;和分別為第i、j個(gè)新能源發(fā)電設(shè)備/場(chǎng)站提供的短路電流;為新能源并網(wǎng)母線的自阻抗;為新能源并網(wǎng)母線的互阻抗。 分布式調(diào)相機(jī)接入后,改變了節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣,新能源并網(wǎng)母線的自阻抗降低,可有效提升新能源多場(chǎng)站短路比[19]。

在新能源大發(fā)工況下,此時(shí)尚義地區(qū)新能源場(chǎng)站短路比最低為1.441,康保地區(qū)最低為1.728,解放地區(qū)最低為1.446,土窯地區(qū)最低為1.821,具體見表2所示。 考慮到目前推薦的新能源場(chǎng)站并網(wǎng)點(diǎn)的臨界短路比取為2.0 ～2.5,顯然該場(chǎng)站并網(wǎng)點(diǎn)短路比低于最低指標(biāo)要求,需配置分布式調(diào)相機(jī)。

考慮到后續(xù)新能源接入以及場(chǎng)站實(shí)際條件,擬在張北地區(qū)新能源多場(chǎng)站短路比較低的場(chǎng)站35 kV 側(cè)分別配置24 臺(tái)50 MV·A 分布式調(diào)相機(jī)(其中尚義區(qū)域7 臺(tái),康保區(qū)域8 臺(tái),土窯區(qū)域3 臺(tái),解放區(qū)域6臺(tái)),調(diào)相機(jī)配置后,新能源多場(chǎng)站短路比有明顯的提高,均保持在3 以上,如表2 所示。

表2 分布式調(diào)相機(jī)投運(yùn)前后新能源多場(chǎng)站短路比Table 2 MRSCR before and after operation of distributed condenser

通過配置分布式調(diào)相機(jī),可有效提高張北地區(qū)新能源電壓支撐能力,降低交流故障后暫態(tài)過電壓對(duì)新能源機(jī)組的影響。

4.3 全數(shù)字電力系統(tǒng)仿真器仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證分布式調(diào)相機(jī)對(duì)于風(fēng)機(jī)因暫態(tài)過電壓脫網(wǎng)的抑制效果,使用全數(shù)字電力系統(tǒng)仿真器(advanced digital power system simulator,ADPSS)建立了新能源經(jīng)張雄特高壓交流孤島送出全電磁暫態(tài)仿真模型,新能源采用單臺(tái)機(jī)組倍乘模擬新能源場(chǎng)站,單組倍乘容量為20 ～100 MW,可兼顧計(jì)算精確度與并行計(jì)算速度。 調(diào)相機(jī)模型采用Park 方程描述的交流同步電機(jī)模擬,線路采用考慮零序的分布參數(shù)模型,張北新能源開機(jī)5400 MW,華北主網(wǎng)采用等值電源加短路阻抗模擬,如圖12 所示。

圖12 張北—雄安特高壓交流ADPSS 模型Fig.12 Zhangbei-Xiong'an UHVAC ADPSS model

加裝分布式調(diào)相機(jī)后,各區(qū)域新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓最高點(diǎn)均下降至1.3 pu 以下,滿足穩(wěn)定運(yùn)行條件,如表3 所示。

表3 各區(qū)域機(jī)端暫態(tài)過電壓最高點(diǎn)優(yōu)化效果Table 3 Optimization effect of the highest point of transient overvoltage at generator terminal in each region

5 結(jié)論

本文結(jié)合張北—雄安特高壓交流工程的實(shí)例,計(jì)算分析了大規(guī)模新能源經(jīng)特高壓交流送出場(chǎng)景下送電能力受制情況、受制原因,以及分布式調(diào)相機(jī)對(duì)新能源多饋入有效短路比的影響,主要結(jié)論如下:

1)大規(guī)模新能源經(jīng)特高壓交流送出輸電能力制約因素主要是交流故障后的暫態(tài)過電壓與穩(wěn)態(tài)低電壓?jiǎn)栴}引起的新能源大規(guī)模脫網(wǎng)。

2)造成暫態(tài)過電壓的原因是故障后新能源進(jìn)入低電壓穿越后交流系統(tǒng)無(wú)功過剩。 這部分無(wú)功過剩一是由新能源低電壓穿越結(jié)束后有功恢復(fù)較慢導(dǎo)致的線路充電功率盈余引起,二是由新能源低電壓穿越后無(wú)功控制的“反調(diào)”作用引起。

3) 造成系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)低電壓的原因一是故障后網(wǎng)架強(qiáng)度降低引起送出線路無(wú)功功率消耗增大,二是故障期間動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置脫網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)恢復(fù)后無(wú)功缺失。

4)使用新能源多場(chǎng)站短路比衡量分布式調(diào)相機(jī)配置效果具有一定意義,新能源場(chǎng)站35 kV 側(cè)配置分布式小型調(diào)相機(jī),可以有效提高電壓支撐能力,抵御交流故障后電壓波動(dòng)導(dǎo)致的新能源大規(guī)模脫網(wǎng),配置分布式調(diào)相機(jī)對(duì)提高大規(guī)模新能源經(jīng)特高壓交流輸送限額是一個(gè)可行方法。