柔性直流電網(wǎng)站間協(xié)調(diào)控制功能及穩(wěn)控配合研究

盧 宇 姜崇學(xué) 汪楠楠 祝 萬

柔性直流電網(wǎng)站間協(xié)調(diào)控制功能及穩(wěn)控配合研究

盧 宇 姜崇學(xué) 汪楠楠 祝 萬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

張北柔直電網(wǎng)工程是世界首個(gè)柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程，由于電力電子設(shè)備過載能力相對較弱，且單站容量可達(dá)直流電網(wǎng)容量的三分之一，為了保證直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在張北柔直電網(wǎng)工程中配置了站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)以實(shí)現(xiàn)四站之間的相互配合，確保在各種擾動情況下直流電網(wǎng)潮流和電壓處于可控的工作狀態(tài)，同時(shí)在站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)中實(shí)現(xiàn)柔性直流電網(wǎng)功率傳輸極限能力的計(jì)算，為交直流混聯(lián)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)切除新能源提供依據(jù)。

柔性直流電網(wǎng)；站間協(xié)調(diào)控制；功率傳輸極限；直流電壓控制；交直流混聯(lián)系統(tǒng)

0 引言

我國能源資源中心與負(fù)荷中心分布極不均衡，大規(guī)模能源的開發(fā)和全國范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置決定了我國需要建設(shè)遠(yuǎn)距離的輸電通道，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模能源資源的集約化開發(fā)和全國范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置。與交流輸電技術(shù)相比，高壓直流輸電技術(shù)具有輸送容量大、輸電距離遠(yuǎn)、快速可控且可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電網(wǎng)的非同步聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)勢。端對端直流輸電僅能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的直流功率傳送，當(dāng)多個(gè)交流系統(tǒng)間釆用直流互聯(lián)時(shí)，需要多條直流輸電線路，這將極大提高投資成本和運(yùn)行費(fèi)用[1-5]。

隨著化石能源的日益枯竭及改善環(huán)境壓力的日益增加，我國乃至世界均面臨著能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，大規(guī)模開發(fā)和利用新能源勢在必行[6-8]。風(fēng)電、太陽能、潮汐能等新能源發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，新能源的規(guī)?；{已成為我國電力系統(tǒng)面臨的重大現(xiàn)實(shí)問題，傳統(tǒng)電力裝備、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行技術(shù)需要進(jìn)行調(diào)整。為了適應(yīng)未來能源格局的深刻變化，需在電網(wǎng)側(cè)加快新型匯集及送出技術(shù)的研發(fā)以提高新能源發(fā)電的利用效率。采用電壓源換流器直流端互聯(lián)所構(gòu)成的網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)電網(wǎng)，電壓源換流器具有有功和無功獨(dú)立控制能力，在偏遠(yuǎn)地區(qū)和海上可再生能源并網(wǎng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，采用直流聯(lián)網(wǎng)后可實(shí)現(xiàn)廣域內(nèi)可再生能源和負(fù)荷的時(shí)空互補(bǔ)特性，在提升新能源匯集方面具有諸多優(yōu)勢[9-11]。

直流電網(wǎng)的發(fā)展，首先要經(jīng)歷多端直流輸電的過渡階段。近年來，我國已投運(yùn)多個(gè)多端直流輸電示范工程，如2013年底投運(yùn)的南澳島三端柔性直流輸電工程，2014年運(yùn)行的舟山五端柔性直流輸電工程[6-7]。然而，多端直流系統(tǒng)只是直流電網(wǎng)的雛形，因?yàn)槎喽酥绷飨到y(tǒng)沒有網(wǎng)格、沒有冗余，而直流電網(wǎng)是一個(gè)具有“網(wǎng)孔”的輸電系統(tǒng)，換流站之間有多條直流線路通過直流斷路器連接，整個(gè)系統(tǒng)存在冗余[12-13]。

國家電網(wǎng)有限公司建設(shè)了張北±500kV柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程（簡稱“張北柔直電網(wǎng)工程”），其四端直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該工程采用環(huán)形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可靠性高且能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電或多落點(diǎn)供電。張北柔直電網(wǎng)工程能夠?yàn)槲磥黼娋W(wǎng)的風(fēng)、光、儲、抽蓄一體化運(yùn)作、功率互補(bǔ)輸送起到非常好的技術(shù)指導(dǎo)和示范作用[14-17]。

