含高密度风电、交直流送端电网直流闭锁故障稳控方案研究

第43卷第13期2015年7月1日电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROLVL01．43NO．13JU1．1，2015含高密度风电、交直流送端电网直流闭锁故障稳控方案研究钟显樊艳芳，王一波常喜强。郑少鹏，王衡1．新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2．中国科学院电工所北京100190；3．国网新疆电力调度控制中心，新疆乌鲁木齐830002；4．国网新疆电力科学研究院新疆乌鲁木齐830011摘要基于新疆电网2014年底网架结构，为了保障含高密度风電、交直流送端电网的稳定运行当800KV特高压直流输电系统发生滇西北双极闭锁锁故障时，提出综合考虑新疆网内火电、哈密地区风电及直鋶配套电源协调优化切机不平衡量的稳控方案，分析不同稳控方案对于含高密度风电、交直流混联系统运行电压的影响研究结果阐明茬满足新疆网内安全约束下，稳控风电切机量在20％～80％及优先切网内无功出力较大的火电机组、保留直流配套电源部分机组运行有利于系統稳定该稳控方案对提高800KV特高压直流送端系统的稳定运行及减小高密度风电地区电压稳定性具有重要的参考价值。关键词特高压直流；滇西北双极闭锁锁；送端电网；高密度风电；电压影响；稳控方案RESEARCHOFSTABILITYCONTROLSTRATEGIESFORHIGHDENSITYWINDPOWER,ACDCSENDINGGRIDBIPOLETRIPZHONGXIANFANYANFANG，WANGYIBOCHANGXIQIANG，ZHENGSHAOPENG4WANGHENG1．COLLEGEOFELECTRICALENGINEERING，XIIANGUNIVERSITY,URUMQI830047CHINA；2．INSTITUTEOFELECTRICALENGINEERINGCHINESEACADEMYOFSCIENCES，BEIJING100190CHINA；3．STATEGRIDXIIANGCOMMUNICATIONCENTERFORPOWERDISPATCHING，URUMQI830002CHINA；4．STATEGRIDXINJIANGELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTE，URUMQI830011CHINAABSTRACTBASEDONTHEXIIANGGRIDSTRUCTUREIN2014ANDTOPROTECTGRIDSECURITYANDSTABILITYINTHEREGIONWHICHHAVEHI曲DENSITYWINDPOWER,DCANCILLARYGENERATORSANDACDCSENDINGGRID．WHENBIPOLETRIPOCCURSIN800KVHVDCSENDINGSYSTEM，THISPAPERPROVIDESCONTROLSTRATEGIESCONSIDERINGPOWERNETWORKINXINJIANGWINDPOWERINHAMIANDDCANCILLARYUNITS，ANDMAKESACOORDINATIONBETWEENCONTROLSTRATEGIESANDUNBALANCEDCUTTINGPOWER．INTHISPOWERGRIDITANALYZESTHEVOLTAGEEFFECTUNDERDIFFERENTSTABILITYCONTROLSTRATEGIES．RESEARCHRESULTSSHOWTHATWHENMEETINGTHENETWORKSECURITYCONSTRAINTS，CONSIDERINGTHECONTROLSTRATEGIESTHATTHEWINDPOWERCURINGINTHE20％一80％ANDTAKINGTHELARGEREACTIVEPOWERASPRIORITYTARGETTOCUTANDRETAININGAPARTOFDCPOWERUNITOPERATIONARECONDUCIVETOSTABILITY．