基于多端柔性直流條件下環(huán)塔新能源送出可行性分析

羅勛, 劉新剛, 趙洪峰, 渠敬河

(1.新疆大學電氣工程學院， 烏魯木齊 830047； 2.中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司， 烏魯木齊 830001)

過去十年間，新能源發(fā)電技術發(fā)展迅速，其中最為代表的是風能、光伏發(fā)電技術。截至2020年，中國的新能源裝機容量位居世界第一。中國新疆新能源資源豐富[1]，2020年底，新疆全網(wǎng)新能源裝機容量3 561萬kW，同比增長20.2%，占新疆全網(wǎng)總裝機容量的33.0%，居國網(wǎng)系統(tǒng)第一位[2]。為實現(xiàn)“二氧化碳排放[3]于2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和”這一目標，新疆環(huán)塔里木盆地地區(qū)新建形成大量區(qū)域性新能源基地[4]，但目前環(huán)塔地區(qū)新能源送出方式為高壓交流輸電方式，存在著損耗高，穩(wěn)定性低，短路電流大等問題。而柔性直流輸電技術VSC-HVDC(voltage source converter based high voltage direct current)擁有輸送容量高、可獨立控制有功功率和無功功率、損耗低等一系列優(yōu)點[5]，可利用其優(yōu)點，大規(guī)模開發(fā)和輸送新疆南疆環(huán)塔里木盆地的光伏和風電資源。

針對利用新能源柔性直流輸電技術，大量文獻對其進行了研究。文獻[6]介紹了張北四端柔性直流工程，并詳細闡述張北柔直電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制和各個換流站在不同運行情況下的控制策略。文獻[7]針對新能源，采用柔性直流方式交流電網(wǎng)并網(wǎng)，并利用仿真軟件搭建風電場的并網(wǎng)，從風速變化，送端系統(tǒng)故障，受端系統(tǒng)故障等方面分析其暫態(tài)特性，驗證方法的可行性，但沒有涉及對光伏新能源并網(wǎng)和多端柔性直流的研究分析。文獻[8]為解決光伏能源遠距離輸送問題，搭建采用基于交流電壓、直流電壓和有功控制策略的五端柔性直流模型，仿真表明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和故障穿越能力，但多端系統(tǒng)未涉及風電場。文獻[9]介紹了“三北地區(qū)”形成的大型新能源基地，通過比較傳統(tǒng)直流(line commutate converter high voltage direct current，LCC-HVDC)與柔性直流并網(wǎng)優(yōu)缺點分析可行性。文獻[10]從輸送距離、輸送容量、直流運行成本、互聯(lián)設備成本、換流站建設成本等方面進行分析，綜合考慮直流電網(wǎng)多種技術和經(jīng)濟因素從而確定直流電壓等級。文獻[11]針對西北地區(qū)大型新能源基地，設計了樹枝式五端柔性直流輸電系統(tǒng)和協(xié)調(diào)控制策略，從而實現(xiàn)了新能源的消納。但仿真建模沒有涉及受端交流電網(wǎng)。文獻[12]比較了傳統(tǒng)交流輸電和柔性直流輸電的優(yōu)缺點，提出了可以利用柔性直流有功無功獨立控制、響應速度快等優(yōu)點，在城市電網(wǎng)中可替換傳統(tǒng)交流輸電，并搭建仿真分析可行性。但沒有涉及新能源基地，柔性直流控制方式不適合新疆環(huán)塔里木盆地地區(qū)。

針對新疆環(huán)塔里木盆地地區(qū)風電光伏資源豐富，煤電、水電等常規(guī)可調(diào)節(jié)性能源匱乏的特點，對比分析采用柔性直流輸電的可行性，將風電、光伏等大型新能源基地與受端750 kV交流電網(wǎng)并網(wǎng)連接，針對風電光伏輸出功率波動這一特點[13]，采用適合的控制策略抑制波動，將直流電壓控制在合理范圍之內(nèi)。最后在PSCAD/EMTDC上搭建多端柔性直流輸電系統(tǒng)(multiterminal voltage source converter based high voltage direct current，VSC-MTDC)，驗證環(huán)塔里木盆地通過柔性直流將新能源送出的可行性。

