黃海榮, 張 旭, 翁 華, 何勇玲, 李宇駿, 朱維駿, 郭雨涵
(1.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司, 浙江 杭州 310006; 2.西安交通大學電氣工程學院, 陜西 西安 710049)
隨著化石能源的短缺以及世界各國對環(huán)境問題的重視,新能源發(fā)電技術逐步取代傳統(tǒng)的火力發(fā)電技術,成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)主要發(fā)電手段。與此同時,憑借較高的可靠性以及控制的靈活性,基于電壓源型換流器(Voltage Sourced Converter, VSC)的直流輸電技術正廣泛應用于新能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電等領域[1-8]。因此,研究基于電壓源型換流器的新能源發(fā)電系統(tǒng)功率傳輸能力是保障現(xiàn)代電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵。
目前,國內外學者對現(xiàn)代電力系統(tǒng)的功率傳輸極限做了大量研究。文獻[9]推導了在交流電壓不對稱條件下,柔性直流配網(wǎng)換流站的交流側傳輸功率極限的解析表達式,并提出了直流側功率傳輸極限的數(shù)值算法。文獻[10]提出了兩種負荷的等值模型,并詳細分析了低壓直流配電網(wǎng)配電線路電阻和負荷數(shù)量對系統(tǒng)傳輸功率極限的影響。文獻[11]以云南電網(wǎng)為例,指出采用不同的負荷模型計算出的系統(tǒng)功率傳輸極限存在較大差距,并建議采用電網(wǎng)的實測負荷模型進行工程計算。此外,由于VSC能夠實現(xiàn)對有功功率和無功功率的獨立控制,因此在研究系統(tǒng)的功率傳輸極限時無法將該類型的換流器等效成恒定電壓源[12]。因此,為了能夠更加準確地分析直流系統(tǒng)的功率傳輸極限,文獻[13]將基于電壓源型換流器的發(fā)電機等效為一個可變電源,并得出以下結論:發(fā)電機通過換流器向系統(tǒng)傳輸?shù)淖畲笥泄β逝c其發(fā)出的無功功率有關;同時,文獻[14]表明若換流器采用經(jīng)典的單位功率因數(shù)控制時,則換流器的功率傳輸極限僅為線路功率傳輸極限的一半,這也導致系統(tǒng)不能充分利用線路的功率傳輸能力。文獻[15,16]研究了混合雙饋入直流系統(tǒng)的功率輸送能力,并指出增加VSC向系統(tǒng)輸出的無功功率可以在一定程度上提高整個系統(tǒng)的功率傳輸能力。文獻[17]的研究結果表明:通過提供動態(tài)無功支撐,穩(wěn)定端電壓幅值,可以提高VSC的有功功率傳輸能力,使得系統(tǒng)的有功功率穩(wěn)定運行范圍增加。文獻[18]基于電力系統(tǒng)的線性化狀態(tài)空間模型和經(jīng)典的特征值分析方法,研究了鎖相環(huán)參數(shù)對功率傳輸極限的影響。文獻[19]則以新能源發(fā)電集群為研究對象,通過仿真分析發(fā)現(xiàn):相比采用靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator, SVG)和無功補償器(Static Var Compensator, SVC)為系統(tǒng)提供無功支撐,新能源自身進行無功補償能在一定程度上提升并網(wǎng)點的短路比水平。此外,分布式調相機對于系統(tǒng)短路比的提升效果明顯,但與其安裝位置密切相關。文獻[20]提出了一種新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的臨界短路比數(shù)值計算方法,并基于該方法對新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓支撐強度進行了評估。文獻[21]基于等值單饋入模型,提出了一種新的評估指標——等效運行短路比,并以此來分析多直流饋入系統(tǒng)的電壓靜態(tài)穩(wěn)定性。上述文獻大多數(shù)都是利用數(shù)值仿真手段來研究直流系統(tǒng)的功率傳輸極限,但卻并沒有全面分析和評價換流器的控制方式、換流器的容量限制、公共連接點(Point of Common Coupling, PCC)的電壓限制以及系統(tǒng)電壓變化對電壓源型換流器功率傳輸極限的影響。
因此,本文基于單臺換流器經(jīng)輸電線路饋入電網(wǎng)的數(shù)學模型,首先通過對換流器的原始方程進行求導,導出受輸電線路參數(shù)及換流器控制作用影響的換流器功率傳輸極限的解析表達;并在此基礎上提出一種改善換流器功率傳輸極限的方法:在公共連接點處安裝并聯(lián)電容器。此外,在對安裝了并聯(lián)電容器的系統(tǒng)進行功率傳輸極限分析時,充分考慮了公共連接點電壓限制、換流器的容量限制以及系統(tǒng)電壓的變化對系統(tǒng)功率傳輸極限的影響。最后,通過Matlab/Simulink仿真平臺搭建相應電力系統(tǒng)來驗證所得的功率傳輸極限分析結論的準確性。
本文研究的新能源并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。由于所研究的新能源并網(wǎng)系統(tǒng)電壓等級較高,因此可以忽略系統(tǒng)中的電阻效應。其中,Vs∠0°、Vp∠θp以及Vc∠θc分別為交流主系統(tǒng)、公共連接點以及換流器出口三處的電壓相量。Xpr和Xl分別為相電抗器和輸電線路的電抗值。此外,為了能夠抑制由換流器引入的高次諧波以及提供必要的無功補償,一般會在公共連接點處安裝一個無功補償裝置,用對地電容Bp表示。因此,經(jīng)換流器向系統(tǒng)輸送有功功率Pc和無功功率Qc有如下解析表達:
圖1 單饋入VSC-HVDC系統(tǒng)拓撲圖Fig.1 Topology of single-infeed VSC-HVDC system
(1)
(2)
式中,參數(shù)a的具體表達為: