郭啟偉,劉玉海,劉丙偉,任慶帥,田智勇,常高頌,胡姿屹
(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司,山東 濟(jì)南 250118)
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基于電壓源換流器的三端直流輸電系統(tǒng)的研究
郭啟偉,劉玉海,劉丙偉,任慶帥,田智勇,常高頌,胡姿屹
(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司,山東濟(jì)南250118)
〔摘 要〕介紹了基于電壓源換流器的三端直流輸電系統(tǒng)的直流線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),推導(dǎo)了采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三端直流輸電系統(tǒng)在不同穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下主導(dǎo)換流站有功潮流和各換流站直流電壓的計(jì)算公式,并分析了調(diào)度中心在三端直流輸電控制系統(tǒng)中的作用,最后仿真驗(yàn)證了在不同運(yùn)行狀況下三端直流輸電系統(tǒng)的有功潮流和電壓計(jì)算公式的準(zhǔn)確性和可靠性。
〔關(guān)鍵詞〕直流輸電;電壓源換流器;三端直流;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
基于電壓源換流器的高壓直流輸電(VSCHVDC)不同于傳統(tǒng)的直流輸電,在改變潮流方向時(shí)不僅能夠保持直流電壓極性不變,而且能夠控制交流潮流和提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。這種特點(diǎn)使得基于電壓源換流器的多端直流輸電(VSC-MTDC)適用于分布式發(fā)電并網(wǎng)、為大城市的多處負(fù)荷中心供電等中小功率應(yīng)用領(lǐng)域。
當(dāng)VSC-HVDC系統(tǒng)用于聯(lián)結(jié)3個(gè)有源電網(wǎng)、2個(gè)分布式電源并網(wǎng)或向大城市的2個(gè)負(fù)荷中心供電等時(shí),可以采用基于電壓源換流器的三端直流輸電(VSC-TTDC)系統(tǒng)。另外,從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的角度考慮,VSC-MTDC系統(tǒng)可以基于原有的雙端VSC-HVDC系統(tǒng)進(jìn)行分期擴(kuò)建。因此,要建成一個(gè)具有多端換流站的直流輸電系統(tǒng),首先需要建立一個(gè)可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的三端直流輸電系統(tǒng),這是一種實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的方案。
為了維持VSC-TTDC系統(tǒng)的有功功率平衡和直流電壓穩(wěn)定,必須有一端換流站采用定直流電壓控制。當(dāng)該換流站的交流側(cè)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),電網(wǎng)電壓跌落將導(dǎo)致其進(jìn)入限流模式而失去直流電壓控制。若換流站間沒(méi)有通信或通信存在一定的延時(shí),其他換流站將保持有功功率傳輸不變,向直流線路注入或汲取有功功率,導(dǎo)致直流電壓上升或下降,威脅直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了抑制這種暫態(tài)過(guò)電壓/欠電壓,需要進(jìn)行故障控制策略的設(shè)計(jì)。故障的判斷一般采用基于本地的直流電壓信號(hào),其優(yōu)點(diǎn)是可靠且不需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信。為選取控制保護(hù)策略的各直流電壓指令值和閾值,需要對(duì)各種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下的VSC-TTDC系統(tǒng)各換流站直流電壓和主導(dǎo)換流站有功潮流進(jìn)行求解,以便為指令值的選取提供可靠的基準(zhǔn)值。
VSC-TTDC系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為環(huán)形和星形2種,分別如圖1(a)和1(b)所示。無(wú)論采用哪種結(jié)構(gòu),必須有一個(gè)換流站作為主導(dǎo)換流站,用于VSC-TTDC系統(tǒng)的直流電壓控制。
1.1環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析
環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下。
(1)系統(tǒng)可靠性高。對(duì)每個(gè)換流站均有2條直流線路與其相連,即采用雙端供電方式,且當(dāng)其中任意一條線路停運(yùn)時(shí)仍能保證所有換流站的正常并網(wǎng)運(yùn)行。
(2)系統(tǒng)運(yùn)行方式靈活??赏ㄟ^(guò)直流線路開(kāi)關(guān)的開(kāi)合,組成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。
(3)直流線路檢修方便。當(dāng)對(duì)某一線路進(jìn)行檢修時(shí),不會(huì)影響到各換流站的正常并網(wǎng)運(yùn)行。
環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)如下。
(1)直流線路建設(shè)投資較大。
(2)環(huán)形結(jié)構(gòu)使得換流站直流側(cè)電壓的計(jì)算變得復(fù)雜,不利于基于本地直流電壓信號(hào)控制策略指令值的整定。
圖1 VSC-TTDC系統(tǒng)的直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.2星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析
星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下。
(1)直流線路的建設(shè)投資比環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的要少,尤其是當(dāng)一側(cè)換流站與其他換流站距離較遠(yuǎn)時(shí)。
(2)換流站直流側(cè)電壓的計(jì)算均與雙端直流輸電系統(tǒng)類(lèi)似,便于基于本地直流電壓信號(hào)控制策略指令值的整定。
星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)可靠性差。任意1條線路退出都將導(dǎo)致至少1個(gè)換流站停運(yùn),尤其是當(dāng)定直流電壓控制換流站所連接的線路故障停運(yùn)時(shí),若不采取相應(yīng)的控制措施維持系統(tǒng)直流側(cè)電壓穩(wěn)定,將導(dǎo)致整個(gè)VSC-TTDC系統(tǒng)停運(yùn),屬于極嚴(yán)重的故障。
由于可靠性是VSC-TTDC系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一,故環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將比星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢(shì)和更廣闊的應(yīng)用空間。以下將環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,討論VSC-TTDC系統(tǒng)在不同穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的直流電壓計(jì)算方法。
換流站VSC1,VSC2和VSC3一般均采用2電平結(jié)構(gòu)和分裂電容中點(diǎn)接地,換流站直流側(cè)電壓分別為Udc1,Udc2和Udc3,流入換流站的交流有功功率分別為P1,P2和P3。由于是針對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算,故直流線路模型可以采用電阻型集中參數(shù)等值電路表示,單位長(zhǎng)度直流線路的電阻值為R,線路長(zhǎng)度如圖1(a)所示。為方便分析,令圖1(a)中的換流站VSC1作為定直流電壓控制換流站,其容量足夠大且忽略紋波影響,即換流站VSC1的直流側(cè)電壓維持為Udc1恒定;VSC2和VSC3采用定有功功率控制方式,且為無(wú)差調(diào)節(jié)。
研究中,已知量包括指令參考值Udc1,P2和P3,線路參數(shù)L12,L13,L23和R,以及換流站損耗率λ;未知量包括P1,Udc2和Udc3。直流線路的有功潮流可由上述量進(jìn)行表述,假定所有工況均為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),可忽略諧波分量的作用。
2.1正常運(yùn)行時(shí)
當(dāng)線路正常運(yùn)行時(shí),根據(jù)節(jié)點(diǎn)處的有功潮流平衡可得:
其中,λ為換流站損耗率,即換流站的交流并網(wǎng)點(diǎn)母線到直流母線的有功功率損耗與交流并網(wǎng)點(diǎn)有功功率的比率;Pij(i,j=1,2,3)為從直流母線i處流向直流母線j的直流功率,即直流線路Lij功率,其計(jì)算公式為:
其中,R12=L12R,R13=L13R,R23=L23R。
將式(2)代入式(1)可得到三元二次方程組:
其中,Udc1,P2和P3可以直接取換流站的指令參考值,為已知量。P1,Udc2和Udc3為未知量。將各換流站直流電壓值代入式(2)即可得到直流線路的有功功率。式(3)的求解可借助MATLAB軟件的solve函數(shù)。
另外,為獲得式(3)的真解,需要附加條件:
對(duì)式(3)求解時(shí),可能沒(méi)有實(shí)數(shù)范圍內(nèi)的真解。若某一組解的虛部趨向于無(wú)窮小,且實(shí)部滿(mǎn)足式(4),則認(rèn)為解的實(shí)部是符合要求的方程組真解。
