大規模新能源接入系統暫態過電壓研究綜述

范 鵬,劉 飛,王 建,湯亮亮,戴 敏

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司,南京 211000;2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司,武漢 430074;3.國網新疆電力有限公司電力科學研究院,烏魯木齊 830011; 4.中國電力科學研究院,武漢 430074)

0 引言

新能源系統已經成為新型電力系統的核心組成,建設新能源集群式基地,充分利用西北風光資源、東北風力資源以及東部環海岸線的海上風力資源,是實現“雙碳”國家戰略目標的重要國策。2021年10月24日,中共中央、國務院發布《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出了我國2030年風力及光伏發電裝機容量將達到12億千瓦的目標?！丁笆奈濉笨稍偕茉窗l展規劃》要求加快建設西北地區以及東北地區等區域新能源集群,重點建設東部環海岸線的海上風電集群。國家能源局統計了2022年國內電力工業數據,其中新能源發展態勢迅猛,截止到2022年12月31日,國內風電裝機發展仍以風電基地集群為主,裝機容量同比增長11.2%,約3.7×109kW;太陽能發電裝機發展仍以太陽能基地集群為主,裝機容量同比增長容量28.1%,約3.9×109kW[1]。按照當前政策規劃,風能和太陽能等新能源規模將在未來幾年顯著擴大。

由于我國陸地大規模集中式風力、光伏發電站與負荷中心之間在地理空間上逆向分布,因此需要借助特高壓直流或交流輸電技術來實現新能源的大規模、長距離和高效外送[2-3],同時隨著東部沿海地區海上風電特別是深海風電的快速發展,柔性直流輸電正成為大容量深海風電接入電網的優選技術路線[4-5]。大規模集中式新能源發電場站通過逆變器、換流器等電力電子裝置接入系統,很大程度上改變了電網網架結構和動態特性,增大了新能源接入系統的暫態過電壓風險。當新能源經直流換流站接入系統,可能出現直流換相失敗、電容器非正常切除和直流閉鎖等系統故障,新能源接入大電網系統失去無功平衡;無功功率的大幅度震蕩以及系統性故障直接導致直流換流側及近區大電網側的電壓劇烈抖動,直接引發系統的暫態過電壓;直流系統中大量電力電子裝置的功率器件易受到暫態過電壓的攻擊導致擊穿產生,從而導致系統癱瘓;當系統暫態過電壓超過新能源系統的故障電壓穿越范圍,導致新能源集群側直接產生連鎖脫網故障[6-7]。

筆者從陸上大規模新能源的直流統、交流接入,以及海上風電的柔直、交流接入的角度,對接入系統因電網故障或開關操作的暫態過電壓產生機理和抑制方法等方面相關研究工作進行綜述,以期為多角度認識和解決新能源接入系統的暫態過電壓問題提供思路。

1 陸上新能源接入系統暫態過電壓

1.1 陸上新能源經直流接入

陸上新能源集群經直流接入并送出,高壓直流輸電包括常規直流和柔性直流,具有傳輸容量大、傳輸距離長、線損低、線路造價低和可控性強等諸多優點,是實現新能源集群打捆外送及大范圍優化配置的重要手段。這里需要充分重視由于直流接入系統故障造成的暫態過電壓問題。

1.1.1 送出端暫態過電壓

針對陸上新能源經常規直流接入系統送端的暫態過電壓問題,文獻[8-11]研究了無功功率平衡與暫態過電壓的關系,闡述了當接入系統故障情況下暫態過電壓發生的機理,并對直流閉鎖故障、直流換相失敗和近區交流故障等3種典型場景下暫態過電壓發展過程進行了詳細分析,認為在故障條件下的過渡過程中,接入系統濾波器發出無功功率與換流器消耗無功功率間的動態不平衡是造成換流站及近區暫態過電壓的根本原因。