1 環(huán)塔地區(qū)柔性直流可行性分析

2020—2030年全疆電網(wǎng)電力電量需求預測將增長12.00%，達到14 427億kW·h，最大負荷達到27 291 MW。環(huán)塔里木盆地風電、光伏資源豐富，新能源持續(xù)規(guī)?；_發(fā)，以滿足負荷增長和碳中和的需求。但新能源基地周邊負荷小，難以就地消納。需將盈余功率輸送到遠離新能源基地的城市中消納。柔性直流輸電具有可獨立控制有功功率和無功功率、損耗低等一系列優(yōu)點?？蛇x用柔直方式替換現(xiàn)有的交流輸送方式。

1.1 直流電壓等級的選取

針對中國已經(jīng)建成、在建和規(guī)劃在建的直流輸電工程，建立了輸電距離、輸電容量和直流電壓等級關系表(表1)，雖然表中大部分直流工程是傳統(tǒng)直流輸電工程，但柔性直流相對于傳統(tǒng)直流，是換流技術的不同，這會對換流器設備選擇和換流站的造價等有影響。而從直流電壓等級的角度，主要考慮線路損耗和與之對應的輸送距離、容量大小關系，無論是傳統(tǒng)高壓直流還是柔性直流，當直流電壓一致時，其直流線路的損耗是一致的，所以表1中所示關系對柔性直流的電壓等級選取也適用。

柔性直流的電壓等級與輸送容量密切相關，一般狀況下，實際工程輸送容量的大小是最優(yōu)先確定的，可根據(jù)表1選擇最接近的輸送范圍和輸送距離從而確定直流電壓等級。

表1 直流輸電距離、容量與電壓等級的關系Table 1 Relationship between DC transmission distance, capacity and voltage level

1.2 柔性直流與高壓交流、傳統(tǒng)直流的對比

新能源并網(wǎng)主要采取3種方法：高壓交流輸電(HVAC)、傳統(tǒng)高壓直流輸電(LCC-HVDC)、柔性直流輸電(VSC-HVDC)。3種輸電方式的特性對比如表2所示。

表2 三種并網(wǎng)方式的特性對比Table 2 Characteristics comparison of three grid connected modes

新能源并網(wǎng)采用高壓交流輸電方式時，具有造價低，技術成熟等優(yōu)點。但是對于遠離城市負荷中心的新能源基地，通過交流并網(wǎng)會產(chǎn)生大量容性充電功率，抬高線路電壓。而且風電、光伏新能源電站可以看成是一種間歇性、隨機性的不穩(wěn)定電源，功率會隨著風速，光照強度變化而改變。當新能源端有功出現(xiàn)波動時，電網(wǎng)頻率會受到影響。對于新疆環(huán)塔這種新能源滲透比率較高的地區(qū)，送端新能源出現(xiàn)有功波動，會直接威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

傳統(tǒng)高壓直流輸電基于晶閘管相控換流，交流系統(tǒng)需要提供一個穩(wěn)定的換相電壓，否則將會出現(xiàn)換相失敗。系統(tǒng)運行過程中消耗大量的無功功率，需要裝設無功補償裝置，還存在諧波大的問題。對于環(huán)塔地區(qū)新能源基地，送端屬于弱交流，無法提供穩(wěn)定的換相電壓，容易造成換相失敗。

柔性直流輸電基于可控性器件，電流能夠自關斷，不存在換相失敗的問題，沒有交流提供換相電壓也能向無源網(wǎng)絡夠供電，有利于新能源的送出。當系統(tǒng)潮流反轉(zhuǎn)時，直流電壓不發(fā)生變化，有利于組建多端直流。有功無功解耦，可以獨立控制。

通過對比以上三種輸電方式，傳統(tǒng)直流輸電明顯不適合環(huán)塔地區(qū)新能源送出，對比高壓交流輸電隨著柔性直流容量的提升，更適合新能源大規(guī)模并網(wǎng)，方便后期建設新能源直流電網(wǎng)。結(jié)合以上分析得出新疆環(huán)塔地區(qū)新能源送出采用柔性直流最為合適。

