考虑功角稳定和暂态过电压的新能源电压穿越控制参数优化_林伟芳.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1323-08 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑功角稳定和暂态过电压的新能源电压穿越控制参数优化林伟芳1，任晓钰1，张桂红2，雷雨1，赵源上1，张祥成2（1中国电力科学研究院有限公司，北京市 海淀区 100192；2国网青海省电力公司经济技术研究院，青海省 西宁市 810008）Optimization of Voltage Ride-through Control Parameters of Renewable Energy Considering Power Angle Stability and Transient Overvoltage LIN Weifang1,REN Xiaoyu1,ZHANG Guihong2,LEI Yu1,ZHAO Yuanshang1,ZHANG Xiangcheng2(1.China Electric Power Research Institute,Haidian District,Beijing 100192,China;2.Economic and Technological Research Institute of State Grid Qinghai Electric Power Company,Xining 810008,Qinghai Province,China)1ABSTRACT:There has been an increasing trend for the installed capacity of renewable energy in China year by year.With the increasing proportion of renewable energy in the power system,the impact of renewable energy on the stability of the power system is becoming more prominent.In order to alleviate the instability caused by renewable energy,the renewable energy is generally delivered combined with thermal power units.When AC or DC faults occur,the thermal power units at the DC transmission end are prone to power angle instability,and the converter station at the DC sending end and the renewable energy units are prone to transient overvoltage.The researches show that the optimization of renewable energy unit parameters may alleviate the power angle instability of the DC sending end and the transient overvoltage of the converter station and generator end.Based on the PSASP simulation,by qualitatively studying the influence of control parameters of the renewable energy units during the high/low voltage ride-through on the power angle and the transient overvoltage at the DC transmission end,this paper puts forward the principle and idea of parameter optimization of the renewable energy units,and verifies its rationality by simulation according to the actual power grid situation.KEY WORDS:DC transmission;angle stability;transient overvoltage 摘要：我国新能源装机量逐年增加，随着新能源在电力系统 基金项目：国网青海省电力公司科技项目：“青海新型电力系统新能源极限接入规模量化评估技术研究”。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Qinghai Electric Power Company:“Research on Quantitative Evaluation Technology of Renewable Energy Limit Access Scale of Qinghai New Power System”.中的比例不断提升，新能源对于电力系统的稳定影响也更加突出。为缓解新能源带来的不稳定性，新能源一般搭配火电机组外送，当发生交直流故障时，风光火打捆外送直流送端的火电机组易出现功角失稳，直流送端换流站以及新能源机端易出现暂态过电压。研究表明，对新能源控制参数进行优化可以缓解直流送端功角失稳和直流送端换流站以及新能源机端的暂态过电压。