圖1 四端直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

張北柔直電網(wǎng)工程的四端分別為北京站、張北站、康保站和豐寧站，其中北京站為受端，張北站、康保站為直流電網(wǎng)新能源送端，豐寧站與抽蓄電站直接連接，為直流電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)端，四站的額定容量分別為3 000MW、3 000MW、1 500MW、1 500MW。

與高壓交流電網(wǎng)相比，直流電網(wǎng)的電源特性、運(yùn)行方式、控制方式等存在較大差異，使高壓大容量等級的直流電網(wǎng)發(fā)展在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面面臨巨大挑戰(zhàn)。張北柔直電網(wǎng)工程的顯著特點(diǎn)是直流網(wǎng)絡(luò)化、交直流混聯(lián)、新能源孤島接入、直流側(cè)低慣性弱阻尼[14]?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)是柔性直流電網(wǎng)的“大腦”，負(fù)責(zé)柔性直流電網(wǎng)的潮流控制、運(yùn)行方式、故障保護(hù)，保障電網(wǎng)安全、可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，考慮到張北柔直電網(wǎng)工程作為世界首個(gè)柔性直流電網(wǎng)工程，現(xiàn)階段設(shè)備能力相對較弱，電網(wǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜，配置上層控制方案，積累經(jīng)驗(yàn)。本文分析上層控制的主要功能，以及直流上層控制和系統(tǒng)穩(wěn)控之間的配合關(guān)系，并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 直流電網(wǎng)架構(gòu)和站間協(xié)調(diào)控制功能

為適應(yīng)柔性直流電網(wǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜且多變的需求，結(jié)合柔性直流電網(wǎng)多換流站協(xié)調(diào)控制的功能要求，四端柔性直流電網(wǎng)配置上層協(xié)調(diào)控制設(shè)備快速調(diào)整直流電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，擾動后迅速恢復(fù)為可控狀態(tài)，避免長期損失功率，保證直流電網(wǎng)較優(yōu)性能，適應(yīng)多種運(yùn)行方式。同時(shí)，將控制功能盡量放在較低的層次，避免上層控制故障對下層控制的影響，提高系統(tǒng)的整體性能，即使失去上層控制，直流電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能與不配置上層控制相同，設(shè)備冗余度更高。

綜上所述，將雙極直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四層結(jié)構(gòu)，即站間協(xié)調(diào)控制層、雙極控制層、極控制層和閥控制層，如圖2所示。

圖2 雙極直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

張北柔直電網(wǎng)工程在北京站和張北站分別配置了一套站間協(xié)調(diào)控制（station coordinated control, SCC）設(shè)備，采用主備方式實(shí)現(xiàn)多換流站間協(xié)調(diào)控制。站間協(xié)調(diào)控制可以對四站進(jìn)行總的協(xié)調(diào)，減少系統(tǒng)運(yùn)行過程中投退換流閥的擾動，降低站間通信的負(fù)載率。當(dāng)失去站間通信時(shí)，通過設(shè)置在極控制層的不依賴通信的協(xié)調(diào)控制策略實(shí)現(xiàn)換流站的運(yùn)行。站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)站間協(xié)調(diào)控制層的相關(guān)控制功能。

1.1 直流電壓協(xié)調(diào)控制

結(jié)合有通信的上層控制和直流電壓斜率偏差控制的優(yōu)點(diǎn)，上層控制必須依賴站間通信，根據(jù)電壓控制優(yōu)先級選擇承擔(dān)定電壓控制的換流器，通信故障時(shí)由下層維持系統(tǒng)功率平衡。上層控制實(shí)現(xiàn)對直流電壓和功率的精確跟蹤，保證穩(wěn)態(tài)控制性能；下層控制采用直流電壓斜率偏差控制，適應(yīng)直流電網(wǎng)多直流站直流電壓協(xié)調(diào)控制需求，保證暫態(tài)直流電壓穩(wěn)定[18-21]。

