張俊峰，付聰，王鈐

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

張俊峰，付聰，王鈐

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)獲得業(yè)界的關(guān)注和認(rèn)同，而處于電網(wǎng)末端的風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)柔性直流并網(wǎng)，改變了系統(tǒng)接線方式和運(yùn)行特性，必然會(huì)影響系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。為此，在研究多端柔性直流模型及其控制策略的基礎(chǔ)上，以南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)為研究對(duì)象，電磁暫態(tài)仿真分析了換流站與風(fēng)電場(chǎng)之間的相互影響和換流站故障對(duì)近區(qū)電網(wǎng)的影響。結(jié)果表明：(1)風(fēng)電經(jīng)柔性直流并網(wǎng)有助于改善系統(tǒng)穩(wěn)定性；(2)多端柔性直流系統(tǒng)具有更高的運(yùn)行靈活性，適合分布式發(fā)電多點(diǎn)接入。

多端柔性直流；暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；控制策略；仿真分析；電磁暫態(tài)

0 引 言

為應(yīng)對(duì)氣候變化、確保社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高效利用，規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)力發(fā)電是電力工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。海上風(fēng)電以其不占用寶貴的土地資源、受環(huán)境制約少、風(fēng)電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)高、風(fēng)能利用更加充分等優(yōu)點(diǎn)[2-5]，在丹麥、英國(guó)、德國(guó)、愛(ài)爾蘭、瑞典和荷蘭等國(guó)發(fā)展較快。

風(fēng)電出力具有間歇性和隨機(jī)性，使得風(fēng)電并網(wǎng)成為制約風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前風(fēng)電并網(wǎng)的方式主要分為三種：交流輸電方式、傳統(tǒng)直流輸電方式和柔性直流輸電方式分析。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)柔性直流輸電并網(wǎng)，不僅能夠?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)提供優(yōu)異的并網(wǎng)性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，而且還能有效改善低電壓穿越能力，獨(dú)立控制有功和無(wú)功功率潮流，實(shí)現(xiàn)零到全功率控制[6]。因此，經(jīng)柔性直流并網(wǎng)在風(fēng)電接入方面最有競(jìng)爭(zhēng)力。

受風(fēng)力資源分布制約，風(fēng)電場(chǎng)大多建設(shè)在電網(wǎng)的末端，且出力隨風(fēng)速變化而變化，使風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)必然會(huì)影響電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性，尤其是風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)附近發(fā)生三相短路故障。為此，本文在研究多端柔性直流模型及其控制策略的基礎(chǔ)上，建立了大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)多端柔性直流并網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真模型，對(duì)換流站與風(fēng)電場(chǎng)之間的相互影響和換流站故障對(duì)近區(qū)電網(wǎng)的影響進(jìn)行分析。

1 模塊化多電平柔直系統(tǒng)模型

基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)VSC-HVDC是一種有別于傳統(tǒng)基于電流型相控技術(shù)高壓直流輸電的新型輸電技術(shù)，它是基于全控型電力電子器件(IGBT、GTO等)和脈寬調(diào)制(PWM)的新型直流輸電技術(shù)。VSC-HVDC由直流輸電線路、送端換流站以及受端換流站構(gòu)成。為減少交直流側(cè)諧波、降低電力電子器件損壞、提高運(yùn)行可靠性和靈活性，模塊化多電平(MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲得廣泛應(yīng)用，由多個(gè)功率模塊串聯(lián)而成。換流器本體可以逐級(jí)分解為相單元、橋臂單元、閥塔、閥段和功率模塊。一個(gè)橋臂單元由多個(gè)閥塔串聯(lián)組成，一個(gè)閥塔由幾個(gè)閥段串聯(lián)組成，而一個(gè)閥段由若干個(gè)功率模塊串聯(lián)組成，如圖1所示?；诘刃щ娐帆@得MMC三相交流電路在abc坐標(biāo)系下動(dòng)態(tài)方程可表示為：

圖1 換流站接線示意圖

(1)

式中ia、ib和ic分別表示換流器A相、B相和C相電流；ua、ub和uc分別為交流側(cè)三相電壓；ea、eb和ec分別為換流器輸出的相電壓；R、L為交流側(cè)變壓器和換流電抗器的等效阻抗。

對(duì)式(1)進(jìn)行派克變換得其在dq坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型：

(2)

式中id、iq分別為經(jīng)派克變換后換流器電流的d、q軸分量；ud、uq分別為交流側(cè)電壓d、q軸分量；ed、eq分別為MMC輸出電壓d、q軸分量。

