中国电科院助力锡盟-泰州特高压直流近区700万千瓦风电稳定运行

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<article><section data-type="rtext">锡盟-泰州特高压直流工程是国家大气污染防治行动计划中12条重点通道之一，也是国家“西电东送”重点工程，起于内蒙古锡林浩特，止于江苏省泰州，直流线路全长1618公里，额定电压±800千伏，直流输电容量1000万千瓦，是世界首条千万千瓦级特高压直流输电工程，对于全面促进锡盟地区经济社会发展，缓解江苏地区能源供需矛盾和大气污染防治压力，均具有重要意义。锡盟地区700万千瓦风电经东苏旗、锡林浩特市、阿巴嘎旗、正镶白旗、正蓝旗五个汇集站，分别接入锡林浩特换流站、胜利站和锡盟特高压站的500kV侧，是国内一次性并入容量最大的风电基地。据悉，锡泰工程送端风电送出能力受限于两方面技术因素：一是送端高比例风电经直流送出，风电出力越大需要通过直流送出的功率越大，而此时如果交、直流系统发生故障导致直流送出短时中断（换相失败），风电机组机端会出现超过1.3倍额定电压的暂态过电压，就出现了“跷跷板效应”：风电出力越大，需要的直流外送功率越大，风电机组机端电压升高越显著，为避免暂态过电压则需要限制新能源出力；二是大规模风电密集地通过同一输送通道送出，存在类似于“桥梁共振”现象的宽频带振荡问题，风电与电网之间产生频率范围为数Hz到数百Hz的振荡，会导致风电机组电气和机械损坏、临近火电机组跳机等严重影响电源和电网安全稳定运行事件发生。这两个问题如果不能得到有效解决，锡盟地区风电将面临严重的弃风问题。中国电科院联手风电制造企业，直面风电集中并网挑战电磁暂态仿真分析是排查宽频带振荡和暂态过电压风险、验证相关抑制措施有效性的主要手段。但总容量高达700万千瓦，涉及十余个厂家，包括48个风电机组机型、8个动态无功补偿装置（SVG）机型，以及特高压直流、串联补偿控保装置在内的复杂超大规模新能源电磁暂态仿真，在国际上也无先例。中国电科院新能源研究中心创新性的提出了新能源动态链接库模型封装方案，在确保厂家核心机密不会泄露的情况下，可将厂家控制器中的源代码，封装为不可破译、不可读取，但保留全部控制特性，在电磁暂态仿真软件中可执行的动态文件，并相继克服等值和倍乘等电磁暂态建模拦路虎，一举攻克新能源电磁暂态建模难题。提出“型式试验-控制硬件在环-动态链接库”的“三线校核”电磁暂态校核方法，保障了新能源电磁暂态模型的准确性。各风电制造企业提供与现场运行同型号的风电机组变流器控制器和SVG控制器，并配合调试控制硬件在环模型及动态链接库模型，保证了电磁暂态模型对现场风电机组及风电场运行特性的准确复现。今年年初，正是仿真建模及平台搭建的关键时期，突如其来的新冠疫情，对仿真工作带来了巨大挑战。在华北网调度中心的大力支持下，中国电科院新能源研究中心组织各相关厂家，克服疫情影响，在保障研发人员安全的前提下，加班加点，只用了三个月就完成了全部模型构建及校核工作，并相继搭建了风电基地经特高压送出全电磁暂态仿真平台。据此开展了系列风电场故障穿越电磁暂态仿真、风电场宽频带阻抗扫描、风电场并网点宽频带系统阻抗扫描、风电场并网点的谐波时域分析、特高压直流换相失败/闭锁/交流N-1等交直流故障分析，全面排查关键典型故障工况下存在振荡和暂态过电压风险的风电场。对于存在宽频带振荡与暂态过电压风险的风电场，相关风电制造企业依赖于多年的专业技术和产品研发积淀对风电机组的参数进行优化和固化，可有效预防和解决风电并网所引发的过流脱网、变流器损坏甚至相关火电机组跳机等严重问题。金风科技是本次项目最早在中国电科院开展建模工作的风电机组和变流器厂家，主打全功率变频风电机组。金风科技杨志千部长感慨地说：“借助新能源研究中心的电磁暂态仿真平台进行性能优化后，控制策略兼容性提高，能够适应普通电网和弱电网的多种应用场景，不仅可在大基地低短路比的项目中稳定运行，还能给予电网有力的支撑，同时保障高比例新能源系统安全稳定运行”。变流器厂家禾望电气在锡盟地区涉及双馈、全功率两个系列产品，覆盖2MW、3MW 、3.X等多个功率等级机型。在评估显示部分机型存在33Hz和67Hz振荡风险后，禾望电气积极跟进评估结果，对存在风险的频段及时优化改进，最终保证了足够的稳定裕度，消除了次/超同步振荡风险。同时，在算法中创新融合了电网阻抗鲁棒适应性技术，在不需知道电网阻抗特性的条件下，通过自身的阻抗实时重构，消除电网阻抗不确定性带来的稳定性风险。