論大容量風(fēng)電高壓直流輸電系統(tǒng)功率外送仿真技術(shù)

張柳艷

摘 要：在下面文章里，我們簡單了解多端柔性特高壓直流輸電系統(tǒng)，并重點以其為基礎(chǔ)對大容量風(fēng)電基地與系統(tǒng)并網(wǎng)實現(xiàn)功率外送仿真技術(shù)作為探討。

關(guān)鍵詞：大容量風(fēng)電基地；直流輸電系統(tǒng)；VSC-MDTC

前言

目前風(fēng)電單機容量已達(dá)到兆瓦級，風(fēng)能利用率越來越高。國內(nèi)風(fēng)電基地的數(shù)量和規(guī)模都在與日俱增。將風(fēng)電系統(tǒng)滲入整個電力系統(tǒng)對于改善電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低環(huán)境污染、減少資源消耗都有著重要的意義。但是由于風(fēng)能具有方向、大小不確定性，經(jīng)常導(dǎo)致風(fēng)電機組瞬時負(fù)荷劇烈波動，在并網(wǎng)運行時對系統(tǒng)造成擾動影響，所以成為限制風(fēng)電進(jìn)一步發(fā)展壯大的難題。在下面文章里，我們通過對特高壓柔性直流輸電新技術(shù)進(jìn)行了解，并對基于柔性直流輸電系統(tǒng)的大容量風(fēng)電基地與系統(tǒng)并網(wǎng)實現(xiàn)功率外送仿真技術(shù)進(jìn)行探討。

1 多端柔性特高壓直流輸電系統(tǒng)

多端柔性直流輸電系統(tǒng)VSC-MDTC是由兩端柔性直流輸電系統(tǒng)VSC-HTDC發(fā)展而來，通過VSC換流站與多條直流輸電線路將區(qū)域內(nèi)多個用電負(fù)荷中心和電源連接在一起，在送電端與受電端均設(shè)置了換流站，由其實現(xiàn)功率的輸送、分配。VSC-MDTC系統(tǒng)即有柔性直流輸電的優(yōu)點，又能將多個分布式電源聯(lián)網(wǎng)，很好的解決了如風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源并網(wǎng)問題。對于拓寬電網(wǎng)負(fù)荷類型、綜合利用資源有著重要的意義。

在VSC-MDTC系統(tǒng)運行過程中直流電壓的穩(wěn)定性直接決定著系統(tǒng)的運行特性和可靠性，所以會選擇一個換流站作為功率平衡節(jié)點對直流電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制，而其余換流站則在整流或逆變狀態(tài)完成功率分配。SC-MDTC系統(tǒng)雖然在運行靈活性、可靠性等方面比雙端系統(tǒng)更具有技術(shù)優(yōu)勢，但是由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，所以保證運行穩(wěn)定的控制策略非常復(fù)雜。[1]

2 不同擾動下系統(tǒng)的控制策略

功率擾動對系統(tǒng)的影響：

VSC-MDTC系統(tǒng)利用閉合環(huán)路直流線路構(gòu)成中心呈環(huán)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將直流環(huán)路設(shè)置在風(fēng)電場附近，即縮短了直流線路長度，又降低了容量冗余造成的成本，同時可有效提高系統(tǒng)運行可靠性。在這里我們用W-VSC代表風(fēng)電場換流站；G-VSC代表送端換流站；L-VSC代表受端換流站。在正常的運行過程中風(fēng)電場換流站對匯集的風(fēng)電場功率進(jìn)行整流并輸送至直流環(huán)網(wǎng)，與本地電網(wǎng)換流站共同組成送端換流站，通過直流網(wǎng)絡(luò)將功率輸送至遠(yuǎn)方負(fù)荷中心。為了保證系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定性，我們選取功率調(diào)節(jié)能力強的換流站對直流電壓進(jìn)行控制，在風(fēng)電場端換流站通過恒壓恒頻控制策略來保證本端電網(wǎng)的電能質(zhì)量；而剩余換流站則按照相關(guān)發(fā)電計劃，通過定功率控制策略實現(xiàn)功率合理分配。通過綜合考慮本地電網(wǎng)換流站功率裕量及交流電網(wǎng)電能質(zhì)量，按照發(fā)生擾動后系統(tǒng)電網(wǎng)頻率變化情況，可將系統(tǒng)語系模式分為三類，分別是自由運行、下垂運行和限流運行，下面我們對三種運行模式的區(qū)分進(jìn)行簡單了解。

（1）自由運行模式下，系統(tǒng)在控制范圍內(nèi)可向用戶持續(xù)提供優(yōu)質(zhì)電能，當(dāng)擾動發(fā)生時，系統(tǒng)默認(rèn)的直流電壓控制換流站即可全部承擔(dān)不平衡功率并維持直流電壓穩(wěn)定。當(dāng)換流站功率調(diào)節(jié)能力無法滿足需求時，將進(jìn)入下垂運行模式。

（2）下垂運行模式下，G-VSC控制策略發(fā)生改變，由定直流電壓控制變?yōu)橹绷麟妷褐绷麟娏飨麓箍刂疲瑫r由各端換流站共同承擔(dān)功率調(diào)節(jié)壓力。