站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)上層控制功能，定直流電壓控制模式切換的優(yōu)先級由高至低依次為豐寧站、北京站、張北站、康保站。當(dāng)直流電壓控制換流器故障停運(yùn)時(shí)，上層控制自動選擇下一優(yōu)先級的換流器切換為直流電壓控制模式；當(dāng)直流電網(wǎng)進(jìn)入或退出解列運(yùn)行方式時(shí)，在互聯(lián)的換流器中自動調(diào)整優(yōu)先級高的換流器為定直流電壓控制模式。

上層協(xié)調(diào)控制僅在協(xié)調(diào)控制主機(jī)與正極或負(fù)極的四個(gè)換流器站間通信均正常時(shí)，才對正極或負(fù)極換流器執(zhí)行上述功能。在收到故障信號后，直流電壓控制換流器整流過負(fù)荷時(shí)，降低與該換流器連接的逆變運(yùn)行的換流器的功率；直流電壓控制換流器逆變過負(fù)荷時(shí)，降低與該換流器連接的整流運(yùn)行的換流器的功率。直流電壓控制換流器逆變過負(fù)荷超過5s時(shí)，提升受端換流器的下網(wǎng)功率。

1.2 直流電壓運(yùn)行范圍控制

柔性直流電網(wǎng)的換流站間通過長線路互聯(lián)，線路兩端壓降較大，為了防止運(yùn)行時(shí)直流線路一端出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)過電壓或欠電壓，需要控制全網(wǎng)的直流電壓均在設(shè)計(jì)的運(yùn)行范圍內(nèi)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓范圍為500～527kV，極端運(yùn)行電壓范圍為485～535kV。柔性直流電網(wǎng)潮流示意圖如圖3所示。

圖3 柔性直流電網(wǎng)潮流示意圖

在站1控制直流電壓時(shí)，其余三站的直流母線電壓相對站1的直流電壓偏差由線路電流在線路上產(chǎn)生的電壓降引起，為了防止換流器穩(wěn)態(tài)時(shí)超出運(yùn)行范圍，在直流電壓控制站的指令中加入直流電壓偏差修正量，直流電網(wǎng)電壓運(yùn)行范圍控制如圖4所示，該控制策略需基于站間通信，通過直流電壓偏差修正量可實(shí)現(xiàn)如下三個(gè)目標(biāo)之一：

圖4 直流電網(wǎng)電壓運(yùn)行范圍控制

1）全網(wǎng)最高運(yùn)行電壓為設(shè)定值。

2）全網(wǎng)最低運(yùn)行電壓為設(shè)定值。

3）全網(wǎng)最高運(yùn)行電壓低于最高電壓限值，且全網(wǎng)最低運(yùn)行電壓高于最低電壓限值。

針對每個(gè)直流電壓控制換流器，監(jiān)視其極間電壓及與其存在直流線路互聯(lián)的所有換流器的極間電壓，當(dāng)這些直流極間電壓的最大值超出527kV或最小值低于500kV并持續(xù)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間如5s時(shí)，則啟動直流電壓運(yùn)行范圍控制，以設(shè)定的斜率降低或升高直流電壓偏差量。

1.3 直流線路過負(fù)荷限制

對于采用環(huán)形線路結(jié)構(gòu)的直流電網(wǎng)，在線路故障停運(yùn)時(shí)可能引起其他線路和直流斷路器過負(fù)荷。四端環(huán)形電網(wǎng)站1和站2間斷線過負(fù)荷如圖5所示，在北京站和張北站之間線路1因故障停運(yùn)時(shí)，原線路1的電流將轉(zhuǎn)移至線路3，可能引起線路3電流超出額定值，因此需要通過控制使線路電流降低至額定值。

