柔性直流電網(wǎng)基于交流母線分列運(yùn)行策略的功率盈余控制方法

趙媛，張靜嵐，吳文杰，莊添鑫，張崇興，楊凱歌，常鵬

(1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京100045；2. 西安交通大學(xué)，西安710049)

0 引言

近年來，隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，柔性直流輸電技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)能夠?qū)τ泄β屎蜔o功功率進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，快速靈活可控，并且結(jié)構(gòu)緊湊，是新能源發(fā)電裝置接入電網(wǎng)的重要保障[1 - 5]。柔性直流輸電技術(shù)既可實現(xiàn)新能源電場孤島方式接入交流大電網(wǎng)，也可實現(xiàn)非同步運(yùn)行的交流電力系統(tǒng)之間的背靠背連接，具有廣闊的應(yīng)用前景[6 - 10]。

柔性直流電網(wǎng)出現(xiàn)某些故障后，可能會產(chǎn)生功率盈余問題，甚至導(dǎo)致直流電網(wǎng)的大面積癱瘓[11]。對于柔性直流輸電系統(tǒng)中的功率盈余問題，業(yè)界也有了一系列的解決思路[12 - 14]，總體上都是通過減小直流電網(wǎng)內(nèi)的有功功率，實現(xiàn)流入流出直流電網(wǎng)的有功功率再平衡。通過投入直流或交流可控耗能電阻，消耗故障后系統(tǒng)內(nèi)的盈余功率[15]。通過降低風(fēng)電場交流側(cè)電壓，利用風(fēng)機(jī)的低電壓穿越特性[16]，降低風(fēng)機(jī)的輸出功率。通過提高孤島運(yùn)行的交流測電源頻率，將一部分電能轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，從而降低機(jī)組輸出的有功功率[17]。

本文針對柔性直流電網(wǎng)的功率盈余問題，首先分析了功率盈余問題產(chǎn)生的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出了通過交流母線分列運(yùn)行解決功率盈余問題的方案，并探討了此方案在典型柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)中的可行性；然后通過電磁暫態(tài)仿真，將該方案與增設(shè)直流耗能裝置的方案進(jìn)行了比較，分析了該方法在通用性方面的優(yōu)勢，同時對其有效性進(jìn)行了驗證。

1 柔性直流電網(wǎng)功率盈余問題及解決方案

1.1 直流電網(wǎng)功率盈余問題

電壓源換流器(voltage source converter, VSC)可以等效為一個沒有轉(zhuǎn)動慣量的電動機(jī)，這使得柔性直流輸電系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性，但同時也使得直流電網(wǎng)具有了較大的不穩(wěn)定性[18]。當(dāng)直流電網(wǎng)出現(xiàn)某些故障時，電流電壓變化迅速，而交流安穩(wěn)控制裝置的動作速度較慢[19]，無法瞬間切斷線路起到保護(hù)作用。故障后直流電網(wǎng)中很容易出現(xiàn)盈余功率，進(jìn)而導(dǎo)致直流電網(wǎng)發(fā)生大面積癱瘓。

交流電源連接換流器交流母線的常見接線方式有2種：并列運(yùn)行與分列運(yùn)行。并列運(yùn)行時，單極換流器故障閉鎖后，由故障極換流器承載的那部分功率會轉(zhuǎn)由健全極換流器承載；分列運(yùn)行時，單極換流器故障后，由故障極換流器承載的那部分功率則不會轉(zhuǎn)由正常極換流器承載。交流母線并列運(yùn)行與分列運(yùn)行方式如圖1所示。

對于功率盈余問題，本文參考了文獻(xiàn)[10]中描述直流電網(wǎng)盈余功率問題機(jī)理的分類方法：第1類問題，即送端站單極故障閉鎖后，原先由故障極承載的功率全部由健全極承載，盈余功率在健全極換流器上積累，MMC子模塊因過流過壓而閉鎖。第2類問題，即受端站單雙極閉鎖后，送出功率不足而送入功率不變，多余能量開始在系統(tǒng)內(nèi)積累，換流站電容電壓迅速升高導(dǎo)致閉鎖。

1.2 通過交流母線分列運(yùn)行解決功率盈余問題

1.2.1 第一類功率盈余問題

交流母線分列運(yùn)行情況下，當(dāng)送端站單極故障閉鎖時，由于交流母線分列運(yùn)行，故障極承載的有功功率不會被健全極承載，使得健全極不至于因為過流過壓而閉鎖，換流站得以繼續(xù)運(yùn)行。

