多端柔性直流輸電系統(tǒng)接入某海島電網(wǎng)的研究

楊小磊

（國(guó)網(wǎng)成都供電公司變電檢修工區(qū)，成都 610043）

近年來(lái)能源危機(jī)、環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇，充分利用可再生能源發(fā)電已成為全球性共識(shí)[1]。而海上風(fēng)力發(fā)電具有清潔環(huán)保、資源豐富等特點(diǎn)，其應(yīng)用前景極為廣闊[2]。VSC-HVDC具有靈活獨(dú)立控制有功、無(wú)功等優(yōu)點(diǎn)，是海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)展的方向[3-7]。多端柔性直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行靈活性、可靠性等方面比VSC-HVDC更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是海上風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)的最優(yōu)聯(lián)接方式。

目前，VSC-MTDC 仍處于理論研究和模擬實(shí)驗(yàn)階段，文獻(xiàn)[8-12]對(duì)多端柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了大量的研究，為多端柔性直流輸電工程的應(yīng)用提供了理論支撐。文獻(xiàn)[13]對(duì)用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的多端柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，多端柔性直流輸電系統(tǒng)可有效抑制風(fēng)機(jī)投切帶來(lái)的沖擊。然而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多端柔性直流輸電系統(tǒng)接入對(duì)電網(wǎng)的影響的研究幾乎處于空白狀態(tài)。

在某海島建設(shè)多端柔性直流輸電工程，形成風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)交直流混合輸電系統(tǒng)向陸上電網(wǎng)供電的格局，改變了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性。為提高海島負(fù)荷供電的可靠性、風(fēng)電傳輸?shù)目煽啃浴⑦m應(yīng)海底電纜送電、增強(qiáng)受端電網(wǎng)電壓的動(dòng)態(tài)支撐能力、推動(dòng)多端柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，需要深入研究多端柔性直流輸電系統(tǒng)接入對(duì)電網(wǎng)的影響。本文在PSCAD/EMTDC 中搭建了系統(tǒng)的仿真模型，研究了島上的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)交直流混合線路輸電的穩(wěn)定性，分析了送受端交流電網(wǎng)故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊影響。研究結(jié)論為多端柔性直流輸電工程的順利實(shí)施，提供了技術(shù)支撐。

1 多端柔性直流輸電工程概況及理論分析

1.1 多端柔性直流輸電工程概況及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在某海島建成一個(gè)±160kV，輸送容量為200MW的3 端柔性直流輸電系統(tǒng)。即在島上建設(shè)換流站1和換流站2，在陸上電網(wǎng)建設(shè)換流站3。風(fēng)電場(chǎng)1 經(jīng)換流站1 送出，風(fēng)電場(chǎng)2 接入換流站2，風(fēng)電場(chǎng)1和風(fēng)電場(chǎng)2 通過(guò)換流站1、換流站2 的直流線路匯集至換流站3。本期換流站1—換流站3 的最大輸送容量約150MW，遠(yuǎn)期最大輸送容量約200MW。聯(lián)接換流站2 與換流站1 的是±160kV 線路。

電力系統(tǒng)規(guī)模較大且聯(lián)接方式復(fù)雜，因此需對(duì)研究分析影響較小的區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化來(lái)減小系統(tǒng)的規(guī)模，解決精度與計(jì)算速度的沖突。本文將陸上外網(wǎng)等值成一臺(tái)發(fā)電機(jī)，圖1為交直流混合輸電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 VSC-HVDC 數(shù)學(xué)模型

圖2為VSC 等效電路圖，其中ust、it和u（tt=a、b、c）分別為交流電源母線側(cè)電壓、電流及VSC 交流側(cè)電壓基波量；Udc、idc分別為VSC 直流側(cè)電壓、電流；R、L分別為包括開(kāi)關(guān)損耗在內(nèi)的VSC 等效電阻和VSC 等效電感；C為直流側(cè)電容。