風(fēng)電場(chǎng)輸出至換流站的有功功率P和無(wú)功功率Q可由式(3)表示：

(3)

通過(guò)式(3)可知，P、Q分別和id、iq成比例關(guān)系，通過(guò)對(duì)電流id、iq的控制可實(shí)現(xiàn)有功與無(wú)功的解耦。

兩端柔性直流輸電系統(tǒng)的單端因故障退出運(yùn)行，則與送端連接的風(fēng)電場(chǎng)需要退出運(yùn)行。多端直流輸電系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多能源中心送電、多負(fù)荷中心受電，各站能實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸，根據(jù)調(diào)度指令與電網(wǎng)實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)潮流最優(yōu)化流動(dòng)和能量最優(yōu)化管理。在任一站故障時(shí)，健全站通過(guò)合適的控制方式在工況允許范圍內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性與功率的快速支援，在維持風(fēng)電場(chǎng)可靠輸出的同時(shí)為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的本地負(fù)荷供電。

2 柔直系統(tǒng)控制策略

柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)是柔性直流輸電的大腦，直接關(guān)系著柔性直流輸電運(yùn)行的性能﹑安全和效益，是柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵。為提高運(yùn)行可靠性、限制控制環(huán)節(jié)故障造成的影響，按照分層設(shè)計(jì)原則，將柔性直流輸電控制策略自上而下分為換流站級(jí)控制策略、換流器級(jí)控制策略、閥級(jí)(包括功率模塊級(jí))控制策略。

2.1 換流站級(jí)控制策略

單點(diǎn)直流電壓控制策略的原理為：主站選擇定直流電壓控制；其它與有源交流系統(tǒng)相連的換流站選擇定有功功率控制方式，與無(wú)源交流系統(tǒng)相連的換流站選擇定交流電壓控制方式。選擇定直流電壓控制的換流站(主站)相當(dāng)于一個(gè)功率平衡節(jié)點(diǎn)和直流電壓穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。為減少直流電壓波動(dòng)，同時(shí)保證擾動(dòng)時(shí)充當(dāng)功率平衡節(jié)點(diǎn)的換流站不過(guò)載，需要定直流電壓控制換流站盡可能選擇容量較大換流站。在直流三端運(yùn)行方式下，選擇該換流站為定直流電壓控制方式，其余與交流系統(tǒng)相連的換流站選擇定有功功率控制方式。在其它換流站故障退出情況下，直流系統(tǒng)采用兩端運(yùn)行方式，選擇該換流站為定直流電壓控制方式。在該換流站故障退出情況下，直流系統(tǒng)采用兩端運(yùn)行方式，選擇容量次之的換流站作定直流電壓控制方式。各站根據(jù)調(diào)度要求，設(shè)定功率指令值，系統(tǒng)按照功率指令運(yùn)行。單點(diǎn)直流電壓控制方式控制簡(jiǎn)單，具有很好的剛性，但如果定直流電壓控制的換流站故障，系統(tǒng)將失去調(diào)節(jié)直流電壓的能力，直流電壓就會(huì)失穩(wěn)，系統(tǒng)將很難穩(wěn)定運(yùn)行，從而造成整個(gè)柔性直流輸電系統(tǒng)停運(yùn)。

對(duì)于多端柔直系統(tǒng)，為避免單點(diǎn)直流電壓換流站定直流電壓站故障或閉鎖造成整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)，充分發(fā)揮多端柔性直流輸電靈活、快速、穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以采用多點(diǎn)直流電壓控制方式，即多端柔性直流輸電系統(tǒng)中需要至少兩個(gè)換流站具備控制直流電壓的能力，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2.2 換流器級(jí)控制策略

換流器級(jí)的控制策略包括外環(huán)控制策略與內(nèi)環(huán)電流控制策略。柔性直流輸電系統(tǒng)采用外環(huán)電壓控制器與內(nèi)環(huán)電流控制器，外環(huán)電壓控制器的輸出變量將作為內(nèi)環(huán)電流控制器的輸入變量。為保證柔性直流輸電系統(tǒng)的有功功率平衡和直流電壓穩(wěn)定，其中一個(gè)換流器采用直流電壓控制。適用于風(fēng)電接入的柔性直流輸電系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柔性直流輸電控制結(jié)構(gòu)圖