1.2.2 第二類功率盈余問題

當(dāng)受端站故障閉鎖時，可以強(qiáng)制閉鎖送端站部分或全部換流器。同時，閉鎖極換流器承載的有功功率不會被健全極轉(zhuǎn)帶。控制送端站換流器的閉鎖數(shù)目，保證送端站送出的總有功功率不大于受端站接受的總有功功率，就可以防止直流電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)盈余功率。

設(shè)穩(wěn)定運(yùn)行時站1和站2送入直流電網(wǎng)的功率分別為P1in，P2in。站3和站4送出直流電網(wǎng)的功率分別為P3out，P4out。送端站閉鎖裝置啟動前站1和站2輸入直流電網(wǎng)的功率可認(rèn)為恒定。設(shè)t0時刻故障發(fā)生，站3輸出功率降低為P3out-ΔP3out。定直流電壓站4輸出功率增大為P4out+ΔP4out。t1時刻保護(hù)裝置啟動，站2輸出功率下降為P2in-ΔP2in。這一過程中柔性直流電網(wǎng)內(nèi)的盈余功率Δp滿足式(1)。

(1)

(2)

由式(2)可知，故障發(fā)生后若盡快閉鎖送端站對應(yīng)極換流器，縮短盈余功率作用的時間，就能很好地控制電壓上升的幅度。同時由于交流母線分列運(yùn)行，閉鎖某一極換流器不會影響到另外一極的運(yùn)行，系統(tǒng)得以順利實現(xiàn)故障穿越。

2 仿真模型的建立及仿真驗證

2.1 仿真模型建立

張北±500 kV柔性直流輸電工程是中國自主建設(shè)的世界首個柔性直流電網(wǎng)工程，也是世界上輸送容量最大、電壓等級最高的柔性直流輸電工程。為了驗證交流母線分列運(yùn)行方案的有效性，在PSCAD/EMTDC中仿照張北工程搭建了柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)模型。模型基于典型的四端雙極柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)搭建，擁有送端站、受端站和調(diào)壓站。送端站通常連接發(fā)電設(shè)備，起到電源的作用。調(diào)壓站的作用是穩(wěn)定直流母線電壓。受端站連接交流大電網(wǎng)，向交流電網(wǎng)輸送能量。本模型中各換流站參數(shù)見表1。圖2為四端柔性直流電網(wǎng)示意圖。

表1 各換流站參數(shù)

圖2 四端柔性直流電網(wǎng)示意圖

2.2 正常運(yùn)行工況

站1和站2的雙極輸出功率分別穩(wěn)定在3 000 MW和1 500 MW。站3采取定有功功率的控制方式，雙極輸出功率為1 500 MW，站4采取定直流電壓的控制方式，因為線路阻抗的原因，輸出功率低于設(shè)計值。系統(tǒng)正常運(yùn)行時的仿真波形如圖3所示。

圖3 正常運(yùn)行時仿真波形

2.3 故障運(yùn)行時

2.3.1 交流母線并列運(yùn)行

交流母線并列運(yùn)行時，考慮最嚴(yán)重的故障情況，即站4交流側(cè)斷路時，仿真波形如圖4所示。2 s時在PSCAD中觸發(fā)站4交流母線斷路故障。故障發(fā)生后，站4送出功率迅速衰減，站1和站2的送出功率暫時不變，多出的功率由站3承載，站3的子模塊電壓迅速升高并出現(xiàn)波動，導(dǎo)致閉鎖。閉鎖后不再送出功率。站3閉鎖后，站1和站2輸入系統(tǒng)的有功功率無法送出，子模塊電壓和直流電壓迅速升高，最終站1和站2相繼閉鎖，直流電網(wǎng)癱瘓。

圖4 站4雙極閉鎖仿真波形

2.3.2 交流母線分列運(yùn)行2.3.2.1 送端站單極閉鎖故障。

送端站單極故障后，交流母線采取并列方式運(yùn)行時，故障極承載的功率不會被健全極所轉(zhuǎn)帶，保證了送端換流站的正常運(yùn)行。站2負(fù)極閉鎖時仿真波形如圖5所示。