圖5 站1和站2間斷線過負(fù)荷

站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)中配置上層線路過負(fù)荷控制，利用雙極系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)帶的優(yōu)點(diǎn)，以盡可能減少功率損失為目標(biāo)，避免因長期線路和直流斷路器過負(fù)荷而損壞。發(fā)生直流線路過負(fù)荷時(shí)，過負(fù)荷線路兩端分別形成送端子系統(tǒng)和受端子系統(tǒng)，送端子系統(tǒng)需要限制上網(wǎng)功率，受端子系統(tǒng)需要限制下網(wǎng)功率。上層線路過負(fù)荷控制基于站間通信，協(xié)調(diào)多個(gè)換流器通過功率轉(zhuǎn)帶實(shí)現(xiàn)功率損失最小。

對于送端或受端子系統(tǒng)中的上層線路過負(fù)荷控制功能，按照如下優(yōu)先級設(shè)計(jì)：

1）對于能夠通過功率轉(zhuǎn)帶不引起功率損失的部分，按照距離過負(fù)荷線路由近至遠(yuǎn)的優(yōu)先級降低換流器功率，即優(yōu)先降低過負(fù)荷線路連接的換流器功率，降低過負(fù)荷線路距離較近的換流器功率。

2）仍不能滿足要求時(shí)，有損降低調(diào)節(jié)端的換流器功率。

3）仍不能滿足要求時(shí)，有損降低過負(fù)荷線路連接的換流器功率。

2 直流電網(wǎng)穩(wěn)控接口及功率極限計(jì)算

2.1 直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)和穩(wěn)控接口

直流控制系統(tǒng)與安穩(wěn)裝置的信號采用光纖通信方式，采用IEC 60044—8協(xié)議，交叉連接，其中康保換流站、豐寧換流站內(nèi)單套穩(wěn)控裝置與柔性直流控保四套極控、兩套站控裝置均通信?？当Ｕ竞拓S寧站內(nèi)穩(wěn)控與直流控制接口如圖6所示。

圖6 康保站和豐寧站內(nèi)穩(wěn)控與直流控制接口

北京換流站、康保換流站內(nèi)單套穩(wěn)控裝置與柔性直流控保四套極控、兩套站控、兩套站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)裝置均通信。北京站和張北站內(nèi)穩(wěn)控與直流控制接口如圖7所示。

圖7 北京站和張北站內(nèi)穩(wěn)控與直流控制接口

直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)之間應(yīng)采取合理的接口信號，一般而言依據(jù)信號性質(zhì)的不同，穩(wěn)控系統(tǒng)與直流極控系統(tǒng)之間的交換信息分為模擬量和開關(guān)量兩種。模擬量信號主要有功率提升信號、功率回降信號、換流站最大輸送能力和極層的最大輸送能力等信號，開關(guān)量信號主要有直流極解鎖、極閉鎖、運(yùn)行方式等信號。

2.2 直流電網(wǎng)輸電極限計(jì)算及切機(jī)策略

張北柔直電網(wǎng)工程正常運(yùn)行時(shí)，送端為孤島運(yùn)行站，在張北或康保兩個(gè)送端站發(fā)生故障時(shí)，直流電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行僅和發(fā)生故障的站有關(guān)，此時(shí)切機(jī)策略比較簡單：發(fā)生送端單極閉鎖時(shí)，穩(wěn)控按照送端單換流器能力切除冗余功率，考慮與耗能設(shè)備配合，減少系統(tǒng)沖擊，采用分組切機(jī)方式，第一組無延時(shí)切機(jī)400MW，后續(xù)間隔40ms逐級切除；發(fā)生送端雙極閉鎖時(shí)，穩(wěn)控?zé)o延時(shí)一次性切除全部機(jī)組。

由于直流電網(wǎng)輸電極限不僅與直流電網(wǎng)的主接線拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)，還依賴于每站換流器的控制模式，因此輸電能力計(jì)算在站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)進(jìn)行，并與穩(wěn)控主機(jī)配合實(shí)現(xiàn)。

直流站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)系統(tǒng)綜合四端柔性直流換流站和線路情況，分為兩個(gè)維度計(jì)算四端直流電網(wǎng)輸送能力上送穩(wěn)控系統(tǒng)，包括按站計(jì)算各站的最大輸送能力和按極層計(jì)算各極層的最大輸送能力，其中按站計(jì)算的四站最大輸送能力和大于等于按極層計(jì)算的最大輸送能力和。

