交直流混联电网与风电场适应性稳态分析研究

冯刚，刘明康，王栋

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江舟山316021）

交直流混联电网与风电场适应性稳态分析研究

冯刚，刘明康，王栋

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江舟山316021）

选取浙江舟山电网现有并网风电场与舟山五端柔性直流投运后的交直流混联运行电网稳态特性为研究对象，通过建模，着重对其稳态特性进行校核分析，得出相应的结论来指导电网的实际运行，促进电网和风电等新能源的协调发展。

海岛电网；风电场；交直流混联；适应性稳态分析；VSC-MTDC

0 引言

舟山电网受海岛地理条件限制，各岛屿呈链式分布，与舟山本岛电网联系较弱且岛内无大的电源支持，运行灵活性和供电可靠性较低。海岛风资源丰富，目前已有97.8 MW风电装机容量。为提高舟山群岛各岛供电能力和供电可靠性，掌握多端柔性直流输电核心技术，国家电网公司在舟山建设五端柔性直流输电示范工程，并于2014年6月投入运行。

为分析掌握多端柔性直流接入系统后，舟山交直流混联电网与并网风电的适应性问题，需对舟山电网的稳态水平进行校核。本文基于PSS/E软件，搭建五端柔性直流、舟山电网以及风电机组的数字仿真模型，在此基础上进行潮流计算和分析，给出舟山交直流混联电网与并网风电的适应性稳态分析结果。

1 舟山电网概况

舟山电网是浙江省11个地市电网中唯一的海岛电网，目前，其最高电压等级为220 kV。舟山主网通过江南—岑港1回、江南—大丰1回、厚墩—双屿1回110 kV线路及春晓—昌洲2回220 kV线路与浙江大陆电网相联；嵊泗电网通过上海—嵊泗±50 kV直流输电线路与上海电网相联；舟山主网与嵊泗电网通过1回110 kV线路联网。目前舟山电网装机容量较大的电厂有朗熹电厂（650 MW）和舟山电厂（260 MW），分别以220 kV和110 kV电压等级上网。

舟山电网目前在舟山本岛、岱山岛、衢山岛、泗礁岛及洋山岛已建成投运五端柔性直流输电工程。舟山五端柔性直流工程是基于IGBT（全控型电力电子器件）的新一代直流输电技术，电压源换流器采用最新型的MMC（模块化多电平换流器），工程的直流电压水平和各换流站容量如表1所示。

舟山电网目前已建成的风电场有3座，分别为长白风电场、衢山风电场和岑港风电场。其中长白风电场共布置8台HW77/1500的双馈风机，总装机规模12 MW，以1回35 kV线路接入220kV云顶供区；岑港风电场共布置30台HW77/ 1500的双馈风机，总装机规模45 MW，以1回110 kV线路接入220 kV云顶供区；衢山风电场共布置48台V52-850的定速风机，总装机规模40.8 MW，以2回35 kV线路接入110 kV大衢变电站。衢山风电场装设2套±4 Mvar的动态无功补偿设备。

表1 舟山多端柔性直流输电工程电压水平和各站容量

2 风电场建模方法

风电场发电机数量众多，为减少仿真计算量，可将几十台风机等效成1台或多台等值机，建立风电场等值模型。风电场内部各风机先通过升压变压器升压，经汇集线接入变电站升压后送出至外部电力系统。在对风电场进行等值建模时，考虑到风电场内部线路及发电机升压变的损耗，不能忽略集电系统对潮流计算的影响。潮流计算时应根据风电场中风电机组的排列将风电场内部的集电线路等效成1个等值阻抗。风电场等值模型如图1所示。

图1 风电场等值系统

本文采用了一种基于实际系统和等值系统的线路损耗相等来计算等值阻抗的方法：

已知各风力发电机的出口电流，根据基尔霍夫电流定律，可知所有线路上的电流，由此可以计算出所有线路上的损耗，进而可以得到集电系统的等效线路阻抗Zeq：

式中：Ij和Zj分别为流过线路j的电流和线路j的阻抗；L为风电场内部所有线路集合；I为风电场出口处的总电流。

学生在进行时事新闻评论活动时，从选题分析到团队分工协作，从素材的选择到PPT制作，从资料收集到理论探讨，从语言表达到交流互动，都是对自身能力的训练，每一个细节都体现了学生的自主性和创造性。不同学生的审美风格以及不同观点，会使课堂成为一个五彩缤纷的万花筒。通过找、选、做、讲、评等活动锻炼了学生的综合能力，是实现了学生间的共享，促进了师生的良性互动。

线路电纳产生的功率与电压的平方成正比，而一般电压都接近额定值，其标么值基本相同，因此基于功率相等的原则，等值系统的线路等值电纳Beq等于风电场内所有电纳之和：

式中：Bj为线路j的电纳。

每台风力发电机都通过升压变压器接入风电场。同样，由发电机的出口电流可得到各升压变压器的损耗，基于实际系统和等效系统的升压变压器损耗相等原则，可以得到等效系统中升压变压器的阻抗ZT：

