文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.075
0 引言
從能源可持續(xù)發(fā)展的角度來看,煤等化石能源終將消耗殆盡,,清潔可持續(xù)能源必將成為各國發(fā)展的主要目標(biāo),,風(fēng)能作為一種新興的環(huán)境友好、取之不盡的能源,,已經(jīng)成為目前新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟,、開發(fā)規(guī)模最大、商業(yè)化發(fā)展最好的發(fā)電方式之一[1],。
但基于傳統(tǒng)高壓直流輸電的風(fēng)電場現(xiàn)在在運行中也存在著許多可能發(fā)生的問題,,如風(fēng)電場電壓過低導(dǎo)致風(fēng)電機組脫網(wǎng),以及直流系統(tǒng)中出現(xiàn)故障引起系統(tǒng)過電壓導(dǎo)致嚴(yán)重問題,。在現(xiàn)階段,,對于風(fēng)力機組的低電壓穿越能力已經(jīng)有了足夠的研究,但是對風(fēng)電機組的高電壓故障穿越并沒有足夠的相關(guān)研究[2],。另外在現(xiàn)在的大型直流輸電項目中系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓而引起的問題要更為頻繁,。
在現(xiàn)場運行中,傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)發(fā)生故障而引起交流系統(tǒng)過電壓的問題已經(jīng)日益突出,,并且現(xiàn)在隨著直流輸送容量的不斷增加,,整個系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大,交流系統(tǒng)過電壓可能會引起風(fēng)電機組脫網(wǎng),,進(jìn)一步導(dǎo)致功率的缺失,,可能電壓情況愈發(fā)嚴(yán)重,,造成的影響也會越來越大[3]。例如,,交流系統(tǒng)的過電壓會對風(fēng)電機組產(chǎn)生影響,,會造成更大的輸送電故障。
目前,,國內(nèi)外關(guān)于電網(wǎng)電壓在驟升情況下風(fēng)電機組的運行與控制方面的研究較少[4],。事實上,風(fēng)電機組的高電壓脫網(wǎng)故障在運行中時有發(fā)生,。如甘肅風(fēng)電地區(qū)于2011年2月24日脫網(wǎng)的598臺風(fēng)電機組中,,低電壓脫網(wǎng)風(fēng)機占46%,而高電壓脫網(wǎng)風(fēng)機比例竟高達(dá)54%[5],。
可見,,直流系統(tǒng)產(chǎn)生的故障已經(jīng)會限制高壓直流系統(tǒng)對風(fēng)電的傳輸,因此對傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)的故障進(jìn)行研究,,可以有助于風(fēng)電機組提高高壓故障穿越能力并進(jìn)行改善,。
1 傳統(tǒng)風(fēng)電高壓直流輸電系統(tǒng)的建模
1.1 傳統(tǒng)高壓直流輸電構(gòu)成
傳統(tǒng)高壓直流輸電是指基于晶閘管進(jìn)行換相的直流輸電方式。在整個直流輸電系統(tǒng)中最重要的就是換流裝置,,進(jìn)行交直流之間的轉(zhuǎn)換,,是整個過程中最重要的一次設(shè)備。但是為了系統(tǒng)的輸電穩(wěn)定性和提高電能質(zhì)量,,還需要許多其他設(shè)備,,如:換流變壓器、濾波器,、平波電抗器,、交直流開關(guān)設(shè)備、無功補償裝置,、直流接地極,,以及保護(hù)裝置、遠(yuǎn)程通信等二次設(shè)備,。
1.2 高壓直流輸電系統(tǒng)的整體模型
PSCAD中傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)電路圖如圖1所示,,在PSCAD仿真軟件中建立的特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:
特高壓直流輸電系統(tǒng): ±500 kV,2000 MW,, RR= RI= 2.5 Ω,,LR= LI=0.5968 H, CL= 26 μF,;
交流電網(wǎng):(1)345 kV,,SCR=2.5(相角為84°);(2)230kV,無窮大電網(wǎng),。功率由25臺2 MW風(fēng)電機組與火電廠打捆送出,。