首先，確定單換流器能力與控制模式的關(guān)系見表1。

表1 單換流器能力與控制模式的關(guān)系

單站能力的計(jì)算不簡單取換流器能力，還需要基于拓?fù)淇紤]，首先分極層計(jì)算本站各極能力，再將本站兩極能力相加。

根據(jù)上述單換流器能力與控制模式的對應(yīng)關(guān)系，獲得單換流器最大能力。本極層線路最大能力通過判斷本極層張北-北京、康保-豐寧線路投運(yùn)個(gè)數(shù)獲得：假設(shè)兩條投運(yùn)，能力為2 250MW；若一條投運(yùn)，能力為1 500MW；若沒有投運(yùn)，能力為0MW。本站本極連接的受端換流器最大能力通過拓?fù)渑袛?，將與本站本極換流器存在電氣連接的受端換流器的能力相加，假設(shè)豐寧站和北京站都與本站本級換流器相連，且運(yùn)行在額定功率，則該換流器能力為2 250MW。

根據(jù)上述設(shè)定，單站換流器能力可由式（1）、式（2）計(jì)算得出。

單個(gè)層級能力的計(jì)算需綜合送端極層最大能力、單極線路最大能力及受端極層最大能力得出。首先判斷張北站與北京站或豐寧站是否存在連接，若存在電氣連接，則將張北站本極的換流器能力考慮進(jìn)送端能力，若不存在電氣連接，則不考慮張北站能力；然后用同樣方式計(jì)算康保站能力，將上述二者相加得到本極層送端能力。計(jì)算受端極層最大能力首先判斷北京站與張北站或康保站是否存在連接，若存在電氣連接，則將北京站本極的換流器能力考慮進(jìn)受端能力，若不存在電氣連接，則不考慮北京站能力；然后用同樣方式計(jì)算豐寧站能力，將上述二者相加得到本極層受端能力，即

穩(wěn)控系統(tǒng)根據(jù)式（2）、式（3）可以從站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)獲得的能力包括張北換流站最大可運(yùn)行能力、康保換流站最大能力、極1層最大能力、極2層最大能力。可以通過下列步驟計(jì)算張北站和康保站的切機(jī)量。

1）計(jì)算總需切機(jī)量，用啟動前送端兩站的總出力減去正負(fù)極層總運(yùn)行能力，得到總需切機(jī)量為

2）在送端換流站，先用啟動前整站功率減去換流站的最大可運(yùn)行能力，若大于零，則需要在本站切除對應(yīng)的機(jī)組量。

3）用總切機(jī)量減去第二步兩站的需切量，若余量大于0，則將余量再按故障前送端兩站的功率比例進(jìn)行分配。

4）將上述送端各站步驟2）和步驟3）的切機(jī)量相加得到各站的總切機(jī)量。

3 仿真研究和策略驗(yàn)證

基于張北柔直電網(wǎng)工程組建了四端實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（real time digital simulation system, RTDS）平臺，由RTDS實(shí)時(shí)仿真器與研制的控制保護(hù)樣機(jī)組成閉環(huán)仿真系統(tǒng)，控制保護(hù)樣機(jī)通過硬接點(diǎn)或光纖與RTDS連接和通信。RTDS模擬一次主電路部分，包括四端雙極拓?fù)涞膿Q流器、架空線路、等值電源及風(fēng)機(jī)、光伏電源等。RTDS實(shí)時(shí)仿真器由如下部分組成：四個(gè)換流站各配置一個(gè)Rack，均接入真實(shí)外部控制器；Rack間通過架空線進(jìn)行解耦；單站雙極采用6塊現(xiàn)場可編程門陣列（field- programmable gate array, FPGA）模擬換流閥；兩站交流側(cè)具備接入新能源條件；其余交流系統(tǒng)采用等值系統(tǒng)?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)包括站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)、極控主機(jī)、極保護(hù)主機(jī)、三取二主機(jī)、直流母線保護(hù)主機(jī)、直流線路保護(hù)主機(jī)和閥控主機(jī)等。