2 環(huán)塔盆地交直流建模和控制

2.1 柔性直流的數(shù)學模型

柔性直流系統(tǒng)中每個換流站均保持一致，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VSC換流站拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of VSC converter station

usa、usb、usc為系統(tǒng)三相相電壓；L、R為變壓器和輸送線上的等效阻抗；ia、ib、ic為三相的每相電流；uca、ucb、ucc為換流器的交流輸出端相電壓。C為支撐電容器，支撐回路中的直流電壓。Udc為兩條直流線路間的直流電壓。每個換流站通過直流線路與其他段換流站相連接，進行直流功率Pdc的輸送。

dq0坐標系下的VSC數(shù)學模型是一個多輸入多輸出的耦合系統(tǒng)，id、iq互相耦合，為了消除耦合，采用前饋解耦技術[14]得

(1)

式(1)中：usd、usq分別為交流側(cè)電壓的d軸分量和q軸分量；id、iq分別為交流側(cè)輸送電流d軸分量和q軸分量；ucd、ucq分別為換流器交流輸出端相電壓的d軸分量和q軸分量ω為電網(wǎng)的角頻率。

根據(jù)式(1),內(nèi)環(huán)電流控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

id，ref、iq，ref分別為d軸分量和q軸分量的電流參考值；kp和ki分別為比例、積分系數(shù)圖2 內(nèi)環(huán)電流控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of inner loop current controller

2.2 受端750 kV換流站控制

柔性直流系統(tǒng)中必須有一個換流站采用定直流電壓控制，使整個系統(tǒng)的直流電壓運行穩(wěn)定。如果電壓波動較大，嚴重時將會引起系統(tǒng)癱瘓。在上述的三端柔性直流系統(tǒng)中，受端換流站VSC3與環(huán)塔盆地750 kV交流電網(wǎng)并網(wǎng)，受端屬于有源交流網(wǎng)絡，可以提供穩(wěn)定的交流電壓，選擇VSC3換流站采用定直流電壓控制維持直流電壓穩(wěn)定。

VSC3換流站外環(huán)采用定直流電壓、定無功控制，控制框圖如圖3所示。系統(tǒng)的當前的直流電壓Udc和無功功率Q與設定的直流電壓參考值Udc，ref和無功功率參考值Qref相減生成誤差值，經(jīng)過比例kp積分ki控制消除靜態(tài)誤差，生成d軸電流參考值id，ref和q軸電流參考值iq，ref，送入圖2的內(nèi)環(huán)電流控制器經(jīng)park反變換生成abc三相調(diào)制波，與載波比較生成控制IGBT(insulated gate bipolar transistor)開關的觸發(fā)脈沖信號。

2.3 送端換流站控制

圖3所示的風電場(wind farm,WF)和光伏電站(photovoltaic，PV)都為孤島新能源基地，可以看成無源網(wǎng)絡。為保證功率的送出，新能源端需要有穩(wěn)定的交流電壓和頻率支撐。換流站VSC1和VSC2需采用孤島控制，將風、光并網(wǎng)點的交流電壓和頻率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，控制框圖如圖4所示。

圖3 定直流電壓定無功控制系統(tǒng)Fig.3 Constant DC voltage and reactive power control system

圖4 送端換流站控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of converter station at sending end

送端換流站VSC1、VSC2交流側(cè)母線電壓Us與設定參考值Us,ref相減，經(jīng)過比例kp積分ki控制消除靜態(tài)誤差，實現(xiàn)追蹤控制，生成d軸控制信號Ucd，ref經(jīng)park反變換得到abc三相調(diào)制波，Ucd，ref控制調(diào)制波的幅值。交流側(cè)母線電壓的頻率Uf，req減去有功功率Ps與Droop下垂系數(shù)(有功-頻率下垂特性)的乘積，通過電壓振蕩器生成角度θ，經(jīng)park反變換獲得abc三相調(diào)制波的頻率?？赏ㄟ^d軸控制信號Ucd，ref和角度θ，實現(xiàn)控制三相調(diào)制波的幅值和頻率。生成的三相調(diào)制波經(jīng)過SPWM(sinusoidal pulse width modulation)控制與載波比較生成觸發(fā)脈沖控制IGBT開通和關斷。