2.2線路L23停運(yùn)時(shí)
當(dāng)線路L23停運(yùn)時(shí),以主導(dǎo)換流站作為中心節(jié)點(diǎn),則VSC-TTDC系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)變?yōu)樾切谓Y(jié)構(gòu)。此時(shí),P23和P32均為0,則由式(1)和式(2)可得:
式(5)的求解過(guò)程類(lèi)似式(3)。
2.3線路L12或L13停運(yùn)時(shí)
線路L12或L13停運(yùn)時(shí)的2種情況類(lèi)似。以線路L13停運(yùn)時(shí)為例,以主導(dǎo)換流站為首端節(jié)點(diǎn),則VSC-TTDC系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)變?yōu)殒湢罱Y(jié)構(gòu)。此時(shí)P13和P31均為0,則由式(1)和式(2)可得:
式(6)的求解過(guò)程類(lèi)似式(3)。
2.4當(dāng)某一換流站停運(yùn)時(shí)
當(dāng)換流站VSC1停運(yùn)時(shí),VSC-TTDC系統(tǒng)將失去直流電壓控制的能力,此時(shí)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略來(lái)維持系統(tǒng)的直流電壓。由于本研究未考慮主導(dǎo)換流站停運(yùn)時(shí)的控制策略,故認(rèn)為當(dāng)主導(dǎo)換流站退出時(shí)整個(gè)VSC-TTDC系統(tǒng)退出運(yùn)行。
當(dāng)換流站VSC2或VSC3停運(yùn)時(shí),剩余系統(tǒng)均相當(dāng)于雙端VSC-HVDC系統(tǒng)。以VSC3停運(yùn)為例,此時(shí)線路L13和L23均停運(yùn),故P13,P31,P23和P32均為0,要求解的未知量為P1和Udc2,則由式(1)和式(2)可得:
式(7)的求解過(guò)程類(lèi)似式(3)。
調(diào)度中心負(fù)責(zé)指定主導(dǎo)換流站,即指定某一換流站的有功類(lèi)控制器為定直流電壓控制器,并向各換流站發(fā)出控制模式選擇指令和負(fù)責(zé)指令參考值的下發(fā)。同時(shí),調(diào)度中心能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控VSC-TTDC系統(tǒng)的運(yùn)行工況。因此,調(diào)度中心可根據(jù)線路參數(shù)、實(shí)時(shí)的指令參考值和系統(tǒng)的運(yùn)行工況,結(jié)合上述公式對(duì)各換流站直流電壓和主導(dǎo)換流站有功潮流進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)地下發(fā)到各換流站,以便整定各換流站的控制保護(hù)策略等。
為了驗(yàn)證各換流站直流電壓和主導(dǎo)換流站有功潮流計(jì)算公式的準(zhǔn)確性,在PSCAD/EMTDC環(huán)境中建立了如圖1(a)所示的VSC-TTDC系統(tǒng)仿真模型。所有換流站均采用相同的電路結(jié)構(gòu),單個(gè)換流站的詳細(xì)電氣接線如圖2所示,直流線路的集中參數(shù)模型如圖3所示,仿真模型的參數(shù)選擇如表1所示,換流站損耗率λ取值為2%。
圖2 換流站的電氣接線
圖3 直流線路的集中參數(shù)模型
4.1計(jì)算與仿真結(jié)果比較
根據(jù)以上推導(dǎo)公式,分別求解在正常運(yùn)行、線路L23停運(yùn)、線路L13停運(yùn)和換流站VSC3停運(yùn)4種運(yùn)行工況,不同指令參考值條件下的各換流站直流電壓和主導(dǎo)換流站有功潮流,求解結(jié)果如表2所示。利用PSCAD建立VSC-TTDC系統(tǒng)的詳細(xì)模型,進(jìn)行時(shí)域數(shù)字仿真,對(duì)上述各種工況下各換流站直流電壓主導(dǎo)換流站有功潮流和進(jìn)行驗(yàn)證,得到仿真結(jié)果的平均值如表2所示。
表1 仿真模型參數(shù)
表2 計(jì)算與仿真結(jié)果比較
由表2可知,在正常運(yùn)行和線路L13停運(yùn)2種運(yùn)行工況下,部分計(jì)算結(jié)果為復(fù)數(shù),其虛部均接近于無(wú)窮小。通過(guò)與仿真結(jié)果的比較可知,這些復(fù)數(shù)值的實(shí)部全部能夠與仿真結(jié)果相吻合,故取其實(shí)部作為非線性方程組的解能夠滿(mǎn)足計(jì)算的需要。
通過(guò)比較4種運(yùn)行工況下的計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果可知,換流站VSC2,VSC3直流電壓Udc2,Udc3的計(jì)算結(jié)果在所有運(yùn)行工況下都非常接近仿真結(jié)果,誤差范圍在(-0.05)-0kV。因此,該計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)榭刂票Wo(hù)策略的設(shè)計(jì)提供一個(gè)可靠的基準(zhǔn)。主導(dǎo)換流站的交流側(cè)有功功率P1的計(jì)算結(jié)果比較接近仿真結(jié)果,偏差范圍一般為(-3)-(-1)MW。