新能源電站經常規直流接入系統送端的暫態過電壓抑制方法主要包括加裝動態無功補償裝置等過電壓抑制設備,以及改進直流控保系統控制方法和優化新能源機組故障穿越及切機策略[12],文獻[13]比較了新一代大容量調相機與靜止無功補償器(SVC)、動態無功補償濾波器(DUPFC)和靜止同步補償器(STATCOM)等多種電力電子類補償裝置的區別,指出新一代調相機額定容量大,動態過載倍數高,持續時間長,因而具有更強的暫態電壓調節能力,更適合于彌補直流接入系統因送端短路容量偏低而導致電壓支撐能力不足的弱點。文獻[14-15]討論了暫態過電壓條件下雙饋風力發電機變流器有功、無功功率在網側和轉子側的分配原則及電流限值,提出當電網電壓驟升至1.1倍標稱值及以上時,將網側變流器切換至母線電壓控制模式,轉子側變流器切換至無功支持模式,以協助電網電壓快速恢復。文獻[16]分析了直流閉鎖、直流換相失敗和電容器的延時切除等對新能源大系統暫態過電壓的影響特點,指出當系統具備較強無功調節能力時,在直流閉鎖后保留部分整流站電容器,可在控制過電壓水平的條件下提升交流線路暫態電壓穩定性。文獻[17]考慮調相機與換流站交流濾波器的特性和分別獨立控制的現狀,提出了穩態時二者協調控制以減少濾波器組投切次數,暫態時調相機獨立響應以穩定暫態電壓的控制方法。文獻[18]研究了交直流運行方式對過電壓水平的影響,指出在直流大功率送電方式下,一旦直流閉鎖時安控切機早于極控切濾波器,由于切機后換流站短路容量減小,會導致"二次壓升"的潛在風險,提出了直流閉鎖狀態下送端過電壓水平校核原則,以及綜合考慮安控、極控動作時序和直流輸送功率水平的暫態過電壓協調控制方法。文獻[19]分析了直流閉鎖狀態下送端整流站的交流母線的暫態電壓上升趨勢及無功調節特性,根據系統控制端的傳遞函數,獲取了通信參數和控制參數,制定了送端整流站和風場集群的分層時序控制策略,實現了送端及風場的暫態過電壓的協調控制。文獻[20]分析了暫態過電壓非線性控制模型的劣勢,建立了基于軌跡靈敏度暫態過電壓預防性控制模型,給出了故障過電壓的預防控制量變化值,減少給暫態過電壓的惡性故障產生幾率,并對由此可能造成的電壓恢復階段安全問題進行跟蹤滾動控制,以保證系統電壓始終在安全范圍內。

對于陸上新能源經柔性直流接入系統送端的暫態過電壓問題,文獻[21]指出電網發生故障導致電壓下降時,在低電壓穿越過程中,風機變流器和柔直模塊化多電平換流器(MMC)均向系統輸出大量無功功率以支撐系統及機端電壓,然而在故障切除后,盈余無功功率無法從支撐系統切除,直接導致風機側和柔直側的暫態過電壓;該文獻通過控制低壓穿越過程中兩端的盈余無功,來抑制風機側和柔直側的暫態過電壓。文獻[22]建立了雙饋發電機的風力機部分和發電機部分的數學模型,設計了風電新能源側換流器和交流主網側換流器的兩端控制策略,分析了風電新能源側換流器故障時接入的主網附近暫態過電壓特性,提出了故障過電壓穿越的可能方式,指出了控制策略減小了電壓下降的幅值,可抑制集電系統母線的故障過電壓。柔性直流收納了大量新能源后,暫態直流過電壓頻頻出現,文獻[23-24]提出了在直流母線側布置泄能電阻的方案,通過動態消耗直流母線上盈余有功功率來抑制直流過電壓的發生。對于大規模光伏電站接入系統,在電網故障時,因為光伏送出功率受限,光伏輸出功率大于柔直送出功率,也將導致柔直直流母線電壓升高,其抑制措施可參考風電場接入系統的暫態過電壓控制方法。

目前在陸上新能源經常規直流或柔性直流接入系統的暫態過電壓產生機理和相應抑制措施已有較全面的研究,但在由于新能源發電場站和系統多重故障引起系統運行方式發生變化,以及接入系統參數與新能源發電場站控制系統參數間相互耦合導致暫態過電壓的機理研究較少,對涉及新能源發電場站、交流電網和直流換流站協同的暫態過電壓抑制方法研究也有待深化。