2.4 受端環(huán)塔750 kV交流電網(wǎng)構(gòu)架與建模

環(huán)塔里木盆地地區(qū)風能光伏資源豐富，已形成區(qū)域性大規(guī)模新能源發(fā)電站，可將這些分布式新能源過柔性直流輸電方式組網(wǎng)送往遠端城市負荷中心，可降低外送成本，提高新能源輸送能力。環(huán)塔里木盆地750 kV網(wǎng)架如圖5所示。

圖5 環(huán)塔里木盆地750 kV交流網(wǎng)架Fig.5 750 kV AC power grid around Tarim Basin

由于機電暫態(tài)仿真軟件無法對電磁暫態(tài)仿真，為研究柔性直流接入環(huán)塔750 kV交流電網(wǎng)的特性，需要通過機電暫態(tài)仿真軟件PSASP，將所涉及的750 kV節(jié)點各變壓器、線路、發(fā)電機、負荷等參數(shù)進行轉(zhuǎn)化，填入電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中，將每個節(jié)點的220 kV及以下和環(huán)塔外部網(wǎng)絡進行等值，減小計算，縮短仿真所消耗的時間。750 kV節(jié)點的等效圖如圖6所示。

圖6 750 kV節(jié)點等效結(jié)構(gòu)Fig.6 Equivalent structure of 750 kV node

3 環(huán)塔柔直系統(tǒng)的構(gòu)想和仿真分析

3.1 環(huán)塔柔性直流系統(tǒng)構(gòu)想

圖7是所設計的三端柔性直流系統(tǒng)拓撲圖，風電場(WF)和光伏電站(PV)匯集風光功率，分別通過換流站VSC1、VSC2將交流電整流成直流，再通過直流線路輸送到遠方城市的負荷中心換流站VSC3，將直流逆變成交流與環(huán)塔750 kV電網(wǎng)并網(wǎng)進行消納。環(huán)里木盆地的庫車750 kV變電站北通伊犁變，西聯(lián)阿克蘇變，東聯(lián)巴州變，為樞紐變電站，新能源接入庫車變后緩解當?shù)毓╇妷毫?，更利于消納，適合VSC3換流站交流電網(wǎng)側(cè)接入。

圖7 三端VSC拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Topology of three terminal VSC

3.2 仿真系統(tǒng)說明

在PSCAD/EMTDC平臺搭建三端柔性直流系統(tǒng)，系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。風電場(WF)額定容量450 MW，采用直驅(qū)風電機組，單機容量5 MW，機側(cè)變流器采用定有功功率定無功率控制，網(wǎng)側(cè)變流器采用定直流電壓定無功控制。光伏電站額定容量350 MW，光伏逆變器采用定直流電壓定無功控制，直流電壓環(huán)引入MPPT(maximum power point tracking)控制實現(xiàn)最大功率追蹤。

VSC3換流站額定接受總功率為800 MW。根據(jù)表1的容量、距離與直流電壓等級的關系，確定出多端柔性直流電壓等級為±320 kV最為合適。各端參數(shù)如表3所示。

表3 各端系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 3 System simulation parameters at each end

3.3 穩(wěn)態(tài)仿真分析

考慮到風速、輻射強度的變化會影響到風電場和光伏電站的有功出力，光伏電站額定輻射強度為1 100 W/m2，風電場額定風速為11 m/s。對風電場和光伏電站的風速和光照輻射設置了一段波動變化曲線，如圖8所示，仿真各端參數(shù)變化，仿真時長24 s。

從圖8可知所設置的風速在初始0時刻為11 m/s，當3 s時刻風速突然降低，當5.8 s時刻風速降低至9 m/s，隨后風速開始升高至10.2 m/s，到10 s時刻風速降低，18 s時刻風速降低至9.1 m/s，隨后升高，到22 s時刻風速升高至12.2 m/s，隨后降低，24 s時刻風速降低至11.7 m/s。光伏電站的輻射強度曲線變化同理。對三端柔性直流系統(tǒng)進行仿真，各端換流站的參數(shù)波形如圖9所示。研究風速和輻射強度變化的擾動對各端系統(tǒng)的影響，仿真時長24 s。