式中：ITj和ZTj分别为流过发电机升压变压器j的电流和变压器j的阻抗；T为风电场内部所有发电机升压变压器集合。

3 潮流计算过程中风电机组的处理方法

含风电机组的电力系统潮流计算的关键是正确处理异步风力发电机组。本文的处理方法是将风力发电机组作为常规发电机，再根据风电机组的类型对发电机的无功功率限制作相应处理，方法如下：

（1）对于定速感应发电机的风电机组（PSS/E中相对应的为WT1和WT2模型），看作是功率输出固定的风机，无功限制由风机有功出力PG和特定的功率因数cosφ确定，即吸收的无功功率为：QG=Qmax=Qmin=PG×tanφ。为使风电机组在固定的功率因数下运行，采用定速感应发电机组的风电场应该加装动态无功补偿装置。

（2）对于变速风电机组，如基于双馈感应发电机和全功率换流器的风电机组（PSS/E中相对应的为WT3和WT4模型），看作是参与电压控制的风机，无功限制由功率因数和风机的有功功率输出确定，即吸收或发出的无功功率为：Qmin≤

QG≤Qmax，其中Qmax=-Qmin=|PG×tanφ|。

4 VSC-MTDC潮流计算模拟处理方法

VSC-MTDC（基于电压源型换流器的多端直流输电）的每个换流器可以独立控制注入交流网络的有功功率和无功功率，每个换流器的交流母线可视为PQ或PV节点，由于PSS/E中无VSC-MTDC模型，处理方法是在潮流计算中将每个换流站用1台发电机代替。多端柔性直流系统稳态运行时，1端换流器控制直流电压，其他换流器控制交流侧有功功率。在计算含VSC-MTDC系统的潮流时，未知的变量为定直流电压换流站注入交流系统的有功功率。

（1）确定已知量。已知定直流电压换流站的直流电压、其他定有功功率换流站注入交流系统的有功功率、所有换流站的交流侧无功功率（或交流母线电压）、直流网络导纳矩阵。

（2）估算每个换流站的损耗。每个换流站的损耗对系统稳定性影响很小。

（3）将定有功功率换流站注入交流系统的有功功率减去换流站损耗，得到其直流侧功率。

（4）VSC-MTDC直流网络中，由于定直流电压换流站的直流电压、其它定有功功率换流站的直流侧功率均已知，因此可进行直流潮流求解，得到定直流电压换流站的直流侧功率和定有功功率换流站的直流电压。

（5）通过定直流电压换流站直流侧功率加上换流站损耗，得到其注入交流系统的有功功率。

（6）对整个外部交直流系统进行潮流求解。由于每个换流站注入交流系统的有功功率已知，相当于每个用来表示换流站的发电机的有功出力已知。因此可利用PSS/E对整个外部交直流系统进行潮流计算，得到每个换流站交流母线的电压、有功功率、无功功率。

（7）计算等效电阻R的值。每个换流站交流侧模型如图2所示。由于之前每个换流站损耗已由估算得到，而此时交流母线注入换流站的电流is也可由换流站交流母线的电压、有功功率、无功功率计算得到，因此等效电阻R的值可由每个换流站损耗和交流母线注入换流站的电流is计算得到。

图2 电压源型换流器交流侧等效电路

以上潮流求解方法将VSC-MTDC和外部系统解耦为2个网络，只需1次VSC-MTDC直流网络潮流求解和1次对外部系统的潮流求解，适合在PSS/E等商业化软件中实现。

5 舟山交直流混联电网潮流计算结果分析

五端柔性直流系统接入舟山电网后，对应舟山电网2014年夏季高峰数据，对舟山交直流混联电网在风电满出力和无出力的情况，由多端柔性直流和交流线路各带50%负荷供电的方式，选取2014年夏季高峰典型方式下的潮流分布进行计算。运行方式的选取见表2。

表2 舟山交直流电网运行方式安排

通过对上述4种方式的潮流计算，可以得出如下结论：

（1）在系统全接线方式下，衢山风电场将影响衢山、岱山、定海换流站的功率安排和相应交流联网线的潮流分布。岑港与长白风电场由于接入电网位置的原因，对多端柔性直流系统的潮流分布没有明显影响。衢山风电场直接影响衢山地区的功率平衡。在风电无出力时，衢山换流站为柔性直流系统的受端，向衢山负荷供电。在风电满出力时，衢山风电场提供的出力超过整个衢山地区的负荷，蓬莱—大衢2回110 kV联网线潮流反向，风电通过柔性直流线路送出，此时衢山换流站变成柔性直流系统新的送端。

（2）在系统全接线方式下，从无功角度看，各换流站均具备强大的无功调节能力，舟山多端柔性直流系统的接入将在很大程度上改善舟山岛际电网的无功调节能力。同时3个风电场的并联电容器和动态无功补偿设备均能提供充足的无功功率，使得稳态状况下风电场可以基本保持设定电压值。但需要注意的是：在实际运行中，多端柔性直流系统需要与舟山机组协调控制无功输出，避免各换流站无功输出或吸收过多，导致舟山机组无功进相或滞相越限。