1.3 雙饋風(fēng)機模型
雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)機系統(tǒng)、雙饋發(fā)電系統(tǒng)組成,。風(fēng)機系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)能捕獲和功率控制,,將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能;雙饋發(fā)電系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能,,雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
由圖2可知,風(fēng)機系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)能到機械能的轉(zhuǎn)換,,風(fēng)機拖動雙饋發(fā)電機實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換,。其中,雙饋發(fā)電機是通過由電力電子變流器構(gòu)成的變流系統(tǒng)對雙饋電機轉(zhuǎn)子進(jìn)行可控勵磁調(diào)節(jié),,使得雙饋電機在應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電時,,可以實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。由于雙饋電機的調(diào)速范圍較大,,通常為同步速,,需要轉(zhuǎn)子的勵磁容量約為發(fā)電機額定容量,以大大減小變流器容量,,因此雙饋發(fā)電系統(tǒng)得到較為深入的研究和廣泛的應(yīng)用[6],。
2 輸電系統(tǒng)中多工況仿真
2.1 正常運行
在0.04s系統(tǒng)解鎖后,電能的輸送進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),,基本上保持在額定水平,,功率正常傳輸。系統(tǒng)正常運行波形如圖3~圖7所示,。
2.2 故障工況時產(chǎn)生的換相失敗
在眾多故障中最容易造成的換流器故障就是換相失敗,換流器進(jìn)行換相的兩個閥由于未能正常進(jìn)行換相完成,,或者是在應(yīng)該關(guān)斷的閥關(guān)斷之后,,其在加上反向電壓的作用之下并未恢復(fù)正常的阻斷能力,當(dāng)系統(tǒng)加在該閥上的電壓再次為正時,,就會立即重新導(dǎo)通,,這樣就發(fā)生了倒換相故障,會使預(yù)計應(yīng)該開通的閥再次關(guān)斷,,這種現(xiàn)象就被稱為換流器的換相失敗[5],。
換相失敗一般多發(fā)生在換流閥外部電路出現(xiàn)故障的情況下,而且一般都會發(fā)生在逆變器的換流閥處,。這主要是因為在電流關(guān)斷之后的較長時間內(nèi),,整流器的閥組一直都處在反向電壓的作用下,不會再次重新導(dǎo)通。就只有當(dāng)觸發(fā)電路發(fā)生故障時,,整流器電路才可能會因為脈沖的延遲或者是丟失而引起換相失敗,。在傳統(tǒng)高壓直流輸電的運行過程中,可能會引發(fā)換相失敗的原因如下:
(1)熄弧角γ過??;
(2)換流母線的電壓下降過大;
(3)直流系統(tǒng)電流增大,;
(4)換相電抗增大,;
(5)觸發(fā)超前角β過小,;
(6)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時換相線電壓的過零點出現(xiàn)相位移,。
高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗之后,直流線路的電流會迅速增加,,換流站的無功功率消耗也會相應(yīng)增多,,如果與直流系統(tǒng)所聯(lián)接的交流電力系統(tǒng)強度較弱(如風(fēng)電發(fā)電機組),就可能引起交流側(cè)的電壓產(chǎn)生嚴(yán)重的波動,,進(jìn)一步則可能會導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)的換相失敗故障,,嚴(yán)重時將會造成換流器閉鎖[7]。
如果發(fā)生了換相失敗,,相當(dāng)于在直流側(cè)產(chǎn)生了系統(tǒng)短路,,直流系統(tǒng)的電壓會下降,直流側(cè)電流會上升,,交流電路的電流直接介入直流系統(tǒng),。
