海上风电柔性直流输电系统故障穿越安全研究_薛浩岩.pdf

电力安全技术32第25卷(2023年第1期)海上风电柔性直流输电系统故障穿越安全研究薛浩岩，张天慈，王心远，阎向达，赵鹏程(全球能源互联网发展合作组织，北京 100031)Study on Fault Traversal Safety of Offshore Wind Power Flexible DC Transmission SystemXUE Haoyan,ZHANG Tianci,WANG Xinyuan,YAN Xiangda,ZHAO Pengcheng(Global Energy Internet Development Cooperation Organization,Beijing 100031)摘 要 对比国内外新能源、直流输电技术相关标准，根据现有标准情况，分析国内外在海上风电经柔性直流输电系统并网故障穿越方面的安全要求。基于电磁暂态仿真程序 EMTP-RV，对欧洲某320 kV柔性直流输电系统及其连接的海上风电进行仿真分析，研究交流系统强度、换流器控制模式、过电压特性和换流器电磁暂态模型对故障穿越的影响，由仿真结果交叉验证现有安全标准，为海上风电经柔性直流输电系统并网的安全稳定运行和相关标准更新提供参考。关键词 海上风电；柔性直流；故障穿越；电磁暂态仿真Abstract:Compared with the relevant standards of new energy and DC transmission technologies at home and abroad,and based on the existing standards,analyses are carried out on the safety requirements of domestic and oversea offshore wind power grid connection through flexible DC transmission systems.Based on the electromagnetic transient simulation program EMTP-RV,a 320 kV flexible DC transmission system in Europe and its connected offshore wind power are simulated and analyzed,and the effects of AC system strength,converter control mode,overvoltage characteristics and converter electromagnetic transient model on fault traversal are studied.The existing safety standards are cross-verified by the simulation results,which offers reference for the safe and stable operation of offshore wind power facilities through the flexible DC transmission system and the update of relevant standards.Key words:offshore wind power;flexible DC;fault traversal;electromagnetic transient simulation中图分类号:TM721.1 文献标识码:A 文章编号:1008-6226(2023)01-0032-06300 万 kW，占全球新增容量的 50.45%，连续 3年在海上风电新增装机容量方面居世界首位；德国海上风电装机容量为 768.9 万 kW，其中，2020 年新增容量为 21.9 万 kW。伴随着海上风电快速发展，国内外海上风电送出主要有高压交流和高压直流输电两种方式。作为以电压源换流器(VSC)为核心的新型直流输电技术，柔性直流输电具备控制方式灵活、功率独立解0引言根据全球风能委员会发布的数据显示，截至2020 年底，全球海上风电装机总容量已超过 3 500万 kW，其中，2020 年全球海上风电新增装机容量为 606.7 万 kW。英国海上风电装机容量为1 042.8 万 kW，位居世界第一；中国海上风电装机容量为 996 万 kW，其中，2020 年新增容量超过33第25卷(2023年第1期)电力安全技术耦、可连接无源和弱交流系统等优势，为海上风电集中开发和并网送出提供了重要的技术手段。因此，海上风电经柔性直流输电系统并网的安全稳定运行也越发重要。1海上风电经柔性直流并网的相关标准1.1国外、国际组织标准美国、欧洲等地区的能源电力领域行业组织已推出多项新能源并网和传统直流输电技术标准，比如美国电气与电子工程师协会(IEEE)建立高压直流输电保护和控制设备基本要求指南（IEEE1899-2017）和德国电气工程师协会(DE-VDE)用户装置与高压电网连接和运行技术要求（VDE-AR-N4120-2015）等。目前，国际电工委员会(IEC)已陆续成立 IECSC8A“大容量可再生能源接入电网”、IEC/TC88“风能发电系统”、IEC TC115“100 kV 以上高压直流输电”等多个技术/分技术委员会，正在积极推动制定海上风电经柔性直流输电系统并网的相关国际标准。欧洲输电商联盟(ENTSO-E)于 2014 年发布了高压直流输电及其非同步发电装置并网技术标准草案(ENTSO-E140430-NC)。2016 年，欧盟委员会(EC)基于 ENTSO-E140430-NC 标准草案，推出了 EC 2016/1447 规例，其适用场景有新能源经柔性直流并网送出、跨国电力系统直流互联、以柔性直流为基础的海岛供电等诸多领域，规例对整流站、逆变站、接入直流的非同步发电装置等列出了相关技术要求。