新能源匯集的多端柔性直流系統(tǒng)運(yùn)行方式及控制策略分析

張新燕趙理威王開澤孫 凱王志浩

(1.國網(wǎng)武威供電公司，甘肅 武威 733000；2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；3.國網(wǎng)昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100；4.北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100175)

0 引 言

由于中國能源的分布不勻，能源中心和負(fù)荷中心逆向分布，“三北”、蒙西等新能源聚集區(qū)域，新能源消納問題日益嚴(yán)重，功率外送亟待解決。但新能源的消納受輸電通道、自身波動(dòng)性等因素制約，導(dǎo)致棄電嚴(yán)重，外送受限[1]。隨著柔性直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源通過多端柔性直流系統(tǒng)外送是解決區(qū)域性新能源消納問題的有效措施和保證新能源有效利用及可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略[2-4]。

柔性直流輸電技術(shù)是構(gòu)建靈活運(yùn)行、高效輸電并充分利用可再生能源的直流輸電系統(tǒng)的有效途徑,是未來直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向[5]。因此“三北”、蒙西區(qū)域等各能源基地通過VSC-HVDC并網(wǎng)是解決區(qū)域性風(fēng)光基地送電問題的一種最優(yōu)策略。文獻(xiàn)[6]中介紹了一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的四端直流輸電系統(tǒng)，只對(duì)四端系統(tǒng)進(jìn)行仿真，沒有考慮在系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下的控制策略。文獻(xiàn)[7]提出多端柔性直流系統(tǒng)的不同控制策略，但是否適用于弱交流系統(tǒng)還需進(jìn)一步分析。文獻(xiàn)[8]提出了多端直流系統(tǒng)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并建立了相應(yīng)的柔性直流系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9-13]研究了風(fēng)電、光伏電場(chǎng)直流并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略。文獻(xiàn)[14]研究了直流系統(tǒng)故障的診斷和故障抑制的控制策略。文獻(xiàn)[15-16]研究了一種換流站之間的同步切換策略，不能夠有效地抑制在直流側(cè)故障下電壓的波動(dòng)。文獻(xiàn)[17]研究了一種適用風(fēng)電并網(wǎng)的環(huán)形六端直流系統(tǒng)，該系統(tǒng)在交流系統(tǒng)較強(qiáng)的情況下較穩(wěn)定，但不適合“三北”荒蕪地區(qū)。文獻(xiàn)[18]研究了大型風(fēng)電基地功率外送的多端直流系統(tǒng)控制策略，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)缺乏靈活運(yùn)行的方式。

下面在上述研究的基礎(chǔ)上針對(duì)“三北”蒙西地區(qū)的區(qū)域性能源分布形態(tài)，提出新能源基地采用多饋入電壓源型直流輸電并網(wǎng)，然后經(jīng)電流源型直流輸電通道的多端柔性直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跨省功率外送；并根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行方式分析了送受端換流站的控制策略，然后通過DIgSILENT建模仿真系統(tǒng)的運(yùn)行特性，主要分析了在系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下控制策略對(duì)多端柔性直流系統(tǒng)的功率波動(dòng)頻率、電壓、電流穩(wěn)定性的影響。

1 多端柔性直流輸電基本原理

多端柔性直流系統(tǒng)主要由換流站和直流輸電線路構(gòu)成，其柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多端柔性直流系統(tǒng)中換流站可以根據(jù)所處送受端的位置來決定其工作在整流狀態(tài)還是在逆變狀態(tài)。系統(tǒng)通過對(duì)各換流站電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的控制就能實(shí)現(xiàn)在直流系統(tǒng)兩端交流系統(tǒng)之間有功和無功的傳輸[19]。

多端柔性直流輸電系統(tǒng)的核心是換流站(電壓源型)。若在不考慮閥電抗器的損耗以及諧波分量時(shí)，取US為變流系統(tǒng)電壓的基波分量；UC為換流站交流側(cè)電壓的基波分量；δ為US和UC之間的相角差；雙極直流母線電壓差為Ud；XL為相電抗器的電抗。則可得到：

(1)

式中:μ為直流電壓的利用率；M為調(diào)制比，即VSC輸出相電壓峰值與單極直流電壓的比值。功率轉(zhuǎn)移電路如圖2所示，圖中：PS、QS分別為變流系統(tǒng)的有功和無功；PC、QC分別為換流站輸出的有功和無功。

圖2 功率轉(zhuǎn)移電路

從交流系統(tǒng)看進(jìn)去，則可計(jì)算出換流站與交流系統(tǒng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖和無功功率Q為

(2)

(3)