基于 PSASP 仿真定性研究了新能源机组在高/低压穿越期间的控制参数对直流送端功角和暂态过电压的影响，提出了新能源机组参数优化原则及思路，并根据实际电网情况仿真验证了其合理性。关键词：直流输电；功角稳定；暂态过电压 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0098 0 引言 在我国“碳达峰、碳中和”战略目标下，构建新型电力系统已成为电力行业的发展目标，以风电、光伏为主的新能源发展潜力大、技术成熟度高，预计到 2030 年，我国风电、光伏发电总装机容量将达到 12 亿 kW，成为我国第一大电源1-2。由于我国新能源资源远离负荷中心，且新能源对电力系统的支撑能力较弱，大规模新能源基地往往搭配火电机组，即风光火打捆后通过特高压交直流外送至负荷中心，这已成为我国新能源外送的典型模式，如锡盟泰州特高压直流、陕西武汉特高压直 流等3-5。风光火打捆后通过特高压交直流外送模式下，当发生直流故障或送端近区交流故障时，直流送端换流站和新能源机端极易出现暂态过电压，同时由于送端存在同步机组以及交流通道，故障后的功角1324 林伟芳等：考虑功角稳定和暂态过电压的新能源电压穿越控制参数优化 Vol.47 No.4 稳定问题也十分突出。仿真计算发现，锡盟泰州特高压直流、陕西武汉特高压直流故障后的送端系统同时存在功角稳定、暂态过电压问题，成为制约直流输电能力以及新能源消纳水平的关键因素。目前，已有一些针对新能源对功角稳定以及暂态电压的影响研究。文献6-9考虑了送端新能源发电和火电配置比例对功角稳定的影响，探讨了风电、火电和直流系统间的交互作用，从仿真角度分析了功角失稳现象。文献10对风火打捆直流外送系统的暂态稳定性进行研究，分别针对功角稳定和暂态过电压问题提出了控制策略。文献5分析了风电火电不同切机控制方式对风火打捆交直流外送系统功角稳定性的影响，提出了切机控制策略。文献11-14针对直流送端暂态过电压问题从不同角度提出了不同的解决措施。但目前的研究主要从仿真的角度，单独针对风光火打捆外送系统，对功角稳定或暂态过电压问题，提出控制策略，对二者之间的相互影响研究较少。本文简要分析了风光火打捆交直流外送系统送端同步机功角稳定、暂态过电压机理，在此基础上，仿真研究了新能源高/低电压穿越期间控制参数对功角稳定及暂态过电压的影响，并在同时满足功角稳定和有效抑制送端暂态过电压的需求下，提出了新能源高/低穿越期间控制参数的优化原则及思路。1 风光火打捆交直流外送系统的功角稳定、暂态过电压 1.1 功角稳定 风光火打捆交直流外送系统的简化电路如图 1所示。图中：1M、2M分别为火电机组 1、火电机组2 的转动惯量，i为火电发电机功角，GiP为火电机 1M1GP2GPPW21WP1E12M2E23M3GP3E31x2x3x45x13GP12GPDCPACP1U2U3U4U5U新能源新能源火电火电 图 1 某地区简化电路 Fig.1 Simplified circuit diagram in a certain area 组送出有功功率，WiP为新能源发电送出有功功率，DCP为直流联络线上的有功功率，iU为母线电压，ix、ijx为电抗。根据同步稳定理论，可得式(1)和式(2)。因14、25，联立式(1)(2)可得式(3)。211G1W1W2245DC4545dd sin()MPPPtU UPx(1)24522G245245dsin()dU UMPxt(2)2G1G2W1W22121DC4511245d()()d11()sinPPPPMMMtPU UMMMx(3)式中：G1G2W1W2121()()PPPPMMM为等效机械功率；DC451124511()sinPU UMMMx为等效电磁功率。由此可见，故障期间的WiP越大，即新能源在高/低电压穿越期间发出的有功功率越多，等效机械功率增大，直流送端机组加速越快，加速面积增大，对功角稳定不利；当直流故障(单/双极闭锁、换相失败等)或交流外送线路发生 N1 故障时，等效电磁功率减小，使得直流送端机组加速，加速面积增大，对功角稳定越不利。1.2 暂态过电压 直流送端暂态过电压制约特高压直流输电能力。影响直流送端暂态过电压主要因素有：换流站无功不平衡、直流控制参数、新能源控制参数、短路比等15-18。送端电网在故障过程中的无功功率过剩是导致暂态过电压的直接原因，通过合理调整直流、新能源控制参数以及改善送端电网结构、提高送端交流系统的短路比都有利于解决送端电网在故障过程中出现的无功过剩问题，进而达到抑制送端暂态过电压的目的。与传统发电单元相比，新能源机组具备高/低电压穿越特性，即可以对新能源机组高/低穿越期间的有功功率、无功功率进行控制。文献19指出新能源机组高/低穿越期间的控制参数对暂态过电压有明显影响。总体来说，低电压穿越期间发出的无功功率越多、高电压穿越期间吸收的无功功率越多，对暂态过电压的抑制作用越明显。通过调整新能源机组高/低穿越期间的控制参数，改变电压穿越期间的有功功率、无功功率，可以缓解暂态过电压问题。第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1325 2 新能源机电模型参数对功角稳定、暂态过电压的影响分析 本文应用 PSASP 软件仿真研究新能源机组在高/低穿过程中的控制参数对直流送端发电机功角稳定的影响，仿真计算采用的是第 2 代新能源机电模型，与第 1 代模型相比，增加了具体的高/低电压期间的有功、无功控制策略及控制参数20。该模型将高/低电压穿越过程分为故障穿越期间控制、故障穿越恢复起始点控制和故障穿越恢复控制 3 个阶段，以低电压穿越过程中的有功功率控制为例，如图 2 所示，t1时刻进入低电压穿越状态，为故障穿越期间控制时间，t1t2时间对应的有功功率值为有功功率恢复起点，t2为故障穿越恢复起始点控制，t2t3是有功功率恢复值持续时间，t3t4为故障穿越恢复控制时间。t1新能源有功功率出力时间t2t3t4 图 2 低电压穿越过程控制的 3 个阶段 Fig.2 Thre