圖5 站2負(fù)極閉鎖仿真波形

在2 s時觸發(fā)站2負(fù)極閉鎖。故障發(fā)生后，從有功功率和電壓的角度看，從站2負(fù)極送出的有功功率迅速衰減，站3和站4負(fù)極送出的有功功率暫時不變，站1負(fù)極電壓出現(xiàn)跌落，經(jīng)過一段時間震蕩后回歸穩(wěn)定。由于交流母線采用分列運(yùn)行的接線方式，站2正極承載的功率不變，正極電壓不受影響。從直流母線電壓的角度看，在故障初期，站2負(fù)極換流器關(guān)閉，送出功率不足，導(dǎo)致直流母線負(fù)極電壓瞬間跌落，隨即又迅速恢復(fù)。由于采取真雙極接線方式，并且交流母線分列運(yùn)行。所以直流母線正極電壓保持平穩(wěn)不受影響。從各站輸出功率的角度看，站2負(fù)極換流器閉鎖后，其負(fù)極輸出功率迅速下降至0。而站1輸出功率不變。站3由于采取了定有功功率的控制方式，輸出功率經(jīng)過短暫波動后保持不變。站4由于采取了定直流電壓的控制方式，輸出功率幅值減小，從而彌補(bǔ)了站2下降的輸出功率。

2.3.2.2 受端站單極閉鎖故障

受端站單極閉鎖時，輸出功率迅速下降，為了保證功率平衡，應(yīng)強(qiáng)制閉鎖送端站對應(yīng)極換流器，且送端站閉鎖極有功功率不小于受端站閉鎖極的有功功率。站3負(fù)極閉鎖仿真波形如圖6所示，設(shè)2 s時站3負(fù)極閉鎖，20 ms后保護(hù)裝置動作，站2負(fù)極換流器閉鎖。站1負(fù)極子模塊電壓先短暫上升，經(jīng)過一段時間的波動后恢復(fù)到故障之前的狀態(tài)。站3閉鎖后輸出功率首先下降，盈余功率由站4承載，站4輸出功率上升。隨后保護(hù)裝置啟動，站2負(fù)極閉鎖，站4輸出功率開始跌落，經(jīng)過波動后逐漸穩(wěn)定在正常水平。由于保護(hù)裝置及時投入運(yùn)行，直流母線電壓并未出現(xiàn)較大波動。交流母線分列運(yùn)行策略起到了很好的保護(hù)作用。

圖6 站3負(fù)極閉鎖仿真波形

3 交流母線并列轉(zhuǎn)分列運(yùn)行策略

3.1 母線并列運(yùn)行的優(yōu)勢和局限性

母線并列運(yùn)行的解決方案對電網(wǎng)設(shè)備沒有特殊要求。其他的一些解決方案可能對設(shè)備有著特殊要求。比如升頻法就需要一次側(cè)設(shè)備具有一定的一次調(diào)頻能力[17]。

母線并列運(yùn)行的解決方案可以同時解決第1類功率盈余問題和第2類功率盈余問題，而其他的解決方案，比如投入直流耗能裝置，則只能解決某一類功率盈余問題。

交流母線并列運(yùn)行故障閉鎖后，可能出現(xiàn)較大的功率損失。在換流器正負(fù)極對稱運(yùn)行的典型情況下，即正負(fù)極換流器承載相等的功率時，單極閉鎖可能造成一半的功率損失。

對于受端站換流器閉鎖的情況，需要通過通信裝置向送端站發(fā)出閉鎖指令。若通信裝置損壞或者信號傳遞延遲，會造成送端站閉鎖速度過慢。保護(hù)失效。

某些情況下，交流母線分列運(yùn)行策略可能失效。比如系統(tǒng)中唯一的調(diào)壓站閉鎖時，即使及時閉鎖送端站換流器，系統(tǒng)也將因為缺乏調(diào)壓站的支持而出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，無法繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。要解決此類問題，可以在系統(tǒng)中設(shè)置多個調(diào)壓站，當(dāng)其中某個調(diào)壓站故障閉鎖后，其他調(diào)壓站也可以繼續(xù)起到調(diào)壓作用。

3.2 與直流耗能裝置的比較

當(dāng)受端站發(fā)生閉鎖故障時，除了閉鎖送端站對應(yīng)極換流器外，也可以采取在系統(tǒng)中投入耗能電阻的方式來消耗盈余功率。直流耗能裝置的大致原理是，在換流器MMC子模塊后面并聯(lián)可控耗能電阻，當(dāng)受端換流器故障閉鎖后，投入耗能電阻將系統(tǒng)內(nèi)的盈余功率轉(zhuǎn)化為耗能電阻產(chǎn)生的的熱能，從而保障換流站的穩(wěn)定運(yùn)行[20 - 12]。