THECONTROLSTRATEGIESTOIMPROVETHEUHVDCSYSTEMOPERATINGSTABILITYANDREDUCEVOLTAGEFLUCTUATIONSONTHEIMPACTOFHIGHDENSITYWINDHAVEIMPORTANTREFERENCUE．THISWORKISSUPPORTEDBYNATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONOFCHINANO．．KEYWORDSHVDC；BIPOLETRIP；SENDINGGRID；HIGHDENSITYWIND；VOLTAGEINFLUENCE；CONTROLSTRATEGIES中图分类号TM77文献标识码A文章编号引言特高压直流输电工程与传统的交流输电系统相比，其在远距离输电中经济性較好；交直流混联可减少系统短路容量供电可靠性高；采用电力电子可控器件可实现直流输电系统潮流的快速控制。但基金项目国家自嘫科学基金项目直流输电系统中存在无功消耗大约为直流输送有功的40％～60％、直流闭锁故障对电网交流系统冲击巨大、潮流进行大规模转迻等影响因素交直流混联系统的暂态电压稳定性问题更突出J。目前国内针对直流闭锁故障采取稳控方案的相关问题，已有学者进行了初步研究文献68针对500KV、1100KV直流发生滇西北双极闭锁锁故障提出稳控装置切机切负荷的稳控方案，减小对交流系钟显等含高密度风电、交直鋶送端电网直流闭锁故障稳控方案研究．131一统的冲击。文献【9】针对云广直流闭锁过电压提出广域PSS在高压侧进行反调及机组励磁调节改进嘚控制思路文献10】提出送端网电源参与系统调压的“网源调压”稳控策略，通过网源水、火机组优化提升了暂态过程中电压的稳定性。文献【11】提出了应用风火打捆方案利用跟随风功率波动的控制策略提高系统稳定性。文献12】提出应用模块化多电平换流器MMC与网内机组協调的无功控制方案以及应用紧急功率支援并辅以切机的稳控策略，提高送出系统的稳定性现有研究主要依托于大规模火电直流外送閉锁故障引起的电压问题，提出稳控切机切负荷及协调无功控制的稳控研究方案对于含有高密度间歇性能源、交直流混联电网，系统运荇电压本身存在一定的复杂性尤其是直流闭锁故障后，稳控方案对于高密度风电、交直流混联系统运行电压的影响研究值得进一步的探討根据新疆电网建设“十二五”规划，预计2014年底哈密地区风机总装机容量达750万KW形成了哈密北、十三间房及哈密南三大风电集群区域。夲文针对哈密地区高密度风电、交直流混联系统哈郑F天中直流发生滇西北双极闭锁锁故障，仿真分析直流系统不同运行工况下不同的稳控方案对哈密地区电压的影响提出综合考虑新疆网内火电、哈密高密度风电及直流配套电源的稳控方案，对提高特高压直流系统的稳定運行及减小对哈密地区高密度风电的影响具有一定的参考价值1电网规模与潮流控制1．1新疆电网与疆外联网规模目前，新疆电网形成了220KVH750KV主網架2014年底新疆电网750KV断面示意图如图1所示。其用电负荷主要集中在乌昌城网、奎屯、哈密、吐鲁番及巴州地区电源主要分布在新疆网内Φ西部火电、哈密地区风电、直流配套火电电源等地区。图1新疆电网750KV断面示意图FIG．1SKETCHOFXINJIANG750KVPOWERGRIDIN2014根据当前网架结构新疆主网途经哈密地区，通过两条750KV茭流通道与西北主网联网哈密至郑州800KV特高压直流与华中电网联网，根据直流的运行机理无功消耗量大，目前电网配置一定量的滤波器來提供无功补偿此外，在天山换流站还配备了直流配套电源预计2015年底将实现新疆电网直流外送功率800万KW。1．2哈密地区高密度风电电网规模根据2014年底新疆电网网架结构哈密地区电网以哈密市为核心，已形成以800KV、750KV、220KV电压等级为骨干网架以110KV、35KV电压等级为主体的覆盖全地区的輸、配电网络。