由正常運(yùn)行和直流線路L23停運(yùn)2種運(yùn)行工況下的計(jì)算和仿真結(jié)果可知:當(dāng)換流站VSC2和VSC3的有功功率指令值相等時(shí),Udc2=Udc3,線路L23上沒(méi)有潮流流過(guò),此時(shí)正常運(yùn)行與線路L23停運(yùn)2種運(yùn)行工況下的有功潮流與直流電壓均相同。對(duì)于正常情況下來(lái)說(shuō),當(dāng)P2=P3時(shí),直流線路L23并沒(méi)有得到充分的利用,成為沒(méi)有功率流動(dòng)的聯(lián)絡(luò)線,僅用于保證兩端換流站供電的可靠性。
當(dāng)直流線路L23停運(yùn)時(shí),VSC-TTDC系統(tǒng)成為星形結(jié)構(gòu),且主導(dǎo)換流站VSC1作為中心節(jié)點(diǎn)。當(dāng)換流站VSC3停運(yùn)時(shí),VSC-TTDC系統(tǒng)成為一個(gè)雙端VSC-HVDC系統(tǒng)。通過(guò)比較直流線路L23和換流站VSC3停運(yùn)2種運(yùn)行工況發(fā)現(xiàn),在星形結(jié)構(gòu)中,各換流站的直流電壓僅與本站的有功功率指令值密切相關(guān),與其他換流站的指令值無(wú)關(guān),且與雙端VSC-HVDC系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果相同。即線路L23停運(yùn)時(shí)VSC-TTDC系統(tǒng)相當(dāng)于2個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的雙端VSC-HVDC系統(tǒng)。
當(dāng)直流線路L13停運(yùn)時(shí),VSC-TTDC系統(tǒng)成為鏈狀結(jié)構(gòu),且主導(dǎo)換流站VSC1作為首端節(jié)點(diǎn)。由表2計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果可知,當(dāng)所有換流站的有功功率指令值均為正時(shí),即各換流站均流入有功功率,末端換流站直流側(cè)的電壓將隨著換流站數(shù)量的增加而提高,從而導(dǎo)致末端換流站的直流電壓偏高,這將不利于系統(tǒng)直流側(cè)電壓的控制。
4.2計(jì)算誤差來(lái)源
在進(jìn)行各換流站直流電壓和主導(dǎo)換流站有功潮流計(jì)算時(shí),誤差的主要來(lái)源包括以下幾個(gè)方面。
(1)換流站損耗率λ是一個(gè)變量,由多種因素所決定,主要取決于交直流電壓等級(jí)和換流站的交流側(cè)有功功率。而計(jì)算中λ取固定值會(huì)帶來(lái)一定的誤差,這是計(jì)算的主要誤差來(lái)源。
(2)計(jì)算是在忽略連接電抗器和直流側(cè)電容器等儲(chǔ)能元件動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,并且得到的計(jì)算結(jié)果是固定值。實(shí)際上,PSCAD的時(shí)域仿真考慮到了儲(chǔ)能元件的影響,并且仿真結(jié)果存在固定頻率的、小幅度的波動(dòng)。
(3)計(jì)算與仿真所采用的直流線路模型不同,為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,所采用的直流線路模型為集中電阻,PSCAD仿真采用的為集中π型等效電路,考慮到了線路電感和電容的作用。
(4)求解非線性方程組過(guò)程中由于虛數(shù)解的存在,取虛部接近于無(wú)窮小的解的實(shí)部作為符合要求的解會(huì)帶來(lái)一定的誤差。
(1)本文推導(dǎo)出的計(jì)算公式能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出VSC-TTDC系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況、1條直流線路停運(yùn)和某一換流站停運(yùn)情況下的各換流站直流電壓和主導(dǎo)換流站有功潮流。
(2)計(jì)算誤差來(lái)源主要包括換流站損耗率、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能元件、直流線路模型和虛數(shù)解處理的影響,誤差均在合理的范圍內(nèi)。
參考文獻(xiàn):
1 Flourentzou N,Agelidis V G, Demetriades G D. VSC-Based HVDC power transmission systems: An Overview [J].IEEE Trans. on Power Electronics,2009,24(3):592-602.
2 李庚銀,呂鵬飛,李廣凱,等.輕型高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,27(4):77-81.