通過組建RTDS試驗(yàn)平臺對柔性直流電網(wǎng)協(xié)控功能和穩(wěn)控功能進(jìn)行驗(yàn)證。首先針對有無直流電壓協(xié)調(diào)控制功能進(jìn)行驗(yàn)證，采用聯(lián)網(wǎng)方式下雙極功率控制，豐寧站定電壓，故障前功率分別為北京站下網(wǎng)2 000MW，張北站上網(wǎng)2 000MW，康保站上網(wǎng)1 000MW。有協(xié)控功能和無協(xié)控功能的直流電壓控制效果對比如圖8所示。

圖8 有無協(xié)控功能的直流電壓控制效果對比

從圖8可以看出，有協(xié)控功能時(shí)北京站直接接管直流電壓控制，電壓保持在500kV附近，沒有協(xié)控功能時(shí)電壓略偏離500kV達(dá)到534kV，但仍能滿足最大極端運(yùn)行電壓535kV的設(shè)計(jì)范圍，繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

針對柔性直流電網(wǎng)故障后，穩(wěn)控需要切除相應(yīng)新能源的要求，以下面的案例進(jìn)行切機(jī)說明。故障前狀態(tài)為張北（孤島）、康保（孤島）、豐寧（定直流電壓）、北京（定功率）四站雙極運(yùn)行，其中張北站和康保站為功率送端，送出功率分別為2 800MW和1 000MW，北京站和豐寧站為功率受端，下網(wǎng)功率分別為3 000MW和800MW。除北京-豐寧雙線停運(yùn)外其他線正常運(yùn)行，故障前四端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和潮流如圖9所示。

此時(shí)站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)給穩(wěn)控的能力分別是張北站能力為3000MW；康保站能力為1 500MW；正極層能力為2 250MW；負(fù)極層能力為2 250MW。

發(fā)生負(fù)極層張北-北京線路永久故障后，此時(shí)站間協(xié)調(diào)控制主機(jī)給穩(wěn)控的能力分別是張北站能力為2 250MW；康保站能力為1 500MW；正極層能力為2 250MW；負(fù)極層能力為750MW。根據(jù)上述能力和故障前功率，可計(jì)算張北站切機(jī)量為734MW，康保站切機(jī)量為66MW。切機(jī)完成，故障后四端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和潮流分布如圖10所示。

圖9 故障前四端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和潮流

圖10 故障后四端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和潮流

在RTDS中對上述故障進(jìn)行仿真，故障前后功率波形如圖11所示。

圖11 故障前后功率波形

圖11中，故障發(fā)生于1.5s時(shí)刻，根據(jù)波形，豐寧站為定電壓站，直流電壓在正常范圍內(nèi)，兩個(gè)極的功率因?yàn)殡p極不對稱運(yùn)行略有偏差，四站功率與設(shè)計(jì)值基本一致。

4 結(jié)論

本文介紹了柔性直流電網(wǎng)中控制保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了上層協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)的直流電壓協(xié)調(diào)控制和范圍控制及過負(fù)荷控制等功能，滿足直流電網(wǎng)初期的應(yīng)用需求；針對直流電網(wǎng)接入新能源孤島方式，提出了協(xié)調(diào)控制和穩(wěn)控系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)傳輸功率極限的計(jì)算方法和切機(jī)策略，兼顧了新能源發(fā)電送出要求和直流電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定要求，本文策略已經(jīng)在張北柔直電網(wǎng)工程中應(yīng)用。但是由于協(xié)調(diào)控制層級的配置對大范圍的直流電網(wǎng)建設(shè)帶來了一定限制，因此有必要繼續(xù)開展大規(guī)模直流電網(wǎng)應(yīng)用場合下的穩(wěn)定控制研究。

[1] 劉振亞. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)跨國跨洲互聯(lián)研究及展望[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(19): 5103-5110.

[2] 劉振亞. 特高壓交直流電網(wǎng)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2013.

[3] 程佩芬, 李崇濤, 傅闖, 等. 基于狀態(tài)空間法的高壓直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)簡化模型的解析算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(6): 1230-1239.

[4] 張青偉, 吳金波, 艾紅杰, 等. 特高壓直流輸電中性母線直流電流異常后邏輯判斷優(yōu)化的研究[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(3): 94-97.