在整個直流輸電系統(tǒng)正常運行時,每一個換流閥組的導(dǎo)通周期都是基波周期長度的1/3,。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時,,換相失敗的閥組將會相應(yīng)地持續(xù)導(dǎo)通超過正常時間,并且會承受較大的電流,,這會嚴(yán)重影響閥組的使用壽命,。
在發(fā)生換相失敗的情況下,逆變器的交流測線電流在正負(fù)半周期內(nèi)是不對稱的,,因此會有直流分量產(chǎn)生,,直接導(dǎo)致?lián)Q流變壓器出現(xiàn)直流偏磁,增加變壓器的空載損耗,。
在發(fā)生換相失敗之后,,由于直流系統(tǒng)電流迅速增大,換流站內(nèi)消耗的無功功率便會增多,,從而引起傳輸母線交流電壓的下降,;在故障消除之后,在控制系統(tǒng)的作用下各直流電氣量會逐漸恢復(fù)初始狀態(tài),但是如果交流系統(tǒng)站內(nèi)并聯(lián)的濾波器和無功補償裝置的無功補償能力高于直流控統(tǒng)的設(shè)置,,站內(nèi)無功功率將會過剩,,可能會產(chǎn)生交流測電壓過高的現(xiàn)象[7]。
當(dāng)交流側(cè)清除了引發(fā)換相失敗的故障之后,,直流傳輸功率應(yīng)該被快速恢復(fù)到初始狀態(tài),,可以平衡交流系統(tǒng)的功率。但是直流功率恢復(fù)過快就可能會造成系統(tǒng)的無功功率不平衡,,接著會影響交流系統(tǒng)電壓水平,,當(dāng)情況嚴(yán)重時則會引發(fā)連續(xù)的換相失敗,造成更大的故障,,甚至?xí)箵Q流器閉鎖,。
2.3 典型換相失敗分析
2.3.1 逆變側(cè)三相短路
如圖8,整流器的交流測電壓波形在故障瞬間產(chǎn)生了超過1.2倍的過電壓,,在5 s~5.5 s時維持在1.14 p.u. 左右,。在故障消除時恢復(fù)到正常額定電壓。直流母線的電壓在故障產(chǎn)生時急劇下降,。
交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路時,,不會發(fā)生相位角的偏移,只會出現(xiàn)母線電壓的下降進(jìn)而引起換相失敗,,其值如下:
可以觀察到在故障未消除的時間里,,逆變側(cè)電壓由于短路降為零,無法完成換相過程,,引起連續(xù)的換相失敗,,熄滅角降至0,系統(tǒng)停止有功功率的傳輸,。長時間的換相失敗會引起輸電系統(tǒng)的換流器閉鎖,,導(dǎo)致整個系統(tǒng)的停止運行,引起更大的故障,。
有功功率在5 s故障發(fā)生時迅速下降,,在系統(tǒng)采取一定措施后開始恢復(fù)正常。整流側(cè)的無功功率通過系統(tǒng)進(jìn)行補償,,用于換流站發(fā)生故障時吸收的大量無功。無功功率的量會對系統(tǒng)的電壓水平產(chǎn)生極大的影響,。
換流站無功功率交換如圖9所示,,換流站與交流系統(tǒng)無之間的功功率平衡關(guān)系式:
式中,Qdc是直流系統(tǒng)的換流器處所消耗的無功功率(Mvar ) ; Qac是交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)進(jìn)行交換的無功功率,,規(guī)定功率由交流系統(tǒng)輸送至直流系統(tǒng)的方向為正方向( Mvar ) ; Qc是換流站內(nèi)進(jìn)行無功補償?shù)难b置所發(fā)出的無功功率( Mvar ),。
直流系統(tǒng)在發(fā)生換相失敗的恢復(fù)過程中,因為換流站內(nèi)會有剩余的無功功率向交流側(cè)系統(tǒng)不斷涌入,極易造成交流側(cè)電壓過高,。當(dāng)風(fēng)電場在并網(wǎng)母線處的電壓值高于保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)定值時,,勢必會造成風(fēng)機組的大規(guī)模脫網(wǎng),導(dǎo)致功率的進(jìn)一步缺失,,引發(fā)更大的輸電問題,。但另一方面,由于在換相失敗過程中直流輸電系的統(tǒng)輸送功率會減少,,交流電網(wǎng)將會有大量潮流轉(zhuǎn)入,,交流系統(tǒng)如果在短時接納大量的有功功率,將會對系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生一定的影響,。