圖8 送端輻射強度和風速變化Fig.8 Variation of radiation intensity and wind speed at sending end

三端柔性直流系統(tǒng)各端換流站0.1 s解除閉鎖狀態(tài)，光伏站(PV)在0.2 s時刻啟動，1.8 s輸送功率達到額定350 MW，風電場(WF)在0.6 s時刻啟動，在2.8 s時刻輸送功率達到額定450 MW。由圖9(c)、圖9(e)可知當三端柔直系統(tǒng)受到光照和輻射強度變化小擾動時候，風電場WF和光伏電站

圖9 風速和輻射強度擾動下的各端動態(tài)特性Fig.9 Dynamic characteristics of wind speed and radiation intensity disturbance on each terminal

PV的有功出力和各端電流將會受到影響，例如，當6 s時刻風速降至低點時，風電場輸出有功降低至260 MW左右。由圖9(a)、圖9(f)可知由于送端換流站采用孤島控制，能夠保證風電和光伏站并網(wǎng)點的交流母線電壓值和頻率追蹤參考值恒定，有效地維持了送端交流側(cè)電壓和頻率的穩(wěn)定，使其不受因為風速光照變化而造成功率波動的影響。各并網(wǎng)點頻率和交流電壓波動均符合標準。圖9(b)為各輸送線路的直流電壓，由于受端750 kV換流站為主站采用定直流電壓控制，直流電壓追蹤設定的參考值恒定，并未受到因風速輻射強度擾動造成功率波動的影響，穩(wěn)定維持在設定的640 kV左右。圖9(d)為各換流站的無功功率，可以看出由于受端750 kV換流站交流側(cè)采用定無功控制，無功功率保持恒定不受擾動影響。

3.4 暫態(tài)仿真分析

3.4.1 風電場脫網(wǎng)并網(wǎng)仿真

為研究風電脫網(wǎng)和并網(wǎng)對整個系統(tǒng)的暫態(tài)影響，設置各端2.8 s時刻額定運行，當3.1 s時刻風電場脫網(wǎng)，3.45 s時刻重新并網(wǎng)，各端的暫態(tài)特性如圖10所示，仿真時長共1.2 s。

圖10 風電場脫網(wǎng)并網(wǎng)暫態(tài)特性Fig.10 Dynamic characteristics of wind farm before and after grid connection

設置各端在2.8～3.1 s按額定工況運行，風電場在3.1 s時刻脫網(wǎng)，風電場所連接的換流器VSC1閉鎖，交流斷路器打開，由圖10(a)～圖10(c)所示，風電傳輸?shù)墓β省㈦娏骱筒⒕W(wǎng)點的交流母線電壓都迅速降低，接近降為0，VSC3換流站接收功率也受到影響迅速降低，但是并未影響到和光伏站相連接的VSC2換流站，VSC3接收功剩余功率由光伏站提供。圖10(d)所示，由于功率缺額，造成3.1 s時刻直流電壓受到擾動下降，VSC3換流站定直流電壓控制器迅速調(diào)節(jié)穩(wěn)定直流電壓。由圖10(a)～圖10(c)所示，3.45 s時刻，風電場重新并網(wǎng)，電壓電流和功率逐漸恢復，3.8 s時刻整個系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行。由于VSC1換流站3.45 s解鎖，風電重新并網(wǎng)，瞬間造成功率的沖擊，如圖10(d)所示，受沖擊后直流電壓抬升，經(jīng)過控制器調(diào)節(jié)后，快速趨向平穩(wěn)，直流電壓最終穩(wěn)定在設定值640 kV附近。過程對各端直流電壓產(chǎn)生不超過0.1 p.u.的波動，符合合理范圍之內(nèi)，三端系統(tǒng)在3.8 s時刻各端恢復穩(wěn)定運行。

