近年来,由于电力需求的增大和环保意识的增强,大力发展以风电为代表的可再生能源成为保障我国能源电力可持续发展的重要选择之一。然而,我国风能资源多分布在东北、西北、华北北部地区(以下简称“三北”地区),这些地区的风电就地消纳能力十分有限,而我国的负荷中心又主要位于人口稠密、经济发达的东、中部地区。
为解决风能资源与负荷需求区域逆向性分布的矛盾,需采取远距离输电和扩大风电消纳范围等措施。相比于交流输电系统,高压直流输电系统在大规模远距离输电上有着显著的优势。目前,我国“三北”地区已建成哈密—郑州、锡盟—泰州、扎鲁特—青州、上海庙—临沂等多个特高压直流输电系统。
然而,高压直流输电系统在拥有众多优点的同时也带来了一系列安全问题,如直流线路故障、换流站故障及交流系统故障等均可能导致直流单极闭锁甚至双极闭锁。当高压直流输电系统发生单极闭锁故障,换流站所需无功功率骤减,造成交流侧无功功率过剩,会引起交流电网电压骤升。
此外,由于大规模开发风能资源的地区一般都处于电网末端,此处网架结构比较薄弱,当换流站交流侧电压抬升时,将引发风电场并网点电压进一步恶化,对于电压突变耐受能力弱的风力发电基地而言,容易引发连锁脱网事故。因此,进一步研究直流单极闭锁故障下,送端交流系统设备间的协调故障穿越控制策略具有重要的现实意义。
针对直流闭锁故障引起的暂态过电压问题及双馈风电机组(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)的高电压穿越控制策略,国内外学者已进行了一些研究。
上述文献所提控制策略主要是从风机本身的角度出发,对直流单极闭锁故障下考虑送端系统多样化设备间相互协调控制的故障穿越问题则研究较少。
为进一步增强直流单极闭锁故障下送端系统的暂态稳定运行能力,本文首先分析了高压直流输电系统发生单极闭锁故障后送端电网的潮流分布以及过电压的产生机理,根据双馈风电机组的控制方法和运行特性,推导了风电场的功率可控范围;然后结合换流站交流侧滤波器的投切时序及换流站非故障极的短时过载能力,提出了一种直流单极闭锁故障下计及双馈风电场与换流站的系统协调故障穿越控制策略;最后仿真结果证明了所提策略的有效性。
图6 送端系统协调控制流程
图7 送端系统协调控制策略框图
本文对大规模风电直流外送下系统发生单极闭锁故障时送端交流系统多样化装备间的协调故障穿越控制问题进行了深入研究,结论如下:当直流系统发生单极闭锁故障时,送端系统无功功率过剩,为了平衡换流站消耗的无功功率及无功补偿装置提供的无功功率,结合换流站及无功补偿装置的无功功率特性,采用切除部分无功补偿装置的方案可以使系统电压恢复到故障前水平。
针对直流单极闭锁下采用切除无功补偿装置方案后,由于无功补偿装置的响应时间导致的送端交流系统短时无功功率过剩问题,适当增加故障期间非故障极输出的有功功率,可以增大换流站消耗的无功功率,进而可减小送端系统过剩的无功功率。结合风电场的功率可控运行区域,在故障期间风电场吸收部分无功能够有效抑制其机端过电压。
本文所提的协调控制策略综合考虑了双馈风电场的快速无功调节能力及换流站的短时过负荷能力,进一步提高了单极闭锁故障下送端系统的故障穿越能力,为大规模新能源发电基地直流外送系统的暂态安全稳定运行奠定基础。