送端通過(guò)檢測(cè)風(fēng)電場(chǎng)頻率變化來(lái)控制柔性直流輸電輸送功率的參考值，由有功功率控制器得到送端內(nèi)環(huán)d軸參考電流，另外，送端采用定交流電壓控制器得到送端內(nèi)環(huán)q軸參考電流。受端換流器則采用定交流電壓與定直流電壓控制。交流電壓控制器原理與送端相同，得到受端內(nèi)環(huán)q軸參考電流。受端定直流電壓控制器得到內(nèi)環(huán)d軸參考電流。

2.3 閥級(jí)控制

閥級(jí)控制層處于控制系統(tǒng)的最底層，是控制系統(tǒng)與換流閥的接口層。閥級(jí)控制主要實(shí)現(xiàn)對(duì)站級(jí)控制器發(fā)送參考電壓的調(diào)制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)電力電子開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作；同時(shí)也包括換流器中功率模塊電容電壓的均衡控制、換流器狀況監(jiān)測(cè)以及保護(hù)策略、與站級(jí)控制器的通訊等功能。

3 仿真分析

以南澳柔性直流輸電系統(tǒng)為實(shí)例，利用時(shí)域分析法作電磁暫態(tài)仿真，對(duì)換流站與風(fēng)電場(chǎng)之間的相互影響和換流站故障對(duì)近區(qū)電網(wǎng)的影響進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)接線圖如圖3所示。柔性直流正常運(yùn)行時(shí)，金牛換流站母聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，系統(tǒng)運(yùn)行于交直流并聯(lián)方式；斷開(kāi)直流線路，三個(gè)換流站以STATCOM模式運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在交流方式下。

圖3 南澳柔性直流輸電系統(tǒng)接線示意圖

3.1 換流站與風(fēng)電場(chǎng)之間的相互影響

分別在交流和交直流并聯(lián)兩種運(yùn)行方式下在雄鎮(zhèn)處設(shè)0.1 s發(fā)生三相故障、持續(xù)時(shí)間為0.15 s，故障切除后，電網(wǎng)的接線方式改變，金牛母聯(lián)開(kāi)關(guān)閉合。牛頭嶺、云澳風(fēng)場(chǎng)出口電壓、有功和無(wú)功功率如圖4所示，青澳風(fēng)場(chǎng)出口電壓和頻率如圖5所示。

圖4 牛頭嶺、云澳風(fēng)場(chǎng)出口電壓、有功和無(wú)功功率

分析圖4可知：(1)交流方式和交直流并聯(lián)兩種方式下，牛頭嶺、云澳風(fēng)場(chǎng)出口處電壓、傳輸?shù)挠泄β视幸欢ǖ牟▌?dòng)；(2)與交流線路傳輸相比，采用交直流并聯(lián)的方式，牛頭嶺和云澳風(fēng)場(chǎng)出口電壓波動(dòng)相對(duì)較小，故障切除后風(fēng)場(chǎng)出口電壓比交流方式下恢復(fù)速率快。綜上，雖然故障點(diǎn)與金牛換流站的電氣距離較近，但故障切除后換流站迅速恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。為金牛換流站提供了足夠的無(wú)功支撐。

圖5 青澳風(fēng)場(chǎng)出口電壓和頻率

由圖5可知：故障時(shí)期青澳風(fēng)場(chǎng)出口電壓下降，交直流方式和直流方式的下降深度分別為35 kV和40 kV；故障切除后，金牛母線母聯(lián)開(kāi)關(guān)閉合，青澳風(fēng)場(chǎng)出口電壓開(kāi)始慢慢恢復(fù)，交直流方式和交流方式下的恢復(fù)至正常水平的時(shí)間分別為1.5 s和3 s以上，但在交直流方式下的頻率波動(dòng)相對(duì)較大?？梢?jiàn)，柔性直流對(duì)于電網(wǎng)的短時(shí)電壓沖擊有較好的調(diào)節(jié)能力，還能為交流側(cè)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，提高風(fēng)場(chǎng)的電壓穩(wěn)定性。

綜上，柔性直流并網(wǎng)后，可以分別對(duì)無(wú)功和有功進(jìn)行控制，改善了南澳島電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

3.2 換流站故障對(duì)近區(qū)電網(wǎng)的影響

為驗(yàn)證多端柔性直流系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性，設(shè)0.1 s時(shí)刻金牛換流站發(fā)生故障退出運(yùn)行，此時(shí)青澳換流站與塑城換流站組成兩端柔性直流系統(tǒng)。金牛換流站母線1的電壓和頻率如圖6所示，塑城換流站和青澳換流站的直流電壓如圖7所示。