同型号风电机组配置相同的情况下应用于不同风电场特性就一定一致吗？天津瑞能电气通过本次项目找到了答案。天津瑞能的相同机型应用于锡盟地区三个风电场，分别接入正蓝旗、东苏旗、正镶白旗500kV汇集站。然而，经过评估，某风电场出现了35Hz及65Hz的振荡，其他两个风电场并无类似问题。天津瑞能采取抑制措施后，问题得到圆满解决。这次事件提醒我们，暂态过电压和宽频带振荡风险不容小觑，针对每个风电场开展风险评估是非常必要的。国外的风电机组和变流器，能采用这样的技术路线解决问题吗？其实，早在2015年的新疆哈密地区风电振荡中就有了答案。哈密地区风电机组大量采用的是国外的变流器，中国电科院新能源研究中心就是通过“型式试验-控制硬件在环-动态链接库”的技术路线，采用序阻抗频域分析+电磁暂态时序分析，征服了国外专家，时任该型变流器研发总监在新能源研究中心数模混合仿真实验室工作了两周之后，完全按照中方要求修改了相关参数，经数模混合仿真验证有效后，批量修改了哈密地区风电机组相关参数，之后哈密地区再无次超同步振荡现象的发生。此次锡泰近区风电场，也有部分场站采用了通用电气、歌美飒等国外品牌，新能源研究中心也克服沟通障碍、办公时差等困难，圆满的完成了相关机型电磁暂态建模任务。此次联手各风电制造企业开展大基地建模及优化工作，极大的发挥了新能源研究中心及各厂家的技术优势，有力的推动了风电机组向更可靠、更智能、更友好的方向前进，为未来风电集群化深入发展，以及应对“双高”电力系统奠定了坚实的基础。系列专题研究顺利通过验收2020年11月27日，中国电科院新能源研究中心承担的系列“风电场接入锡泰直流暂态过电压和振荡抑制专题研究项目”顺利通过由中国电机工程学会组织的专家验收。评审专家一致认为，该项目技术路线可靠、建立的新能源模型准确、仿真工况完整、抑制措施有效，完成了风电场接入锡泰直流暂态过电压和振荡抑制专题研究，可以应用于锡盟交/直流配套风电并网。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/11bc03bf49d3f5c4616c2c190c196944u5.jpg?imageView2/2/w/1260" />2020年12月03-04日，国网蒙东经研院在北京召开锡盟“五站五线”配套风电场接入系统电能质量评估、风电机组次同步谐振专题报告评审会议，国网华北电力调控分中心、国网蒙东电力公司、锡盟能源局等相关单位对中国电科院此次工作给予了高度认可。与会专家一致认为，专题研究结论对各风电场并网具有重要的指导意义，为新能源场站接入锡盟地区特高压交直流电网提供了技术保障。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/9c1161eae0f6b4a96f377e4e43d786a9u5.jpg?imageView2/2/w/1260" />2020年11月27日，锡林郭勒盟“五站五线汇集工程”配套的5个变电站之一-正蓝旗500kV输变电工程正式投运，标志着锡林郭勒盟700万千瓦特高压风电项目集中并网投运序幕正式拉开。验收会上，中国电科院项目负责人李光辉表示：此次搭建的新能源经锡泰特高压直流送出系统全电磁暂态仿真平台，不仅要为本次直流近区风电场的顺利并网提供仿真依据和技术保障，还要为锡盟一泰州特高压直流输电工程的长期稳定运行提供仿真技术服务。随着我国逐渐进入以平价上网为显著特征的新风电发展时代，风电开发将呈现明显的高质量、规模化发展趋势，充分利用“三北”地区高质量的风资源，通过特高压进行大规模风电外送，对风电规模化发展起到重要支撑作用。“风电场接入锡泰直流暂态过电压与振荡抑制专题研究”项目构建的风电基地经锡泰特高压直流送出的全电磁暂态仿真系统为后续方式计算、故障复现等工作提供了有力的研究手段，项目开展的系列风电场宽频带振荡与暂态过电压风险评估，对存在问题场站提出风电控制参数优化与固化工作，则有效保证了风电场安全接入。及时总结本项目的研究成果与管理经验，进一步升级完善全电磁暂态仿真平台，可为更多类似工程项目如青豫工程、张北柔直工程、张北雄安工程等提供技术支撑。全电磁暂态仿真可以成为新能源基地经直流送出工程提升新能源送出能力、保证电网安全稳定运行的有力的仿真技术手段。</section></article>

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