圖1 交直流混合輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假定三相交流系統(tǒng)平衡，可的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下VSC的數(shù)學(xué)模型如下所示[14-15]

式中，usd、usq分別為電網(wǎng)電壓基波的d、q軸分量；id、iq分別為交流電流基波的d、q軸分量；ud、uq分別為換流器交流側(cè)電壓基波的d、q軸分量；sω為同步旋轉(zhuǎn)角頻率。

由三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論可知，靜止坐標(biāo)系下的換流器與交流系統(tǒng)交換的瞬時(shí)有功功率P和瞬時(shí)無(wú)功功率Q分別為[2]

由式（3）可推導(dǎo)得到換流器與交流系統(tǒng)交換的有功和無(wú)功為

由式（4）可知，通過(guò)分別控制id和iq可實(shí)現(xiàn)對(duì)有功、無(wú)功的解耦控制。

圖2 VSC 等效電路圖

2 換流站控制策略

2.1 換流站1、換流站2 控制策略

多端柔性直流輸電工程投運(yùn)后，島上風(fēng)電將經(jīng)交直流混合輸電線路輸送到陸上電網(wǎng)。換流站與并列運(yùn)行的交流線路各承擔(dān)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出功率的一半。當(dāng)交流線路因故障退出后，并列運(yùn)行的換流站通過(guò)改變功率傳輸模式，即換流站的功率的參考值為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的功率，多端柔性直流系統(tǒng)承擔(dān)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)功率的傳輸，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了使風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的功率能夠全部送出，換流站1、換流站2需工作于平衡節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，即維持交流側(cè)電壓恒定不變。因此，換流站1、換流站2采用定有功功率和定交流電壓控制，有功功率的參考值為風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生功率的一半值。由式（2）和式（3）可得

根據(jù)式（1）、式（5）、式（6）推導(dǎo)出換流站1、換流站2的控制框圖如圖3所示，Pref為風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生功率的一半值，P為換流站傳輸?shù)墓β手担籚ref為風(fēng)電場(chǎng)出口處交流電壓參考值，V為風(fēng)電場(chǎng)出口處檢 測(cè)的交流電壓值；ωsLiq和ωsLid作為d、q軸電壓耦 合補(bǔ)償項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)無(wú)差控制，能夠保證系統(tǒng)具 有較好的動(dòng)態(tài)性能[17]。

圖3 換流站1、換流站2 控制

2.2 換流站3 控制策略

僅換流站3 與電網(wǎng)相聯(lián)，則該換流站采用定直流電壓控制就能夠維持直流電壓的穩(wěn)定和多端直流系統(tǒng)的功率平衡。為提高風(fēng)電場(chǎng)出口端電壓的穩(wěn)定性，壩頭換流站采用定交流電壓控制策略。根據(jù)式（1）、式（5）、式（6）可推導(dǎo)出換流站3 的控制框圖如圖4所示，Udcref和Udc分別為直流電壓的參考值和實(shí)時(shí)檢測(cè)值；Uref和U分別為換流站交流側(cè)電 壓的參考值和實(shí)時(shí)檢測(cè)值；ωsLiq和ωsLid作為d、q 軸電壓的耦合補(bǔ)償項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)有功、無(wú)功的解耦 控制和靜態(tài)無(wú)差控制，能夠保證系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能[16]。

圖4 換流站3 控制器

3 仿真分析

用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC 分別對(duì)交流輸電系統(tǒng)和交直流混合輸電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真?；旌陷旊娤到y(tǒng)的直流電壓為320kV，直流電容為300μF，電壓源換流器的開(kāi)關(guān)頻率為1980Hz，風(fēng)電場(chǎng)出口端母線電壓指令值為 1pu，基準(zhǔn)頻率為50Hz。換流站1、換流站2、換流站3 交流側(cè)電壓均為110kV。換流站2 出線為一回交流線路，最大輸送容量約50MW，換流站1 出線為單回交流線路，最大輸送容量約 100MW。變壓器的額定電壓為110kV，變壓器接線組別為Y/Y 和Y/Δ。將風(fēng)電場(chǎng)2等值為一臺(tái)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，額定功率為50MW，額定風(fēng)速為18m/s；將風(fēng)電場(chǎng)1 等值為一臺(tái)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，額定功率為 100WM，額定風(fēng)速為19.1m/s。