按照文獻(xiàn)[11]中的設(shè)計規(guī)范，如圖7所示，將直流側(cè)耗能電阻配置在換流器后，直流側(cè)耗能電阻可在1 000 kV電壓下消耗750 MW有功功率。如圖所示，2 s時站3正極換流器故障閉鎖后，正極輸出功率迅速衰減，20 ms后直流耗能裝置啟動，吸收大部分盈余功率，各站輸出功率經(jīng)過一段時間波動后恢復(fù)正常。站2正極子模塊電壓經(jīng)過一段時間波動后恢復(fù)正常。直流耗能裝置起到了很好的保護(hù)作用。

圖7 直流側(cè)耗能電阻示意圖

直流耗能裝置能夠減少對交流測電源的影響，防止交流測電壓出現(xiàn)波動，暫時性故障過后能夠順利并網(wǎng)。交流母線分列運(yùn)行時，強(qiáng)行閉鎖送端站換流器可能造成交流側(cè)電壓和頻率升高，使得故障恢復(fù)后的交流側(cè)并網(wǎng)出現(xiàn)困難。

直流耗能裝置連接了正負(fù)極直流母線，當(dāng)正極換流器出現(xiàn)故障，耗能裝置投入運(yùn)行后，負(fù)極母線電壓也會受到影響，使得負(fù)極換流站電壓出現(xiàn)波動。交流母線分列運(yùn)行時，正負(fù)極直流母線相互獨(dú)立，負(fù)極換流器電壓不會出現(xiàn)波動。

直流耗能裝置適用于第2類功率盈余問題，對于第1類功率盈余問題，即單個換流站內(nèi)部單極閉鎖的情況無法處理。交流母線分列運(yùn)行可以同時處理兩類功率盈余問題。

直流耗能裝置運(yùn)行時會產(chǎn)生大量熱量，對占地和散熱有較高要求，不能長時間運(yùn)行，適用于暫時性故障。交流母線分列運(yùn)行的方案則適用于暫時性和永久性故障。

直流耗能裝置投入使用后的電壓、功率仿真波形如圖8所示。

圖8 直流耗能裝置投入使用后仿真波形

3.3 減小故障后電壓升高的策略

由式(2)可知，直流電網(wǎng)出現(xiàn)盈余功率后子模塊電壓升高的幅值主要取決于以下3個方面的因素。

1)盈余功率的大小。盈余功率越大，單位時間內(nèi)積累的能量就越多，電壓上升幅值越大。

2)故障持續(xù)時間。故障持續(xù)時間越長，子模塊上積累的能量就越多，電壓上升幅值越大。

3)子模塊電容大小。電容承載的能量與電容大小成正比，子模塊電容越小，相同條件下電壓上升幅度越大。

因此，降低故障后電壓升高幅度，可以從以下2個方面著手。

1)縮短安控裝置的反應(yīng)時間，例如可以使用更快的通信模塊。如圖9所示，站3正極閉鎖后，將站2正極閉鎖的反應(yīng)時間由20 ms縮短到5 ms。站1負(fù)極子模塊電壓波動幅度相比之前明顯減小。

圖9 縮短閉鎖裝置反應(yīng)時間后仿真波形

2)增大子模塊電容。如圖10所示，將MMC子模塊電容增大到初始值的兩倍，站3正極閉鎖后20 ms閉鎖站2正極換流器，可以看到，增大子模塊電容后，電壓的波動幅度減小。

圖10 增大子模塊電容后仿真波形

4 結(jié)論

本文首先分析了通過交流母線并列轉(zhuǎn)分列運(yùn)行解決直流電網(wǎng)功率盈余問題的機(jī)理，基于PSCAD/EMTDC搭建了四端雙極柔性直流輸電模型。通過正常和故障狀態(tài)下的仿真分析，得到了如下結(jié)論。

1)交流母線并列轉(zhuǎn)分列運(yùn)行可以有效解決柔性直流電網(wǎng)中的第1類和第2類功率盈余問題。

2)和直流耗能裝置相比，母線分列運(yùn)行方案可能造成交流側(cè)電壓不穩(wěn)，但不會影響直流母線正常極電壓，對散熱和占地也沒有高的要求。

3)可以通過縮短閉鎖裝置反應(yīng)時間，增大子模塊電容等方式，控制故障后電壓波動幅度。

目前，除交流母線并列轉(zhuǎn)分列運(yùn)行外，功率盈余問題還存在其他多種解決方式，例如投入交流或直流耗能電阻，降壓法及升頻法等。這些解決方案各自存在優(yōu)勢和不足，后續(xù)將進(jìn)一步探究幾種方案的優(yōu)劣及各自適用的場景。