国家电网有限公司杜晓磊等：柔直电网孤岛运行方式下换流阀闭锁时交流耗能装置投切仿真研究
发布时间:2019-04-18
该文受国家重点研发计划项目（2016YFB0900900）资助。
作者：杜晓磊1，蔡巍2,3，张静岚2,3，高舜安2,3，邓春2,3，薛文祥4，赵媛2,3，胡应宏2,3，黄天啸2,3
单位：1. 国家电网有限公司；2. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院；3. 华北电力科学研究院有限责任公司；4. 国网冀北电力有限公司
文章导读
张北柔性直流电网工程在孤岛运行方式下有效实现大规模风电、光伏等新能源的汇集和输送，但由于直流电网低惯性、弱阻尼的固有特性，柔直电网故障发展速度与交流系统安稳装置运行特性存在严重不匹配。本文针对张北柔直电网孤岛运行下换流站闭锁故障，通过建立含有交流耗能装置的电网仿真模型，仿真发现配合交流耗能装置投切的安控策略可极大缓解直流故障清除快速性要求与安控装置动作滞后的矛盾。
文章亮点
1
基于“外部系统等值/风机聚合模型+换流阀/交流耗能装置等设备+架空输电线路”组网形式建立张北柔性直流电网四端环形结构的完整仿真模型。
2
针对换流站不同稳态功率输出和单极闭锁故障时换流站的电气特性开展对比研究，仿真得出换流站单机闭锁时存在换流站两侧极电压压过充和换流器输出功率及电压、电流信号严重失稳情况。
3
采取投切耗能装置的安控策略，可以有效平衡孤岛方式下送端换流站闭锁故障时的风功率盈余，极大缓解闭锁换流站两侧极母线电压过充问题和系统失稳问题。
主要内容
当大规模新能源机组孤岛方式接入张北柔直电网时，低惯性、弱阻尼直流电网的故障发展速度与交流系统安稳装置动作时间、风机运行特性严重不匹配，安控策略无法满足柔性直流电网故障清除速度的要求。为解决柔直电网故障情况下功率盈余问题导致的系统失稳，张北工程首次采用交流耗能装置。通过耗能电阻毫秒级的快速投入为安控策略争取更多动作时间、避免风电场大面积切机事故。配合投切交流耗能装置的安控策略，可有效平衡柔直电网系统孤岛运行送端站单极闭锁或受端严重故障导致风电功率无法外送工况时的功率盈余。
本文针对张北柔直电网示范工程设备参数，建立了由换流阀、风机和交流耗能装置等设备组成的张北四端柔性直流电网仿真模型。开展了张北柔直电网孤岛方式下换流站稳态和闭锁故障时的仿真研究。针对换流站闭锁时的功率盈余和系统失稳问题，仿真了柔直电网孤岛运行方式下，换流阀闭锁时耗能装置投切对柔直系统的影响。
本文建立的张北柔性直流电网四端真模型将丰宁、北京换流站外部交流系统进行等值后接入换流站，张北、康保外部风电采取风机聚合模型接入换流站。张北、康保两站安装交流耗能装置，其装机情况为张北站安装8套375 MW耗能成套装置，康保站安装4套。
⬆ 张北柔性直流电网四端仿真模型
⬆ 耗能装置安控策略投切时序
柔直电网孤岛运行方式下，当发生送端换流站闭锁故障时，风机馈出功率和换流器直流送出功率会出现严重不平衡，功率盈余的产生会对柔直系统电气特性产生复杂影响。送端单极换流站闭锁工况时，孤岛方式下换流站在采取不投切耗能装置的安控策略和采用配合投切耗能装置的安控策略时的换流站功率对比仿真图如下。
⬆ 未投切耗能装置的换流站两侧极电压和输出功率
⬆ 投切耗能装置的换流站两侧极电压和输出功率
可以看出，针对换流站闭锁出现的系统失稳问题，采取投切耗能装置的安控策略，可以有效平衡孤岛方式下送端换流站闭锁故障时的风功率盈余，极大缓解闭锁换流站两侧极母线电压过充问题和系统失稳问题。
本文引文信息
杜晓磊，蔡巍，张静岚，等. 柔直电网孤岛运行方式下换流阀闭锁时交流耗能装置投切仿真研究[J]. 全球能源互联网，2019，2(2)：179-185.
DU Xiaolei, CAI Wei, ZHANG Jinglan, et al. Simulation study on switching on energy dissipation device during unipolar blocking under isolated island operation in VSC-HVDC power grid[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(2): 179-185(in Chinese).
研究团队
国网冀北电力有限公司电力科学研究院拥有一支经验丰富的高电压技术科研团队，在电力系统过电压与绝缘配合、数字物理混合仿真技术、超/特高压输变电设备调试及运维方面具有丰富的研究基础与工程实践经验。近年来围绕含大规模新能源与电力电子系统的电磁暂态分析与谐振问题、新能源送出的网源协调、设备状态检测与运行维护和柔性直流输电等领域开展了技术攻关。
作者简介
杜晓磊
高级工程师
现供职于国家电网有限公司特高部，研究领域为柔性直流输电技术。
E-mail：duxiaolei810815@163.com
蔡 巍
教授级高工，研究领域为高电压与绝缘技术。
E-mail：bj_cai@sina.com
张静岚
助理工程师，研究领域为柔性直流输电技术。
E-mail：haha830830@126.com
高舜安
高级工程师，研究领域为电气工程。
E-mail：gao.shunan@jibei.sgcc.com.cn
邓 春
教授级高工，研究领域为高电压与绝缘技术。
E-mail：deng.chun@jibei.sgcc.com.cn
薛文祥
高级工程师，研究领域为高电压与绝缘技术。
E-mail：xue.wenx@jibei.sgcc.com.cn
赵 媛
高级工程师，研究领域为电力系统过电压与绝缘配合。
E-mail：zysunny1983@126.com
胡应宏
高级工程师，研究领域为柔性直流输电技术。
E-mail：factshu@163.com
黄天啸
高级工程师，研究领域为新能源电力系统电磁暂态仿真。
E-mail：huang.tianxiao@jibei.sgcc.com.cn
编辑：张鹏
审核：白恺
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