式中，K為換流站輸出電壓增益，是UC與US的比值，與M定義不同，但均能反應(yīng)換流站輸出電壓的變化。由式(2)可以看出δ的變化影響傳輸?shù)挠泄β?；由?3)可以看出UC的變化影響傳輸?shù)臒o功功率。因此通過控制δ、UC就可以控制直流電流的方向及傳輸有功功率及無功功率的大小。從交流系統(tǒng)看進(jìn)去，VSC可等效于一個(gè)端電壓幅值、相角均可控的無旋轉(zhuǎn)慣量的同步發(fā)電機(jī)。

2 系統(tǒng)概述

所提出的能源基地采用多饋入電壓源型直流輸電(VSC)并網(wǎng)，然后經(jīng)電流源型直流輸電(line commutated converter,LCC)通道外送形成多電源供電、多通輸電的多端柔性直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。新能源并網(wǎng)經(jīng)過換流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、VSC5，形成五端柔性直流輸電系統(tǒng)來增加風(fēng)光功率的外送。五端柔性系統(tǒng)中有部分換流站公用直流輸電通道，節(jié)省線路成本和損耗，更加經(jīng)濟(jì)。

3 運(yùn)行方式

所研究的主要的運(yùn)行方式是將VSC5作為受端，其他四端VSC1、VSC2、VSC3、VSC4作為送端。為提高五端系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性，系統(tǒng)還可以有其他運(yùn)行方式，分為五端、四端、三端、二端和STATCOM 5類共10種運(yùn)行方式，具體如表1所示。

圖3 多端樹枝式柔性直流系統(tǒng)拓?fù)?/p>

表1 系統(tǒng)運(yùn)行方式

將這10種運(yùn)行方式再歸類劃分為交直流并聯(lián)(有源HVDC)、單換流站直流孤島(無源HVDC)、多換流站直流孤島(無源HVDC)、單換流站STATCOM(靜止無功補(bǔ)償器)4類運(yùn)行方式。

交直流并聯(lián)方式(有源HVDC)：所研究的五端柔性直流系統(tǒng)，換流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、作為整流站運(yùn)行，VSC5作為逆變站運(yùn)行，形成五端柔性直流輸電系統(tǒng)，主要的運(yùn)行方式就是交直流并聯(lián)方式，通過直流線路和交流線路共同聯(lián)網(wǎng)供電。

單換流站直流孤島方式(無源HVDC)：當(dāng)換流站VSC1、VSC2、VSC3交流側(cè)電網(wǎng)與交流主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線故障斷開只留下孤立的供電連接線路時(shí)，則換流站VSC1、VSC2、VSC3處于單換流站直流孤島方式，對(duì)局部的電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)頻和調(diào)壓。

多換流站直流孤島方式(無源HVDC)：當(dāng)換流站VSC1、VSC2交流側(cè)電網(wǎng)與交流主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線故障斷開時(shí)，換流站VSC2、VSC4可以采用多換流站直流孤島方式；換流站VSC1、VSC4交流側(cè)電網(wǎng)與交流主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線故障斷開時(shí)，換流站VSC1、VSC2可以采用多換流站直流孤島方式；換流站VSC1、VSC3交流側(cè)電網(wǎng)與交流主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線故障斷開時(shí)，換流站VSC1、VSC2、VSC4采用多換流站直流孤島方式。

STATCOM方式：是指柔性直流換流站與交流系統(tǒng)有電氣連接，而與其他換流站通過直流線路的電氣連接斷開的運(yùn)行方式。5個(gè)換流站完全獨(dú)立時(shí)換流站VSC1、VSC2、VSC4、VSC5運(yùn)行在STATCOM方式，主要用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功。

4 控制方式

4.1 控制模式分析

柔性直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)是保證直流電壓的穩(wěn)定，直流網(wǎng)絡(luò)功率大幅波動(dòng)引起的直流電壓異常會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站過流閉鎖，情況比較嚴(yán)重的可能會(huì)因單個(gè)換流站引起整個(gè)直流系統(tǒng)的故障和癱瘓。多端柔性直流系統(tǒng)受端電網(wǎng)側(cè)為有源交流網(wǎng)絡(luò)，通常采用定直流電壓控制方式，能提高交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。定直流電壓控制的具體控制框圖如圖4所示，首先是電壓的參考值與實(shí)際電壓的測(cè)量值進(jìn)行比較得到一個(gè)偏差量，然后PI控制器對(duì)偏差量進(jìn)行調(diào)節(jié)后再通過對(duì)電流的限幅產(chǎn)生一個(gè)電流的參考值idref。此參考電流作為內(nèi)環(huán)電流控制的參考值。在多端柔性系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)換流站中必須有一個(gè)采用定直流電壓控制的換流站，該多端柔性直流系統(tǒng)是以換流站VSC5、VSC1、VSC2、VSC4、VSC3的依次順序優(yōu)先選擇定直流電壓控制方式。