3.4.2 750 kV交流電網(wǎng)發(fā)生三相短路對柔直的影響

為分析受端交流電網(wǎng)發(fā)生短路故障對多端柔性直流系統(tǒng)的影響，在圖3所示的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖中，庫車變電站與輪臺變電站輸電線路發(fā)生三相接地短路故障，故障距離庫車變電站54 km處，持續(xù)時長0.1 s，仿真時長1 s。各端動態(tài)特性如圖11所示。

圖11 環(huán)塔交流線路故障下各端的動態(tài)特性Fig.11 dynamic characteristics of each terminal under AC line fault around Tarim Basin

設置各端系統(tǒng)在2.8 s到故障時刻前按額定工況運行，由圖11(g)所示，測量點在庫車變一側(cè)，線路穩(wěn)態(tài)運行下往庫車變送300 MW有功，3 s時刻發(fā)生三相接地故障，線路出現(xiàn)對故障點返送功率。圖11(a)、圖11(c)所示由于故障影響了庫車變交流母線，使換流站與變電站相連接的并網(wǎng)點電壓大幅下降至0.34 p.u.，受端接受功率也大幅減少。圖11(b)短路故障導致功率無法完全被換流站吸收，功率的聚積使得多端柔直系統(tǒng)的直流電壓抬高，程度與故障時長成正比。VSC3換流站失去了對直流電壓的控制，外環(huán)控制器限幅運行，并網(wǎng)點交流電流被限制無法抬升，如圖11(e)所示。各端并網(wǎng)點的有功、無功、交流電流、電壓和頻率都出現(xiàn)了不同程度的波動，VSC3換流站波動最為嚴重。3.1 s時刻線路故障解除，交流電壓快速恢復額定，輸送功率被換流站吸收，聚積功率的減少使得系統(tǒng)的直流電壓降低，VSC3換流站恢復對直流電壓的控制，外環(huán)電流控制器不再限幅運行，經(jīng)過調(diào)節(jié)穩(wěn)定在640 kV左右。各端有功、無功、交流電流、電壓、頻率和線路輸送功率在3.6 s恢復故障前運行工況。

4 結(jié)論

利用新疆環(huán)塔里木盆地地區(qū)新能源資源豐富的特點，可新建風電光伏基地用于滿足新疆電網(wǎng)電力和負荷的增長需求。對比高壓交流、傳統(tǒng)直流和柔性直流3種輸電方式的利弊，分析得出柔性直流輸電方式最適合環(huán)塔新能源送出，方便后期組建新能源直流電網(wǎng)。對受端750 kV網(wǎng)架進行等值建模，對風電場和光伏電站進行聚合等效建模，針對各換流并網(wǎng)點對象不同，設計適合各端穩(wěn)定運行的控制方式，根據(jù)輸送容量大小和輸送距離確定直流電壓等級。最后，在PSCAD/EMTDC對搭建的三端柔性直流輸電系統(tǒng)進行仿真，得到如下結(jié)論。

(1)當新能源電站受風速、光照輻射影響時，柔性直流系統(tǒng)的直流電壓，新能源并網(wǎng)點的交流電壓和頻率維持穩(wěn)定，整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，不受擾動影響。

(2)當風電脫網(wǎng)后，VSC1換流站閉鎖，剩下兩端柔性直流系統(tǒng)依然可以繼續(xù)運行，風電并網(wǎng)對直流電壓產(chǎn)生沖擊，其間電壓會產(chǎn)生0.15 p.u.的波動，經(jīng)過控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠快速恢復穩(wěn)定。

(3)VSC3換流站交流側(cè)故障對多端柔性直流系統(tǒng)影響較大，作為系統(tǒng)的主站，發(fā)生故障影響功率的輸送，嚴重時導致系統(tǒng)失穩(wěn)，多端系統(tǒng)停運。

(4)當故障清除后，系統(tǒng)能夠快速恢復穩(wěn)定運行。仿真結(jié)果表明了多端柔直系統(tǒng)條件下的新能源送出與環(huán)塔750 kV電網(wǎng)之間積極地交互影響。為新能源資源豐富且煤電、水電等常規(guī)可調(diào)節(jié)性能源匱乏的地區(qū)新能源外送方式選擇提供新思路。