1.1.2 場站側暫態過電壓

文獻[25]針對風電場接入系統網側甩負荷后由于風機有功功率無法送出導致變流器直流母線電壓和網側電壓出現暫態上升的問題,提出采用鎖相環(PLL)輸出頻率判斷甩負荷故障工況并及時啟動變流器制動電路的過電壓抑制策略。文獻[26]研究了風電場送出線路故障時雙饋風機定子電壓的暫態過程,指出當切除線路故障后由于風機定子側感應的暫態激磁電流將導致電壓躍升,且其升高過程所需時間與線路故障位置、短路類型等參數無關,提出了可減小合閘沖擊的網側斷路器重合閘時間整定方法。文獻[27]分析了風電集群的中壓電纜接入主電網系統,中壓電纜側的暫態過電壓防護問題,并研究了中壓電纜系統的絕緣配合,采用選相位技術來測量中壓電纜的最大操作過電壓水平并分析了操作過電壓水平的影響因素,包括中壓電纜長度參數、感性負載元器件參數以及斷路器動作相角參數等。

目前新能源接入系統在場站側的暫態過電壓研究多以風力發電場站為主,對于大規模光伏發電站的暫態過電壓產生機理和抑制措施研究相對較少,文獻[28]建立了光伏電站故障穿越的仿真模型,研究了光伏電站在低電壓穿越過程中對網側暫態電壓的影響,分析表明在此期間由于光伏逆變器無功輸出功率超調會導致故障恢復后的網側過電壓。

1.2 陸上新能源經交流接入

區域性集群式新能源場逐步形成,接入大電網系統直接導致的多種暫態過電壓問題亟待解決,文獻[29]以新能源集群送出的張雄1 000 kV特高壓交流工程為例,指出了特高壓線路故障后,新能源集群發電側的低電壓穿越期間出現了接入系統的無功過?，F象,分析了分布式調相機的無功補償動態響應特性,仿真驗證了分布式調相機配置方案的暫態過電壓抑制效果。文獻[30]以接入500 kV交流電網的風-光-火打捆電源為例分析了電網故障低電壓過渡過程中的暫態過電壓現象,指出該情景下的暫態過電壓主要由風電機組有功功率降低后導致接入系統無功損耗減少,而相關配套的無功補償設備出力沒有及時同步減少所致的多余無功功率所致,提出了適當增加低電壓穿越期間風電機組有功功率和故障恢復后有功功率恢復速率的改進控制策略,對解決新能源高占比的小規模區域電網的暫態過電壓問題有參考意義。

隨著特高壓輸電技術的不斷發展進步,大規模新能源集群采用特高壓交直流混聯系統進行接入并外送,有研究表明特高壓交流能有效提高直流系統的送端交流系統強度,降低暫態過電壓水平[31]。文獻[32]分別針對換流變兩相接地短路和特高壓交流一回線路單相接地兩種典型工況下特高壓交直流混聯系統的暫態過電壓情況進行仿真,獲得交流輸電線路首末端及中點、直流系統整流及逆變側直流母線和閥側等重要測點的暫態過電壓波形,并對典型故障提出相應的故障識別判據。但總體而言,大規模新能源集群接入主網系統采用特高壓交直流混聯系統,連接方式和拓撲結構復雜,故障類型較多且狀態量耦合緊密,其暫態過電壓問題仍亟待深入研究。

2 海上風電接入系統暫態過電壓

海上風電接入系統主要采用高壓柔性直流輸電技術和高壓交流輸電技術,當因海上風電接入的交直流電網發生故障而產生過高的暫態過電壓時,不僅會威脅接入系統的安全穩定運行,還會增加設備和線路絕緣水平的要求,從而增加建設及檢修成本[33],因此大規模海上風電場接入系統的暫態過電壓問題也日益引發關注。

2.1 柔性直流接入系統暫態過電壓

根據過電壓發生的位置,柔性直流輸電系統過電壓可以分為送端交流電網過電壓、直流線路過電壓和受端交流電網過電壓。與陸上風電經柔性直流系統接入相比,由于海上風電的柔直接入系統的送端交流電網沒有可提供電壓及頻率支撐的常規電源[34],其系統穩定性、送端交流電網頻率和電壓的調節都主要依賴于直流換流站控制,同時由于MMC的閥組結構與常規直流不同,直流母線上沒有大容量集中式的直流電容,等效直流電容容量較小,從而導致直流母線電壓水平易受干擾[35]。