圖4 定直流電壓控制

當(dāng)多端柔性系統(tǒng)中五端換流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、VSC5獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，換流站VSC1、VSC2、VSC4、VSC5運(yùn)行于STATCOM方式，系統(tǒng)換流站亦采用定直流電壓控制。除定直流電壓控制的換流站之外的換流站采用定有功控制。

4.2 靜態(tài)真分析

所研究的多端系統(tǒng)中，風(fēng)電建模選取容量為5 MW的雙饋風(fēng)機(jī)，各個(gè)換流站之間的距離選取為100 km，其他建模參數(shù)如表2所示。以最復(fù)雜的五端運(yùn)行方式為例進(jìn)行仿真分析。

表2 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

五端柔性直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的特性曲線如圖1所示。在沒有故障情況下，最大容量的風(fēng)光基地1風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速在10 s時(shí)減小至8 m/s，持續(xù)6 s后風(fēng)速恢復(fù)到11 m/s，系統(tǒng)有功功率下降如圖4(b)所示。系統(tǒng)采用定直流電壓控制，送端換流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4進(jìn)行無功補(bǔ)償保證系統(tǒng)功率的平衡如圖4(c)所示，進(jìn)而穩(wěn)定直流電壓、電流，如圖4(d)、圖4(e)所示，避免風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。在風(fēng)速波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)定頻率控制讓各直流通道的運(yùn)行頻率穩(wěn)定在50 Hz左右，如圖4(a)所示。綜上仿真分析，驗(yàn)證了所提出的控制策略可以有效地控制新能源的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，保證系統(tǒng)電壓和功率的穩(wěn)定。

(a) 直流通道輸電頻率

(b) 直流通道輸電功率

(c) 系統(tǒng)送端有功功率

(d) 直流通道時(shí)序電流

(e) 直流通道時(shí)序電壓圖5 系統(tǒng)正常情況動(dòng)態(tài)特性

4.3 故障擾動(dòng)仿真分析

多端柔性直流輸電系統(tǒng)輸出功率和輸入功率是否平衡是系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素，當(dāng)輸入功率和輸出功率不平衡時(shí)，就會(huì)直接影響直流電壓的波動(dòng)，使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。同樣，以最復(fù)雜的五端運(yùn)行方式為例進(jìn)行仿真分析。

由于換流站VSC1是在五端柔性直流系統(tǒng)中4個(gè)送端VSC1、VSC2、VSC3、VSC4中容量最大的一個(gè)，潮流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響相對(duì)較大。選在能源基地1公共連接點(diǎn)匯流母線處設(shè)置三相故障，來研究系統(tǒng)在故障擾動(dòng)下的運(yùn)行特性。設(shè)置在0.2 s時(shí)刻發(fā)生故障，然后在0.5 s時(shí)刻清除故障，故障持續(xù)0.3 s，在1 s時(shí)刻仿真結(jié)束。在發(fā)生故障后風(fēng)電基地功率無法正常輸送功率，送端換流站VSC1輸出的功率也隨之減少，進(jìn)而導(dǎo)致了受端換流站接受的功率也也減少，如圖5(c)所示。換流站VSC1與VSC5之間的直流通道DC15_line在故障時(shí)刻，功率發(fā)生大幅下降，如圖5(d)所示。與此同時(shí)，故障也造成五端直流系統(tǒng)的電壓、電流發(fā)生如圖5(a)、5(b)所示的振蕩，當(dāng)電壓振蕩幅度超過系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓范圍，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的換流站將采用恒壓變頻控制，通過調(diào)節(jié)輸入功率來達(dá)到對(duì)系統(tǒng)功率波動(dòng)的調(diào)節(jié)。到0.5 s時(shí)將故障完全切除，系統(tǒng)中送端換流站容量最大的VSC1，采用定直流電壓控制來保證系統(tǒng)直流電壓的穩(wěn)定，剩下其他的送端換流站采用定有功功率控制來保證系統(tǒng)有功功率的平衡。

(a)直流通道時(shí)序電壓

(b) 直流通道時(shí)序電流

(c) 系統(tǒng)各端功率

(d) 直流通道輸電功率圖6 系統(tǒng)故障情況下動(dòng)態(tài)特性

5 結(jié) 語

前面結(jié)合了新能源基地分布的形態(tài)，研究能源基地采用VSC并網(wǎng)、LCC通道外送的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式和控制策略進(jìn)行了研究分析，通過DIgSILENT建模仿真系統(tǒng)在五端運(yùn)行時(shí)的情況，驗(yàn)證了所提的控制策略在系統(tǒng)五端運(yùn)行方式下仍然可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)不大，維持在1.0 pu附近，當(dāng)能源基地1公共連接點(diǎn)發(fā)生故障，系統(tǒng)電壓跌落近0.25 pu，系統(tǒng)定直流電壓控制和定有功功率控制來保證系統(tǒng)電壓和有功功率的平衡。