（3）当昌洲—云顶和朗熹—云顶2回220 kV交流线路检修时，220 kV云顶变电站与外部电网无交流联系，形成孤岛，且孤岛中含有岑港和长白2座风电场。此时岱山换流站由定有功控制模式转换至定直流电压控制模式，维持多端柔性直流系统的有功功率平衡；定海换流站转换为孤岛运行模式，维持孤岛稳定的交流电压，并平衡岑港和长白2座风电场出力以及云顶变电站下送负荷的波动。

（4）当蓬莱—大衢2回110 kV交流线路检修时，衢山、嵊泗组成的电网与外部电网无交流联系，形成孤岛。该系统中的电源包括嵊泗传统直流逆变站、大衢换流站和泗礁换流站，此时选择衢山换流站作为平衡节点来应对衢山风电场出力的波动。

（5）通过计算，前文（3）和（4）中的2种检修方式在风电满出力和无出力的情况下，云顶供区、嵊泗电网和110 kV大衢变电站电压监测点的电压均能保持在正常范围内，各主要输送通道潮流均不会越限。多端柔性直流系统投运后，舟山电网在主要交流输送通道检修方式下，柔性直流系统可以满足并网风电场送出要求。

（6）通过计算，朗熹—蓬莱、昌洲—蓬莱2回220 kV线路检修时，朗熹—云顶、昌洲—云顶2回220 kV线路在2014年夏季高峰风电无出力时输送的有功功率最大，约为160 MW。朗熹—云顶、昌洲—云顶2回220 kV交流线路输送的极限均约为200 MW，不会出现过载问题。

6 结语

舟山五端柔性直流系统投运后，舟山电网形成了典型的交直流混联运行网架结构。本文介绍了PSS/E商业软件风电和多端柔性直流的建模方法、风电机组在潮流计算中的处理方法，给出了舟山交直流混联电网与并网风电的适应性稳态分析结果。

随着能源紧缺和环境污染的日益严重，光伏、风电等可再生能源的大力开发和利用是必然趋势。舟山地处海岛，各岛屿风能资源丰富，根据初步规划，2015年，舟山市陆上风电场装机总容量将达到300 MW，舟山市近海风电场装机总容量将达到600 MW，后续还将进一步增长。舟山五端柔性直流系统投运前，舟山电网各岛际交流联系薄弱，基础负荷较小，无法满足风电的就地消纳和送出。五端柔性直流系统投运后，对舟山电网岛际联网进行了补强，系统强大的无功调节能力和输送能力有效平抑了风电出力波动引起的电压和潮流波动，满足风电的送出，为舟山后续风电开发和接入电网提供了技术条件。

[1]张海春，郁小芬，孙兆栋，等.舟山群岛新区新能源开发应用现状及发展建议[J].中外能源，2013，18（01）∶95-96.

[2]潘武略，徐政，张静，等.电压源换流器型直流输电换流器损耗分析[J].中国电机工程学报，2008，28（19）∶18.

[3]陈海荣，徐政.适用于VSC-MTDC系统的直流电压控制策略[J].电力系统自动化，2006，30（17）∶28-33.

[4]赵成勇，胡冬良，李广凯，等.多端VSC-HVDC用于风电场联网时的控制策略[J].电网技术，2009（15）∶135-140.

[5]袁旭峰，程时杰，文劲宇.基于CSC和VSC的混合多端直流输电系统及其仿真[J].电力系统自动化，2006（18）∶32-36.

[6]OLIMOP ANAYA-LARA，NICK JENKINS，JANAKA EKANAYAKE，et al.徐政译.风力发电的模拟与控制[M].北京∶机械工业出版社，2010.

[7]郑昕，杨德州，王利平，等.大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析——（二）双馈风电机组专题[J].电力系统保护与控制，2011，39（8）∶39-45.

[8]曹娜，赵海翔，陈默子．潮流计算中风电场的等值[J]．电网技术，2006，5（9）∶53-56.

[9]E MULJADI，C P BUTTERFIELD，A ELLIS，et al.Equivalencing the Collector System of a Large Wind Power Plant [C].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society，Annual Conference，Montreal，Quebec，June 12-16，2006.

（本文编辑：赵晓明）

Steady-state Analysis Research on Adaptability of AC/DC Hybrid Grid and Wind Farm

FENG Gang，LIU Mingkang，WANG Dong
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316021，China）

Taking the existing grid-integrated wind farms in Zhoushan power grid and steady-state characteristics of AC/DC hybrid grid with the operation of flexible DC system in Zhoushan station 5 as research subject，the paper checks and analyzes the steady-state characteristics by means of modeling;furthermore，it draws a conclusion to guide real operation of power grid and enhance coordinated development of power grid and new energy resources such as wind power.

island power grid；wind farm；AC/DC hybrid system；steady-state analysis on adaptability；VSCMTDC

TM744+.4

B

1007-1881（2015）06-0016-04

2014-12-11

冯刚（1979），男，工程师，技师，从事电网新能源并网管理及调度运行管理工作。