海上風電柔直接入系統的受端交流電網與陸上主網相連,與陸上風電接入系統相似,其電壓穩定性可由大電網中的調相機、SVC等動態無功補償設備進行支撐,可以通過調節無功補償設備的無功出力實現過電壓的抑制。針對受端交流電網故障下的陸上換流站直流母線過電壓問題,除了類似前述文獻[23]布置耗能電阻來消耗不平衡有功功率外,文獻[36]將海上風機組出力控制與柔性直流輸電系統控制相配合,通過減少風電機組輸出的有功功率來抑制直流過電壓。針對海上風電集群的交流電網送端側故障過電壓特征,文獻[37]分析了海上風電場的新能源接入到交流大電網的過電壓故障特點,該接入利用了柔性直流電纜系統,根據過電壓特點,提出了柔直側送端暫態過電壓控制的多節點抑制策略,加快了電壓恢復速度,但該策略會引入較大的負序電流。文獻[38]在進一步研究造成海上風電柔直接入系統送端交流電網暫態過電壓的單相接地和兩相相間故障特性基礎上,提出將負序電壓作為反饋量的控制策略,能夠在不產生負序電流的條件下實現過電壓的有效抑制,并能在故障切除后快速恢復系統電壓。

2.2 交流接入系統暫態過電壓

海上風電交流并網采用的海底交流電纜充電電容、阻抗特性、結構參數等均與架空線路不同,且海底電纜的電容效應明顯,使得海上風電交流系統與陸上風電場的電壓分布特性、故障特性、輸送系統阻尼存在明顯差異,海上風電交流并網集電輸電系統更易出現過電壓問題,文獻[39]分析了電網電壓跌落和驟升情況下風電機組的暫態應力和基于機網耦合相互作用的海上風電場并網點電壓暫態特性,提出了風電機組和無功補償裝置協同控制和聯動切除的暫態過電壓抑制方案。

文獻[10]分析了采用永磁型海上風機經220 kV交流單回海纜送至陸上集控中心并升壓至500 kV,再經單回架空線路輸送至主網的海上風電接入系統在主網架空線路單相故障時暫態過電壓情況,指出暫態過電壓主要出現在故障相上,此情形下的過電壓既包含故障清除引起的過電壓,該過電壓在故障清除后的瞬間達到最大值,而后經數百毫秒衰減,又有不對稱故障引起的過電壓,該過電壓則持續存在于故障線路重合閘成功前整個系統不對稱運行過程,討論了接入系統SVG控制策略和風電機組開機方式對暫態過電壓的影響。

目前海上風電接入系統的暫態過電壓機理研究已比較全面,但在暫態過電壓的抑制方法方面,由于海上風電孤網運行,送端交流電網幾無慣性,而受海上升壓站或換流站造價和平臺面積的影響,無功補償及過電壓抑制設備種類和容量有限,風機和無功補償裝置、換流站之間的暫態過電壓協調控制效果受通信延遲的影響較大,需要進一步研發高效可靠的新型暫態過電壓抑制裝備和魯棒性強的協調控制方法。

2.3 海上風電場側暫態過電壓

文獻[40]研究了直驅永磁型風機在海上風電送端系統甩負荷故障時的暫態過電壓問題,指出暫態過電壓與風電機組變流器直流母線的電壓額定值、過電壓保護定值、變流器網側調制比和保護動作策略等影響因素密切相關,并需要全面校核海上風電集群的暫態過電壓水平。

由于機組之間的距離較遠,海上風電場海底集電系統存在長纜容性效應,而海上風能具有波動性和隨機性特點,導致風電機組的投退隨機性強,使得斷路器開斷頻繁,容易引起集電網系統的高頻暫態過電壓等嚴重問題。文獻[41]針對直驅永磁風機機端真空斷路器頻繁投切引起的暫態過電壓現象,研究了風機出力及運行方式、濾波器形式、饋線長度等因素對暫態過電壓水平的影響,提出了風機側抑制分閘操作過電壓保護措施的建議。