[5] 孟沛彧, 王志冰, 遲永寧, 等. 適應(yīng)多能源基地遠(yuǎn)距離輸送電能的混合四端直流輸電系統(tǒng)控制策略研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(增刊2): 523-534.

[6] 顏湘武, 張偉超, 崔森, 等. 基于虛擬同步機(jī)的電壓源逆變器頻率響應(yīng)時(shí)域特性和自適應(yīng)參數(shù)設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(增刊1): 241-254.

[7] 蔡建逸, 林裕新, 白浩. 基于多端柔性直流輸電系統(tǒng)潮流控制策略的交直流電網(wǎng)合環(huán)模型研究[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(5): 17-23.

[8] 白建華, 辛頌旭, 劉俊, 等. 中國實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源發(fā)展路徑研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(14): 3699-3705.

[9] 蘇見燊, 郭敬東, 金濤. 柔性直流電網(wǎng)中直流故障特性分析及線路故障重啟策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(增刊1): 352-359.

[10] 曹帥, 向往, 林衛(wèi)星, 等. 含風(fēng)電的真雙極混合型MMC-MTDC系統(tǒng)故障穿越及能量耗散控制[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(7): 39-48.

[11] 賀永杰, 向往, 周家培, 等. LCC-MMC串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)小信號建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(7): 1492-1506.

[12] 姚良忠, 吳婧, 王志冰, 等. 未來高壓直流電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(34): 6008-6020.

[13] 湯廣福, 羅湘, 魏曉光. 多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(10): 8-17.

[14] 郭賢珊, 周楊, 梅念, 等. 張北柔直電網(wǎng)的構(gòu)建與特性分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2018, 42(11): 3698-3707.

[15] 郭賢珊, 王暉, 卜廣全, 等. 大規(guī)模新能源經(jīng)張北柔直孤島送出的虛擬頻率研究[J]. 電力工程技術(shù), 2020, 39(3): 2-7.

[16] 范新凱, 王艷婷, 張保會. 柔性直流電網(wǎng)的快速電磁暫態(tài)仿真[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2017, 41(4): 92-97.

[17] 梅念, 苑賓, 李探, 等. 接入孤島新能源電場的雙極柔直換流站控制策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2018, 42(11): 3575-3582.

[18] 杜曉磊, 郭慶雷, 吳延坤, 等. 張北柔性直流電網(wǎng)示范工程控制系統(tǒng)架構(gòu)及協(xié)調(diào)控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(9): 164-173

[19] 吳蒙, 賀之淵, 閻發(fā)友, 等. 下垂控制對直流電網(wǎng)動態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(10): 8-15.

[20] 徐進(jìn), 金逸, 胡從川, 等. 適用于海上風(fēng)電并網(wǎng)的多端柔性直流系統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2018, 46(4): 78-85.

[21] 陶艷, 劉天琪, 李保宏, 等. 高壓柔性直流電網(wǎng)分層協(xié)同自適應(yīng)下垂控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2018, 42(18): 70-76.

Research on inter-station coordinated control and stability control cooperation in flexible DC grid

LU Yu JIANG Chongxue WANG Nannan ZHU Wan

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Zhangbei flexible DC grid project is the first flexible DC grid demonstration project in the world. Due to the weak overload ability of electronic device, and the single station capacity can reach 1/3 of the DC grid capacity, in order to ensure the safe and stable operation of the DC grid, the inter-station coordinated control system is configured in this project. This system realizes the cooperation between the four stations to ensure the stability of power flow and voltage under various disturbance conditions. At the same time, the power transmission limit capacity of the DC grid is calculated in the coordinated control system, which provides a basis for the stability control system to cut off new energy during the AC/DC hybrid operation.

flexible DC grid; inter-station coordinated control; power transmission limit capacity; DC voltage control; hybrid AC/DC power transmission system

國家自然科學(xué)基金委智能電網(wǎng)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（U1866205）

2021-11-29

2021-12-25

盧 宇（1979—），男，碩士，高級工程師，從事直流輸電和電力電子設(shè)備研發(fā)工作。