2.3.2 逆變側(cè)雙調(diào)諧濾波器投切
系統(tǒng)在實際運行中產(chǎn)生大量的無功功率需求,,兩側(cè)換流站的無功功率需求與換流站和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β食杀龋摕o功功率需求在額定情況下為所傳輸有功功率的,。但是這些消耗量巨大的無功功率并不能依賴換流站連接的交流電網(wǎng)來提供,,這是因為如果大量的無功功率由交流電網(wǎng)提供,則交流輸電吸納電路的線損將大幅度增加,,線路電壓損失加大,,換流站交流母線電壓會大幅降低,換流器及其他電氣設(shè)備將無法正常運行,,危及HVDC系統(tǒng)和交流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,。
交流測濾波器如圖10所示。在高壓直流輸電系統(tǒng)中,,無功控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對交流濾波器的控制,,目前采用的是定無功控制方式,控制目標(biāo)是直流系統(tǒng)(含交流濾波器)與交流系統(tǒng)之間的無功平衡,,該平衡由換流器消耗的無功功率及交流濾波器產(chǎn)生的無功功率共同確定,。定無功控制方式是在滿足換流器的諧波濾波要求的前提下,通過投切無功元件和調(diào)整換流變抽頭來盡可能地將直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的無功交換控制在預(yù)定的范圍內(nèi),。
當(dāng)濾波器投切造成諧波不穩(wěn)定時,,由于交流母線電壓的嚴(yán)重畸變,換相電壓過零點發(fā)生漂移,,假定換相電壓過零點漂移所產(chǎn)生的相移角為,,則此時逆變器的關(guān)斷角為:
式中,k為換流變壓器變比,;Id為直流電流,;β為觸發(fā)超前角;XC為換相電抗;UL為交流換流母線電壓,。由式(3)可知,,換相電壓過零點發(fā)生漂移時,,如果為正值,就會造成逆變側(cè)的關(guān)斷角γ減小,,減小的量即為漂移的相,。隨著γ的減小,換相裕度也會減小,,系統(tǒng)面臨換相失敗的危險,。當(dāng)γ進(jìn)一步減小且小于minγ時,逆變側(cè)發(fā)生換相失敗,。
濾波器高壓直流輸電系統(tǒng)正常工作時,,整流側(cè)逆變側(cè)每極各有3組濾波器,分別是雙調(diào)諧濾波器,、高通濾波器和純電容,。在濾波器進(jìn)行投切時會引起系統(tǒng)的電壓波動,甚至可能造成換相失敗,。
本文進(jìn)行了多組結(jié)合的濾波器投切實驗,,其中純電容以及高通濾波器的投切并未引起系統(tǒng)的較大擾動。在雙調(diào)諧濾波器動作時會產(chǎn)生較大的擾動,,結(jié)果如圖11所示,。
根據(jù)直流母線電壓的下降以及a相電壓的畸變,可以得出在投入雙調(diào)諧濾波器時,,產(chǎn)生了一次換相失敗,。
在投切交流濾波器時,時而發(fā)生換相失敗的情況,,這是因為SC型并聯(lián)電容器并不帶有串聯(lián)電抗器,,這使得其沒有限制電流的能力。由于換流站交流濾波器容量很大,,因此在投入時會產(chǎn)生很大的沖擊電流,,導(dǎo)致500 kV交流系統(tǒng)電壓波形瞬時凹陷,從而使換流閥的關(guān)斷電壓降低,,此時若正好有閥處于換相過程中,,由于交流電壓波形凹陷、反向關(guān)斷電壓不足以將導(dǎo)通閥關(guān)斷,,其會繼續(xù)導(dǎo)通,,而另一橋臂上的閥扔正常換相,這樣的過程就會造成同一相的上下2個閥同時導(dǎo)通,,形成旁通對,,導(dǎo)致?lián)Q相失敗。
改變?yōu)V波器的投切時間,,使濾波器投切時處于不同的相位角,,觀察輸電系統(tǒng)的電氣量變化。
(1)進(jìn)行小組交流濾波器投入操作時,,將會導(dǎo)致交流母線電壓發(fā)生畸變,,延遲交流母線電壓過零點90°合閘時電壓畸變最為嚴(yán)重,同時將會引起直流系統(tǒng)瞬時換相失敗,。引發(fā)換相失敗的原因是逆變站交流母線電壓發(fā)生畸變,,該畸變持續(xù)時間很短,通常不超過一個周波,,不會引起直流系統(tǒng)多次換相失敗,,也不會引起直流閉鎖。
(2)進(jìn)行小組交流濾波器切除操作時,,即使濾波器開關(guān)不滿足在交流母線電壓過零點附近分閘,,也不會導(dǎo)致交流母線電壓畸變和直流系統(tǒng)換相失敗。