圖5 風(fēng)速變化及單相故障下的仿真圖

假定風(fēng)電場(chǎng)在3～6s 時(shí)刻發(fā)出的功率不斷在變化，且圖1中的a、b 處分別在10s、14s 時(shí)發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)0.15s，圖5為該故障下的仿真結(jié)果。由圖5（a）和（b）可知，換流站2 和換 流站1 傳輸功率為其風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出功率的一半，即風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站的定功率控制效果較好。由圖5（c）、（d）和（e）可知，接入多端柔性直流輸電系統(tǒng)后的交直流運(yùn)行方式，故障時(shí)換流站能夠迅速提供無(wú)功補(bǔ)償，減小了電壓降落的深度，且電壓恢復(fù)較快。由圖5（f）可知，故障期間引起直流電壓波動(dòng)，但能快速恢復(fù)至穩(wěn)定值。

假定圖1中的a、b 處分別在3s 和6s 時(shí)刻發(fā)生三相接地故障，故障持續(xù)0.1s，圖6為該故障下的仿真圖。接入多端直流輸電系統(tǒng)后，故障時(shí)換流站快速的無(wú)功支撐能力減小了電壓跌落的深度，且故障切除后恢復(fù)時(shí)間較短。交直流運(yùn)行方式提高了系 統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，提高了風(fēng)機(jī)的故障穿越能力。故障導(dǎo)致了直流電壓的波動(dòng)，但能較快恢復(fù)。

圖6 三相故障下的仿真圖

由于故障或檢修等原因，與換流站2 并列運(yùn)行的交流線路在4s 時(shí)刻退出運(yùn)行，圖7為該運(yùn)行方式下的仿真結(jié)果。由圖7（a）可知，換流站2 通過(guò)改變功率控制模式，能夠迅速承擔(dān)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)功率的傳輸；黑線、綠線分別代表?yè)Q流站2 和風(fēng)電場(chǎng)2 發(fā)出的功率。由圖7（b）可知，此運(yùn)行過(guò)程中換流站2 側(cè)交流電壓穩(wěn)定。由圖7（c）可知，此運(yùn)行過(guò)程中直流電壓出現(xiàn)波動(dòng)但能夠快速恢復(fù)，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖7 交流線路退出運(yùn)行下的仿真圖

4 結(jié)論

1）VSC-MTDC 接入某海島后，交流線路單、三相短路故障導(dǎo)致電壓急劇下降，換流站2、換流站1 能夠迅速提供無(wú)功支撐，減小了電壓跌落的深度，且故障切除后能快速恢復(fù)，提高了風(fēng)機(jī)穿越故障的能力。

2）換流站3 采用定交流母線電壓控制模式，可為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)電壓支撐，增強(qiáng)了接入風(fēng)電的電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3）VSC-MTDC 接入某海島后，交流單、三相短路故障沖擊下電網(wǎng)可穩(wěn)定運(yùn)行。交流線路由于故障或檢修退出運(yùn)行后，與其并聯(lián)運(yùn)行的換流站迅速承擔(dān)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)功率的傳輸，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4）風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)交直流混合傳輸方式輸電不僅能提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)穿越故障的能力和電力傳輸?shù)男剩⑶覟楦叨确稚⑹降慕ｏL(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)傳輸提供了靈活的解決方案。

5）研究結(jié)論為多端柔性直流輸電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，有助于推進(jìn)其工程化進(jìn)程。

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