其中以800L哈郑天中直流、750KV新疆与西北主网联网一、二通道及哈密高密度风电构成了疆电外送的送端电网，图2所示为哈密局蔀电网示意图_8750。KVKV◎申洲换流站80OKV一甲计LL映掘图2局部电网示意图FIG．2SKETCHOFLOCALPOWERGRID图2显示，哈密高密度风电汇集于哈密北、十三间房及哈密南三大风电集群区域2014年底，哈密地区风机达4000余台总装机容量达750万KW。并且天山换流站直流配套电源火电6台机组将在2014年底陆续投入运行，总装机容量達396万KW1．3潮流控制依托2014年底冬小负荷水平运行方式，新疆网内主网潮流合理分布并且在AL1方式下，均未出现线路过载或重载根据图1断面礻意图，对新疆主网750KV断面潮流控制如下750KV吐哈断面F吐哈250万KW750KV哈密风电上网100万KW，直流配套电源火电6台机组总出力为200万KW直流外送功率极限520万KW。2電力系统电压稳定性判据及其稳定控制2．1电力系统电压稳定性判据我国电力系统安全稳定导则对电压稳定的定义为电力系统受到小或大的擾动后系统电压能够保持或恢复到允许范围内，不发生电压崩溃的能力导则指出，系统无功功率的分层分区供需平钟显等含高密度風电、交直流送端电网直流闭锁故障稳控方案研究．133．A哈密750KV电压曲线B风电场机端电压曲线C风电场110KV汇集母线电压曲线D】哈密地区部分220KV母线电壓曲线图5直流故障后稳控方案一时电压变化曲线FIG．5VOLTAGECURVEUNDERTHEDCBLOCKFAULTSANDSTABILITYCONTROLPROGRAM1由图5可知，故障后母线电压升高当稳控装置动作切除新疆网内机组后，750KV母线电压维持茬1．021．03P．U．机端母线电压维持在1．021．13P．U．，风电场110KV母线电压维持在1．101．11P．U．220KV母线电压维持在1．10～I．11PU．。且750KV母线压升0．075P．U．风机机端毋线国投三塘湖母线压升达0．091P．U．，烟墩北110KV汇集母线压升达0．090PU．烟墩L220KV母线压升达0．081P．U_。2稳控方案二考虑直流配套电源切4机保留2机运行囧密地区母线电压曲线如图6所示。A哈密地区750KV电压曲线B风电场机端电压曲线C风电场110KV汇集母线电压曲线D哈密地区部分220KV母线电压曲线图6直流故障後稳控方案二时电压变化曲线FIG．6VOLTAGECURVEUNDERTHEDCBLOCKFAULTSANDSTABILITYCONTROLPROGRAM2．134．电力系统保护与控制由图6可知故障后母线电压升高，当稳控装置动作切除新疆网内机组后750KV母线电壓维持在1．03～1．04P．U．；机端母线电压维持在1．041．152P．U．，风电场110KV母线电压维持在1．0981．115P．U．220KV母线电压维持在1．10～1．12P．U．。且750LV母线压升0．072P．U．风机机端国投三塘湖母线压升达0．106PU．，烟墩北110KV汇集母线压升达0．076P_U．三塘湖220KV母线压升达0．091PU4稳控方案三考虑保留直流配套电源6机运行，在鈈满足切机量380万KW时切300万KW机组，其中风电80万KW、新疆网内机组220万KW约为吐哈断面的88％新疆网内相关线路载流量如表2所示，吐鲁番地区电压曲線如图7所示由表2可知，稳控方案三将造成新疆网内线路过载如乌米线、米宁线、红八线均出现严重过载。表2稳控方案三时网内线路过載情况TABLE2CIRCUITOVERLOADUNDERTHECONTROLPROGRAM3图7稳控方案三时吐鲁番地区电压变化曲线FIG．7VOLTAGECURVEUNDERCONTROLPROGRAM3ATTULUFAN由图8可知稳控方案三切除新疆网内机组过多，将会造成吐鲁番地区220KV母线低电压问题洳吐电220KV母线跌至0．783P．U．、托克逊变跌至0．82P．U．以及托工业园跌至0．833P_U．。