3 故障對風(fēng)機組的影響
對比所得的不含風(fēng)場的輸電線路與含風(fēng)場的仿真結(jié)果,,發(fā)現(xiàn)含風(fēng)場的系統(tǒng)更加不穩(wěn)定,,電壓波動較大,更易產(chǎn)生換相失敗,。同時風(fēng)場處產(chǎn)生的過電壓可能會導(dǎo)致風(fēng)電場的大規(guī)模脫網(wǎng),,從而引起更大的功率缺失。因此,,為了達(dá)到現(xiàn)有的高電壓穿越的技術(shù)要求,,需要采取一定的措施降低風(fēng)機側(cè)電壓與定轉(zhuǎn)子側(cè)電流,以保證風(fēng)機的連續(xù)運行,。
3.1 輸電系統(tǒng)措施
3.1.1 利用無功補償
HVDC在運行時需要消耗大量無功功率,,對其(特別是與弱交流系統(tǒng)相連時)進(jìn)行無功補償采用動態(tài)補償裝置,增大系統(tǒng)的有效短路比,,從而降低逆變站換流母線電壓對暫態(tài)故障的靈敏度,,在一定程度上維持直流系統(tǒng)換相電壓穩(wěn)定,減小交流系統(tǒng)母線電壓大幅度下降時逆變器換相失敗的發(fā)生幾率[8-9],。
3.1.2 采用較大平波電抗器
交流系統(tǒng)故障時,,直流電壓下降,在HVDC施加平波電抗可一定程度上抑制直流線路電容的放電電流,,一般整流側(cè)平波電抗器的電感量比逆變側(cè)稍小[10],。
3.1.3 采取改進(jìn)控制方式
等間隔觸發(fā)脈沖控制方式:逆變側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障時,這種控制方式有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性,,相對于分相觸發(fā)方式而言,,可在一定程度上減小換相失敗的發(fā)生幾率[11]。
3.1.4 發(fā)生連續(xù)換相失敗時的控制
逆變器2次連續(xù)換相失敗時,,直流電壓極性將會發(fā)生倒轉(zhuǎn),,致使工頻交流介入直流回路中,,此時應(yīng)將電流從故障閥轉(zhuǎn)移到旁通對,從而減少故障閥中故障電流流過的時間,。旁通對可使得逆變器交流側(cè)中與之相連的交流相接入直流回路,,直流回路短路、閥組閉鎖以減少交流系統(tǒng)故障時換流變壓器造成的直流偏磁[12],。逆變器多次連續(xù)換相失敗難以自行恢復(fù)時,,換流閥閉鎖和旁通,待交流電壓恢復(fù)后,,直流系統(tǒng)重新啟動運行[13],。
3.2 風(fēng)機采取措施
3.2.1 改進(jìn)風(fēng)機控制策略
當(dāng)輸電系統(tǒng)產(chǎn)生故障時,雙饋風(fēng)機可以從電網(wǎng)中吸收一定的無功功率,,從而可以減小機端電壓的驟升程度,,緩解對風(fēng)機產(chǎn)生的沖擊。當(dāng)風(fēng)機系統(tǒng)檢測到風(fēng)機電壓驟升時,,風(fēng)機進(jìn)入無功支撐模式,。
3.2.2 增加外部硬件
壓差的增大導(dǎo)致定子電流的激增,因此可以電壓驟升時在電網(wǎng)與雙饋風(fēng)機之間串聯(lián)一個阻值適當(dāng)?shù)碾娮?,通過增加阻抗值來減小電流,。
轉(zhuǎn)子側(cè)由于電壓的驟升也會感應(yīng)出一個較大的驟升電壓,也會有較大的沖擊電流,,在產(chǎn)生過電壓時也可以在轉(zhuǎn)子側(cè)串入適當(dāng)?shù)碾娮鑱頊p小電流的沖擊,。
3.2.3 在直流母線側(cè)加上Chopper電路
為轉(zhuǎn)子側(cè)過剩的能量提供一個泄放的途徑,從而保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器且維持直流母線電壓,。卸荷支路一般由控制支路,、卸荷電阻、電力電子功率器件構(gòu)成,。為了使直流側(cè)兩端能量實現(xiàn)匹配,,通過控制電力電子功率器件導(dǎo)通與關(guān)斷達(dá)到控制卸荷電阻投入和切出,最終達(dá)到直流側(cè)電容,、電壓穩(wěn)定的目的[14],。
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作者信息:
王瑞明1,張 利1,,劉 橋2,,姜蓉蓉2,劉 晉2
(1. 中國電力科學(xué)研究院新能源與儲能運行控制國家重點實驗室,,北京 100192;
2. 華北電力大學(xué),,北京 102206)