目前針對于海上風電場因接入系統運行方式改變或故障造成的風機端暫態過電壓問題研究相對較少,對于海上風力發電機的控制參數選擇、保護策略及無功補償方式對機端暫態過電壓水平的影響,以及海上風電場包含風機和接入系統的精細化電磁暫態建模方法研究還有待深化。

3 接入系統暫態過電壓評估方法

如前所述,大規模新能源接入系統的暫態過電壓可能導致新能源發電場站連鎖脫網事故,既會威脅電網安全穩定運行,也將嚴重影響新能源消納,因此針對新能源接入系統暫態過電壓的評估方法研究尤為必要。

由于風光資源在地理上往往與負荷中心和常規電源集中點呈逆向分布,大規模風光新能源接入在電網強度較弱的末端,容易因電網強度不足而產生暫態過電壓[42],文獻[43]詳細分析了大規模新能源以直流方式接入電網的暫態過電壓事故,基于過電壓水平和持續時間構成的多二元表,提出了考慮多種故障的局部和全局暫態過電壓嚴重性指標,用以評估新能源接入系統故障條件下暫態過電壓風險程度及風險節點篩選,并可對相應需要采取的暫態過電壓抑制措施效果進行評估。文獻[44-46]分析大規模新能源集群接入主網系統的穩定水平影響參數,將新能源集群接入的短路比作為風險評估量化依據,推導出發電側和系統側的靈敏度,提出新能源集群的功率優化分配原則,文獻[44]考慮暫態過電壓安全約束,給出新能源在低/高電壓穿越過程中新能源電站輸出無功電流應滿足的約束條件,文獻[45]基于發電測的綜合靈敏度準則,提出新能源集群的功率優化分配原則,直流故障后的暫態過電壓水平得到明顯下降。文獻[47提出了直流接入系統發生功率大擾動時母線及風機暫態過電壓的快速算法,推導了節點電壓變化的全微分靈敏度公式,可用于評估電壓大擾動過程中直流接入側的暫態過電壓風險水平。文獻[48]采用新能源支路潮流法,分析了新能源集群直流送端的暫態過電壓以及直流母線側短路過電壓容量,以短路容量約束為條件,建立新能源集群直流送端與常規火電/水電的電源組合優化模型,能夠以最小化常規電源機組開機保證接入系統安全穩定運行,可最大化消納海上風電集群的新能源。文獻[49]梳理了系統過電壓運行的現行標準相關要求,統計分析了華北地區風電接入主網系統的避雷器耐受數據,提出了避雷器的工頻耐受電壓限值為0.1 s,其對短時限內工頻過電壓運行要求所作的補充和細化,有利于在考慮暫態過電壓情境下提升風電輸送能力。

新能源接入系統暫態過電壓評估方法的研究既需要考慮到電網安全穩定運行的約束條件,還應考慮有利于提升新能源發電出力的運行方式,同時新能源的出力受氣候環境條件的影響很大,需要在評估暫態過電壓風險時考慮多種影響因素的隨機性和不確定性,目前相關研究所計及的影響因素和優化目標還不夠全面,因此以實現安全可靠、最大限度新能源消納為目標的多約束、多決策變量組合效果的評估方法研究仍有待深化。

4 結論與展望

新型電力系統的提出并且迅速深入推進,區域性集群式新能源場逐步形成,大規模新能源集群采用特高壓交直流混聯系統進行接入并外送,不僅直接影響電網安全穩定運行,還制約著新能源電量的充分消納,主要結論:

1)綜述分析了陸上大規模新能源集群的直流、交流以及交直流混聯接入,以及海上風電集群的柔直、交流接入的暫態過電壓研究進展,指出需偏重新能源集群接入大電網系統暫態過電壓的產生機理及抑制方法。

2)綜述了大規模新能源集群多種類型多種接線方式的發電側、接入端以及整個系統的暫態過電壓特征,需要關注新能源集群與常規火電/水電的電源組合優化模型中新能源的多種動態無功補償裝置與常規水火電源的支撐系統的交互動態特性。

3)綜述了大規模新能源集群接入大電網系統的暫態過電壓協調抑制策略,需要重點評估新能源發電側和接入端以及整個系統關鍵設備對多種類型暫態過電壓的承受能力,并提出相關的提升措施。