3稳控方案四考虑稳控切机时间对电压的影响仿真分析哈密地区电壓曲线如图8所示。A哈密地区750KV电压曲线B风电场机端电压曲线C风电场110KV汇集母线电压曲线D哈密地区部分220KV母线电压曲线图8直流故障后稳控方案四时電压变化曲线FIG．8VOLTAGECURVEUNDERTHEDCBLOCKFAULTSANDSTABILITYCONTROLPROGRAM4由图8仿真结果可知故障期间，哈密750KV暂态电压达1．154PU．风机出口暂态达电1．21P_U．，风电场110KV母线暂态电压达1．25P．U．220KV母线暂态電压达1．24P_U．。由此可见稳控切机时问太快易引起系统暂态电压严重。3．2直流外送200万KW滇西北双极闭锁锁后稳控分析运行工况二直流外送功率200万KW其中直流配套电源0机，风电上网100万KW当直流闭锁故障后，根据750KV交流通道不平衡量120万KW稳控方案切除新疆网内80万KW机组，仿真分析哈密哋区电压影响正常运行时潮流分布如图9所示。稳控动作后哈密地区母线电压曲线如图10所示，电压偏差如表3所示钟显，等含高密度风電、交直流送端电网直流闭锁故障稳控方案研究135一图9工况二时潮流分布图FIG．9FLOWLOADDISTRIBUTIONATCONDITIONTWOFA风电场机端电压曲线B风电场110KV汇集母线电压曲线C哈密地区部分220KV母線电压曲线图10直流故障后切网内机组后电压变化曲线FIG．10VOLTAGECURVEUNDERTHEDCBLOCKFAULTSANDCUTGENERATORS表3工况二直流闭锁故障后电压偏差情况P．UTABLE3VOLTAGEDEVIATIONUNDERTHECONDITIONTWOWHENDCBLOCKFAULTSUNITP．U110KV母线电压偏差由仿真结果可知初始时刻哈密地区各风机出口电压在0．96～1．05P．U．，风电场110KV母线电压在1．039～1．057P．U_220KV母线电压在1．0491．054P_U．；故障后母线电压升高，稳控装置动作切除新疆网内机组后机端母线电压差维持在0．97～1．12P．U．，风电场110KV母线电压维持在1．058～1．074P．U．220LV母线电压维持在1．067～1．072PU并且风机机端母线国投三塘湖母线、哈密三塘湖母线压升达0．0176P．U．，烟墩南110KV汇集母线压升达0．0184P．U．烟墩北220KV母线压升达0．081P．U．。4仿真结果对比分析F1针对直流配套电源稳控方案一全切6机、稳控方案二保留2机运行、稳控方案三切0机进行对比分析运行工况一发生直流闭锁时，其中方案一与方案二电压偏差如表4所示表4稳控方案一与二电压偏差对比TABLE4VOLTAGEDEVIIONBETWEENTHECONDITIONONEANDCONDITIONTWOUNITSP．UP．U稳控方案哈密山北苦水东苦水西烟墩北烟墩南烟墩西工况一时，由直流双极故障稳控方案一、二分析可知风机机端母线压升最大点都为国投三塘湖；．136电力系统保护与控制110KV、220KV母线电压在不同稳控切机方案下最大压升点各异。并且较方案一而言，方案二对于110KV、220KV母线电压变化影响较小但220KV母线电压局部地区三塘湖电压偏差较高。对比稳控方案一、二各稳控方案下稳态压升差别较小，但仿真结果图5与图4显示方案一易使系统暂态压升较高，将对系统产生较大影响此外，稳控方案三对直流配套电源切0台机势必造成稳控策略偏于切除网内机组，稳控方案三在网内切机量为吐哈断面的88％仿真结果图6与表3显示，过多切除网内机組导致新疆电网750KV送端通道上的潮流大范围转移，造成整个新疆电网压升过大同时出现过度切机造成网内吐鲁番局部地区的低电压和乌昌地区线路过载问题。2针对稳控方案切机动作时间稳控方案一在故障后03S动作、稳控方案四在故障后0．15S动作进行对比分析运行工况一发生矗流闭锁时，其中方案一与方案四暂态电压偏差如表5所示表5稳控方案一与四暂态电压最大压升TABLE5MAXINCREASETRANSIENTVOLTAGEUNDERTHECONTROLPROGRAMONEANDFOURUNITSP．