（3）限流運行模式下，系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)行電壓控制的換流站其功率調(diào)節(jié)能力達(dá)到極限，直流電壓發(fā)生劇烈波動。此時，系統(tǒng)需要重新選擇具有較大功率裕量的L-VSC換流站對直流電壓進(jìn)行控制，維持系統(tǒng)功率平衡。[2]

3 系統(tǒng)仿真分析

為了對前面文章中探討的基于柔性直流系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)電基地的功率外送問題進(jìn)行深入分析，我們可以利用Matlab/simulink仿真系統(tǒng)。在建立的仿真系統(tǒng)中，可將火電廠和風(fēng)電場視為等值機組。下面我們對不同位置的擾動情況進(jìn)行仿真：

3.1 G-VSC端負(fù)荷發(fā)生擾動

在仿真過程中，人為的在G-SVC端L1三秒時負(fù)荷由300MW下降200MW，在11秒時再下降100MW。造成系統(tǒng)嚴(yán)重不平衡，進(jìn)行限流運行模式。

通過對仿真系統(tǒng)采集處理獲取的動態(tài)響應(yīng)圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在3s時，由于G-SVC端負(fù)荷L1出現(xiàn)快速下滑，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅上升，系統(tǒng)無法維持在自由運行模式，進(jìn)而進(jìn)入下垂運行階段，為了維持送端電網(wǎng)頻率質(zhì)量，需要其余端換流站進(jìn)行功率支援。系統(tǒng)直流電壓在進(jìn)行下垂運行階段時會出現(xiàn)提升，而L-VSC1和L-VSC2在檢測到直流電壓上升信號后，根據(jù)下垂控制策略增大受電需求，而W-VSC則根據(jù)下垂控制策略降低饋入系統(tǒng)的功率。最終結(jié)果是G-VSC將電網(wǎng)中多余的電能釋放至直流網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)消納，有效緩解了擾動對送端電網(wǎng)正常運行造成的影響。

在11s時，負(fù)荷L1進(jìn)一步下降，VSC-MDTC系統(tǒng)的功率不平衡情況惡化，雖然由多端換流站共同進(jìn)行功率協(xié)調(diào)，但G-VSC換流站自身功率容量仍然無法滿足直流電壓的控制需求。所以VSC-MDTC系統(tǒng)只能進(jìn)入限流運行狀態(tài)，系統(tǒng)中L-VSC1換流站根據(jù)直流電壓/有功功率下垂控制策略進(jìn)行快速切換。

3.2 W-VSC端的風(fēng)速變化

人為調(diào)整風(fēng)電場初始風(fēng)速為8m/s，在3秒時，人為調(diào)整風(fēng)速為9m/s，在13秒時降為7m/s。兩次調(diào)整都造成了風(fēng)電功率的突變，致使系統(tǒng)內(nèi)功率波動。在風(fēng)速變化時采取相應(yīng)調(diào)整策略，當(dāng)風(fēng)速突增時，風(fēng)電場功率上升，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定，G-VSC換流站需要進(jìn)行功率支援來維持電壓穩(wěn)定，但由于系統(tǒng)頻率上升達(dá)到進(jìn)入下垂運行模式條件，根據(jù)相關(guān)策略需要由各端換流站對不平衡功率進(jìn)行分擔(dān)。G-VSC根據(jù)下垂策略升高直流系統(tǒng)電壓，而L-VSC在直流電壓/有功功率下垂策略控制下，增加部分功率輸出，降低了直流電壓波動，緩解了G-VSC的功率調(diào)節(jié)壓力，同時也有效遏制了G-VSC側(cè)頻率的上升。

3.3 L-VSC端的負(fù)荷發(fā)生變化

在仿真系統(tǒng)運行過程中人為調(diào)整負(fù)荷，先于3s時增加至400MW，再于13s時降低至200MW，造成本端電網(wǎng)的功率擾動及頻率變化。采用相應(yīng)控制策略后系統(tǒng)，在3s時，由于負(fù)荷增大導(dǎo)致L-VSC端電網(wǎng)負(fù)荷波動，超出承受能力，造成該端頻率下滑，在采取相應(yīng)控制措施后，L-VSC端增大受電需求，由G-VSC提供功率支持，但直流電網(wǎng)電壓快速下滑，而L-VSC和風(fēng)電機組根據(jù)電壓變化，在下垂策略控制下調(diào)整有功輸出，進(jìn)而分擔(dān)了G-VSC的功率調(diào)節(jié)壓力，提高了L-VSC端的頻率。

4 結(jié)束語

在上面文章里，我們對大容量風(fēng)電基地通過多端柔性特高壓直流輸電系統(tǒng)實現(xiàn)功率外送的仿真問題進(jìn)行了深入探討，受篇幅限制只是對在擾動情況下系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了分析，實際應(yīng)用過程中，還存在很多問題需要深入研究，諸如風(fēng)電場的功率協(xié)調(diào)控制策略、交直流混聯(lián)系統(tǒng)的應(yīng)用等。

參考文獻(xiàn)

[1]杜培東，王維洲，劉福潮.大容量風(fēng)電基地通過多端柔性特高壓直流輸電系統(tǒng)實現(xiàn)功率外送的仿真分析[C].甘肅省電機工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會，2014：10-15.

[2]朱藝穎.大規(guī)模風(fēng)電直流外送系統(tǒng)的仿真與協(xié)調(diào)控制策略研究

[D].華北電力大學(xué)，2014：20-34.