3 徐政,陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述[J].高電壓技術(shù),2007,33(1):1-10.
4 胡兆慶,毛承雄,陸繼明,等.一種新型的直流輸電技術(shù)——HVDC Light[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(7):12-16.
5 朱曉東,周克亮,程明,等.大規(guī)模近海風(fēng)電場(chǎng)VSC-HVDC并網(wǎng)拓?fù)浼捌淇刂疲跩].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(18):17-24.
6 Tang Liangxiang and Ooi Boon-Teck. Locatingand Isolating DC Faults in Multi-Terminal DC Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(3):1877-1884.
7 Lu Weixing and Ooi Boon-Teck.DC Overvoltage Control During Loss of Converter in Multi-terminal Voltage-Source Converter-Based HVDC[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003,18(3):915-920.
8 Jin Yang, Fletcher E John and O’Reilly.Multiterminal DC Wind Farm Collection Grid Internal Fault Analysis and Protection Design[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(4):2308-2318.
9 陳海榮,徐政.適用于VSC-MTDC系統(tǒng)的直流電壓控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(12):57-60.
10 阮思燁,李國(guó)杰,孫元章.多端電壓源型直流輸電系統(tǒng)的控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(12):57-60.
11 吳俊宏,艾芊,章健,等.基于多代理技術(shù)的VSCMTDC控制系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(19):85-89.
12 趙成勇,胡東良,李廣凱,等.多端VSC-HVDC用于風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)的控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(17):135-140.
13 李勝.柔性直流技術(shù)在城市電網(wǎng)中應(yīng)用研究[D].北京:華北電力大學(xué),2009.
14 張靜,徐政,潘武略.VSC-HVDC系統(tǒng)新型廣義直流電壓控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008, 32(21):46-50.
15 張靜,徐政,王峰.包含VDCCOL的VSCHVDC改進(jìn)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(22):41-46.
16 丁濤,張承學(xué),孫元博.基于本地信號(hào)的VSC-MTDC輸電系統(tǒng)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(9):44-48.
17 張志涌.精通Matlab 6.5版教程[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2003.
收稿日期:2015-10-13。
作者簡(jiǎn)介:
郭啟偉(1985-),男,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù),email:276964876@qq.com。
劉玉海(1982-),男,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)變電運(yùn)維管理。
劉丙偉(1971-),男,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)變電安全管理。
任慶帥(1980-),男,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)變電檢修管理。
田智勇(1981-),男,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)變電運(yùn)維管理。
常高頌(1990-),男,助理工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)。
胡姿屹(1991-),女,助理工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)。