此后，德国Tennet、英国国家电网公司(NationalGrid)、丹麦 Energinet、挪威国家电网公司(StatnettSF)、法国输电网公司(RTE)等诸多欧洲电网运营商分别在 EC 2016/1447 规例基础上建立和完善各自企业技术标准，并根据各个国家实际运行工况，具体化规例中的非强制性要求。1.2中国标准2021 年，国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会发布了 GB/T 19963.12021风电场接入电力系统技术规定第 1 部分：陆上风电。目前，南方电网科学研究院、中国电工技术学会等企业、机构正积极研究和制定海上风电经柔性直流系统并网的相关技术标准，国内机构也可借鉴欧洲 EC 2016/1447 规例和相关欧洲电网企业技术标准，进一步细化能够确保海上风电经柔性直流并网安全稳定运行的技术要求。2海上风电经柔性直流并网的故障穿越安全要求根据现行技术标准，海上风电经柔性直流输电系统并网主要涉及三方面故障穿越安全要求。(1)低/高电压。风机在规定的电压和时间要求内，应具有持续接入柔性直流运行的能力。(2)有功功率恢复。对于电压降落期间未脱网的风机，自电压恢复后，其有功功率应以规定速率恢复至实际工况输出功率。(3)无功功率支撑。出现电压降落时，风机快速响应，向系统馈入容性无功电流，起到动态电压支撑作用。2.1欧洲标准欧洲输电商联盟在高压直流输电及其非同步发电装置并网技术标准草案(ENTSO-E140430-NC)中对柔性直流输电系统业主单位、非同步发电装置运行商、输电网运营商和监管机构提出了确保电力系统安全和稳定运行的明确要求，并且规范了非歧视性和高度竞争化的内部电力市场机制。根据欧盟委员会 EC 2016/1447 规例，海上风电接入柔性直流输电系统应满足电压稳定性要求，能够在故障后提供有功功率恢复和无功功率支撑。另外，海上风电接入柔性直流输电系统应具备故障穿越能力，其换流站并网处低电压穿越和故障清除时间要求如图 1 所示，该要求适用于 110 kV 及以上交流系统。图 1海上风电接入柔性直流输电系统低电压穿越要求Vrec2V/p.u.1.00Vblotcletrec1trec2t/sVrec1VrecO第25卷(2023年第1期)电力安全技术34图 1 所示为故障穿越时的电压时间包络线下限，电压单位为标幺值，时间单位为 s。当柔性直流输电系统换流站并网处电压位于该包络线上方，直流和交流系统能够保持安全和稳定的连接。根据系统受到安全干扰的影响，图 1 中含有三个关键区域，分别为故障前稳定运行(t 0)、故障期间(0 ttcle)和故障后系统恢复(ttrec1)，其中电压和时间关键参数如表 1 所示。根据EC 2016/1447 规例 6.3.17 节，故障清除后 0.5 s，有功功率需恢复至故障前 1 p.u.且并网点电压大于故障前 0.9 p.u.。表 1低电压穿越关键参数范围电压范围/p.u.时间范围/sVret0.00 0.30tcle0.14 0.25Vrec10.25 0.85trec11.50 2.50Vrec20.85 0.90trec2trec1 10.002.2中国标准目前，我国尚未发布海上风电经柔性直流输电系统并网的故障穿越针对性标准。图 2 所示为GB/T 19963.12021风电场接入电力系统技术规定第 1 部分：陆上风电给出的风机低电压穿越要求。对照国标 GB/T 369952018风力发电机组故障电压穿越能力测试规程，两个规程对于并网风机低电压穿越的要求是一致的，而后者明确“本标准适用于并网型风电机组”，故图 2 也适用于海上风机经交流系统并网。低电压穿越要求规定风机在一定电压跌落和时间范围内具有不脱网运行能力，并具备有功功率恢复和无功功率支撑。与欧洲EC 2016/1447 规例相比，技术要求具有显著区别，在故障清除后(t=0.625 s)，国标采用双折线来确定电压恢复的幅度和时间，当电压位于包络线下方时，风机可以退出运行。2.3进一步研究内容根据以上分析，为保障海上风电接入柔性直流系统安全稳定运行，在故障穿越及其标准方面需进一步研究以下技术要求。(1)海上风电主要以孤岛方式运行，其弱交流系统特性对故障穿越的影响。(2)电网故障期间和故障后，柔性直流换流器控制模式对故障穿越的影响。(3)柔性直流换流器控制下的暂态过电压特性对高电压穿越要求的影响。(4)柔性直流换流器在电磁暂态仿真程序中的建模方式及其仿真精度和性能。下面将采用标准电磁暂态仿真程序 EMTP-RV，结合欧洲和国内现有安全标准，对典型海上风电经柔性直流输电系统并网进行仿真分析，研究以上内容对系统安全和稳定运行的影响。图 2风电场低电压穿越要求3故障穿越仿真分析下面选取欧洲某 320 kV 实际柔性直流输电工程作为故障穿越电磁暂态仿真分析的基础算例，系统接线结构如图 3 所示。该系统额定有功功率1 000 MW，换流器采用 MMC 柔性直流输电技术，整流侧 MMC-1 如图 4(a)所示，为半桥式结构；每个子模块电路如图 4(b)所示，每个桥臂单元由400 个子模块串联组成。两个远端分别通过母线 1 和母线 2 与交流系统相连，交流侧额定电压 400 kV，工频 50 Hz，其中，图 3欧洲某 320 kV 柔性直流输电工程拓扑并网点电压/p.u.1.20.60.90.31.10.50.80.21.00.40.70.10-1010.625234时间/s电网故障引起电压跌落风电机组可以从电网切出要求风电机组不脱网连续运行S2S1交流母线 2交流母线 1主断路器 2主断路器 1旁路断路器 1旁路断路器 2400/333 kV1 059 MVAZT=18%1 000 MW320 kV70 km 直流电缆Rstart=100 C=10 mFC=10 mFLarm=50 mHLarm=50 mHMMC-1M