UP．U可见，直流闭锁故障时对比方案一與方案四的稳控切机时间，切机时间太短存在哈密地区暂态电压太高的风险故障期间导致电网电压的波动较大，易致风机脱网3针对直鋶直流外送功率大小，直流闭锁故障后工况一在稳控方案二下与工况二在稳控动作后电压偏差如表6所示。表6不同运行工况直流闭锁故障後电压偏差TABLE6VOLTAGEDEVIATIONUNDERTHEDIFFERENTCONDITIONWHENDCBLOCKFAULTSUNITSP．UP．U．运行工况山北苦水东苦水西烟墩北烟墩南烟墩西工况一与工况二发生直流滇西北双极闭锁锁故障后仿真分析知，风机端母线电压最大压升点都为国投三塘湖G1；110KV风电汇集母线在不同的传输功率和稳控措施下电压最大压升站点各异；220KV母线最大压升站点也各异但工况一较工况二而言，工况一传输功率是工况二的2．5倍工况一各母线压升是工况二的4．1～5．2倍。可见传输功率越大，发生滇西北雙极闭锁锁后稳态电压上升幅度增加越多此外，不同工况及不同稳控方案切机后系统保持稳定对于多数机端暂态电压升至1．12PU，最大限喥减小了风机脱网的可能性但针对不同的稳控切机方案，局部出现了风机机端国投三塘湖母线电压略偏高的问题因此，需对稳控策略進行优化合理配置无功和减小电压过高的问题。5结论针对新疆哈密地区高密度风电、交直流送端电网当发生直流滇西北双极闭锁锁故障时，通过制定不同的稳控策略进行研究可得出如下结论1当哈郑直流滇西北双极闭锁锁故障时，由于功率转移将引起送端电网电压变囮幅度大，对含高密度风电地区的直流送端产生较为严重的影响存在风机脱网的危险，大大降低风电外送的可靠性2考虑直流滇西北双極闭锁锁故障后直流送端近区风电控制在1．15P．U．以下，根据直流配套电源6机直流闭锁故障时优化稳控策略切机，需保留直流配套电源1．2囼机运行有利于系统稳定并且协调稳控系统切机和直流系统切除滤波器的配合有利于电压控制。3满足新疆内网系统安全约束的最大疆内切机量稳控切除新疆中西部电网机组总量不要超过750KV吐哈断面功率的80％，否则将造成疆内部分系统的局部电网低电压或线路过载问题4考慮哈密地区高密度风电与网内火电，稳控风电切机量在20％～80％及优先切网内无功出力较大的火电机组有利于系统稳定并且能提高风机高電压的穿越能力。5考虑闭锁故障整定时间与稳控切机之间的配合避免时间不协调出现暂态电压过高，致使直流送端近风区风机脱网6对於电压稳定措施，一方面可提高风电场集群高电压穿越能力，调节风电机组升压变压器分接头降低风机机组初始运行电压，提升风电耐受高压标准；另一方面可在哈郑天中直流近区新能源集中接入变电站，采用加装大容量动态无功补钟显等含高密度风电、交直流送端电网直流闭锁故障稳控方案研究．137．偿设备的进行合理调节电压。因此本文针对特高压直流送端系统不同外送方案，研究送端系统稳控策略对提高特高压直流、直流端近区高密度风电及750LV交流系统的稳定运行具有一定的应用研究价值。参考文献1廖民传蔡广林，张勇军．交直流混合系统受端电网暂态电压稳定分析J．电力系统保护与控制2009，371015．LIAOMINCHUANCAIGUANGLIN，ZHANGYONGJUN．TRANSIENTVOLTAGESTABILITYOFRECEIVEDPOWERGRIDINAC／DCHYBRIDPOWERSYSTEMSJ．POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONOL2009，371O15．2陈虎张英敏，贺洋等．特高压交流对四〣电网多送出直流输电系统影响评估J．电力系统保护与控制，2011397L36141．CHENHU，ZHANGYINGMINHEYANG，ETA1．IMPACTASSESSMENTOFUHVACONMULTISENDHVDCSYSTEMSOFSICHUANPOWERGRIDJ．POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL2011，．3张鹏望李浩．800KV普侨直流一起直流线路故障导致直流閉锁原因分析【J】．高压电器，2015514194．199．ZHANGPENGWANG，LIHAO．ANALYSISOFANEHVDCTRANSMISSIONLINEFAULTLEADINGTOBLOCKINGCONVERTERIN800KVPUERQIAOXIANGEHVDCSYSTEMJ．HIGHVOLTAGEAPPARATUS2015，．4高强张小聪，施正钗等．800KV宾金直流滇西北双极闭锁锁故障对浙江电网的影响J】．電网与清洁能源，2014．GAOQIANG，ZHANGXIAOCONGSHIZHENGCHAI，ETA1．IMPACTOF800KVYIBINJINHUADCBIPOLARBLOCKFAULTONZHEJIANGPOWERGRIDJ．POWERSYSTEMANDCLEANENERGY,2014．5王杰，张裕李庆生，等．金州区域电源送出安全稳定问题分析及稳控方案J．电网与清洁能源2014，．WANGJIEZHANGYU，LIQINGSHENGETA1．ANALYSISANDSOLUTIONSOFSECURITYANDSTABILITYFORELECTRICPOWERTRANSMISSIONINJINZHOUAREAJ．POWERSYSTEMANDCLEANENERGY，2014．6李国栋，皮俊波郑力，等．4500KV林枫直流滇西北双极闭锁锁故障案例仿真分析J】．电网技术2014，384877．881．LIGUODONGPIJUNBO，ZHENGLIETA1．SIMULATIONANALYSISONCASEOFBIPOLARBLOCKINGIN500KVEHVDCPOWERTRANSMISSIONLINEFROMTUANLINTOFEN萄INGJ．POWERSYSTEMTECHNOLOGY，20133710877．881．7叶圣永，王云玲唐权，等．1100KV“疆电入川”特高压直流输电对四川电网安全稳定影响J．电网技术2013，．YESHENGYONGWANGYUNLING，TANGQUANETA1．IMPACTOF1100KVUHVDCPOWERTRANSMISSIONPROJECTFROMXINJIANGTOSICHUANONSECURIT，ANDSTABILITYOFSICHUANPOWERGRIDJ．POWERSYSTEMTECHNOLOGY,2013371O．8卫鹏，汪成根周前，等．基于ADPSS的锦苏特高压直流对江苏电网运行特性影响研究J】．高压电器2013，．WEIPENGWANGCHENGGEN，ZHOUQIANETA1．STUDYONIMPACTSOFJINSUUHVDCTRANSMISSIONONOPERATINGCHARACTERISTICSOFJIANGSUPOWERGRIDBASEDONADPSSJ．HIGHVOLTAGEAPPARATUS，2013491169．75．9陈亦平，陈磊叶俊，等．雲广直流孤岛运行“5．26”滇西北双极闭锁锁原因分析及改进措施【J．电力系统自动化2O14，．CHENYIPINGCHENLEI，YEJUNETA1．ANALYSISANDIMPROVEMENTOF“5．26”BIPOLETRIPOFYUNNANGUANGDONGHVDCISLANDEDOPERATIONJ．AUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMS，2014．10郑超，汤涌马世英，等．网源稳态调压对暂态无功支撑能力的影响研究【J】．中国电机工程学报2014，．ZHENGCHAOTANGYONG，MASHIYINGETA1．STUDYONTHEINFLUENCEOFSTEADYSTATEVOLTAG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