圖6 金牛換流站母線1的電壓和頻率

圖7 塑城換流站和青澳換流站的直流電壓

從圖6和圖7可以看到：(1)金牛換流站退出對(duì)金牛母線1電壓造成較大的影響，其電壓跌落至50 kV 附近，在故障切除后電壓開(kāi)始恢復(fù)，大約 0.3 s 后恢復(fù)平穩(wěn)，頻率波動(dòng)也達(dá)到 1 Hz以上；(2)金牛換流站因故障退出運(yùn)行對(duì)塑城換流站和青澳換流站直流側(cè)的電壓造成較大波動(dòng)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)重新恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)用時(shí)0.3 s。

設(shè)0.1 s塑城換流站發(fā)生故障，故障后0.05 s三個(gè)換流站全部退出運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行于交流方式下，金牛換流站母線1的電壓和頻率如圖8所示，塑城換流站110 kV側(cè)電壓和頻率如圖9所示。

圖8 金牛換流站母線1的電壓和頻率

圖9 塑城換流站 110 kV 母線側(cè)電壓和頻率

當(dāng)塑城換流站發(fā)生故障時(shí)，三個(gè)換流站全部退出運(yùn)行，風(fēng)場(chǎng)電能全部由交流系統(tǒng)輸送，故障時(shí)對(duì)南澳島近區(qū)電網(wǎng)的電壓和頻率引起了一定的波動(dòng)。分析圖8和圖9可得：(1)金牛母線1處電壓由分別111 kV跌落至91 kV，在可接受范圍之內(nèi)，之后慢慢恢復(fù)至正常水平；(2)金牛母線1處的頻率波動(dòng)較大，在換流站退出運(yùn)行時(shí)刻出現(xiàn)波動(dòng)最大值，波動(dòng)量為0.7 Hz左右；(3)塑城換流站110 kV側(cè)電壓波由110 kV跌落至94 kV左右，其頻率波動(dòng)為0.25 Hz左右?？梢?jiàn)，多端柔性直流系統(tǒng)能在保證風(fēng)電場(chǎng)可靠輸出的同時(shí)具有更高的運(yùn)行靈活性，適合分布式發(fā)電多點(diǎn)接入。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文仿真分析了大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)多端柔性直流并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)柔性直流并網(wǎng)后，可以分別對(duì)無(wú)功和有功進(jìn)行控制，相當(dāng)于在系統(tǒng)加裝了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，仿真結(jié)果表明南澳島電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性得到了改善。

(2)換流站發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起交流側(cè)的巨大波動(dòng)。特別是塑城換流站故障時(shí)，整個(gè)柔性直流系統(tǒng)都要退出運(yùn)行，這勢(shì)必對(duì)系統(tǒng)造成較大影響。當(dāng)南澳島某一換流站故障時(shí)，其余兩個(gè)換流站可組成兩端柔性直流輸電方式繼續(xù)運(yùn)行，保證風(fēng)場(chǎng)電能的穩(wěn)定送出。

[1] 葉冬燕，王湘贊．風(fēng)電發(fā)展影響因素及節(jié)能減排效益分析[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(10)：69-73．

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An Analysis on Transient Stability for VSC-HVDC-based Wind Power

Zhang Junfeng, Fu Cong, Wang Qian

(Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Co. Ltd., Guangzhou Guangdong 510080, China)

Wind power generation based on VSC-HVDC grid connection has

attention and recognition in the industry. VSC-HVDC grid connection in the wind farm located at the end of the power grid changes its system wiring mode and operation characteristic, and will inevitably affect transient voltage stability and frequency stability of the power system. Therefore, on the basis of an analysis of the VSC-HVDC model and its control strategy, an electromagnetic transient simulation analysis is made of mutual influence between the converter station and the wind farm as well as the influence of converter station faults upon near-zone power grid, focusing on Nanao multi-terminal VSC-HVDC. The results show that wind power grid interconnection through VSC-HVDC could help improve system stability, and the multi-terminal VSC-HVDC system has a higher operational flexibility and is suitable for multipoint access of distributed generation.

VSC-MTDC； transient voltage stability； control strategy； simulation analysis； electromagnetic transient

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.013

TM614

A

1000-3886(2017)04-0044-04

定稿日期: 2016-09-28

張俊峰(1978-)，男，湖北襄樊人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器控制技術(shù)。 付聰(1988-)，男，湖北仙桃人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、大電網(wǎng)可靠性。