仝 義， 李 昊， 趙成勇， 賈秀芳， 王志冰

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司 新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

0 引 言

我國的能源與電力負(fù)荷中心逆向分布,高壓直流輸電因損耗小、輸送靈活、功率調(diào)節(jié)快速等優(yōu)勢(shì)成為了遠(yuǎn)距離跨區(qū)送電和新能源并網(wǎng)的理想選擇[1]。采用電網(wǎng)換相換流器(line commutated converter, LCC)串聯(lián)多個(gè)模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)可將可將大型風(fēng)電基地與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電能遠(yuǎn)距離外送。該拓?fù)浼饶芾肕MC實(shí)現(xiàn)風(fēng)電經(jīng)直流并網(wǎng),又能兼顧較低的建設(shè)成本與運(yùn)行損耗,可以滿足風(fēng)電火電大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送的需求[2,3]。然而直流系統(tǒng)的送端電網(wǎng)容量較低,交流網(wǎng)架較薄弱,在受到擾動(dòng)后的頻率控制問題也更為突出,對(duì)直流系統(tǒng)參與調(diào)頻有著更為迫切的需求[4,5]。

目前,一些國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)直流系統(tǒng)的頻率控制策略做了深入研究。文獻(xiàn)[6-7]分別利用直流系統(tǒng)的頻率限制控制方法提高了火電機(jī)組孤島與交流系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8-9]分別提出了傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)與電網(wǎng)內(nèi)同步機(jī)組和風(fēng)電機(jī)的頻率控制協(xié)調(diào)策略。文獻(xiàn)[10]提出了一種利用直流電容的能力為電網(wǎng)提供虛擬慣性的自適應(yīng)控制策略,可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的無差調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[11]在下垂控制的基礎(chǔ)上增加微分環(huán)節(jié),提高了送端交流系統(tǒng)的等效慣性,但未考慮風(fēng)電場(chǎng)參與送端電網(wǎng)調(diào)頻的場(chǎng)景。然而,這些控制策略并不適用于復(fù)雜的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)參與頻率控制的場(chǎng)景。

我國《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》指出,風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具有一定的有功調(diào)節(jié)能力,當(dāng)輸出功率達(dá)到額定20%以上時(shí)能夠平滑調(diào)節(jié)輸出功率,參與電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻與備用[12]。文獻(xiàn)[13]提出基于雙饋機(jī)組轉(zhuǎn)速的虛擬慣量?jī)?yōu)化策略行,并在超級(jí)電容的作用參與一次調(diào)頻。文獻(xiàn)[14-15]提出了風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)兩端直流系統(tǒng)控制受端電網(wǎng)頻率的策略,但并未考慮直流并網(wǎng)的風(fēng)電基地與混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)共同參與送端電網(wǎng)調(diào)頻的場(chǎng)景。

風(fēng)電場(chǎng)與混合直流系統(tǒng)共同調(diào)控送端電網(wǎng)頻率時(shí),雖然可以改善送端電網(wǎng)的頻率特性,但是在連接電網(wǎng)的MMC滿載后,風(fēng)電場(chǎng)的頻率控制動(dòng)作會(huì)使得直流附加頻率控制無法正常參與調(diào)頻。因此,在連接電網(wǎng)的MMC傳輸功率接近滿載時(shí),混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)需要采用與MMC欠載時(shí)不同的頻率控制方法。

綜上所述,盡管目前對(duì)直流系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制策略有了一定研究,但針對(duì)整流側(cè)采用LCC串聯(lián)多個(gè)MMC的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)在不同工況下與所連風(fēng)電場(chǎng)共同調(diào)控送端電網(wǎng)頻率的控制策略鮮有文獻(xiàn)涉及。本文提出的風(fēng)電場(chǎng)與混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)頻率控制策略,使風(fēng)電場(chǎng)與直流系統(tǒng)可在不同工況下參與送端頻率控制,并特別針對(duì)連接電網(wǎng)的MMC滿載工況,提出了通過增加風(fēng)電場(chǎng)輸出來提升直流系統(tǒng)調(diào)頻能力的控制策略。最后針對(duì)所提出的頻率控制方法,在PSCAD/EMTDC中建立相應(yīng)的混合級(jí)聯(lián)直流及風(fēng)電場(chǎng)仿真模型,仿真結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)及風(fēng)電支撐的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)對(duì)送端電網(wǎng)頻率控制方法在不同工況下的有效性。

1 含孤島風(fēng)電場(chǎng)接入的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)

1.1 風(fēng)電場(chǎng)接入的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

VSC-MMC混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)采用端間對(duì)稱、極間對(duì)稱的結(jié)構(gòu),其單極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。每端的單極都由一個(gè)12脈動(dòng)LCC換流器作高端閥組,以及兩個(gè)并聯(lián)的MMC構(gòu)成低端閥組。

圖1 混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)單極拓?fù)?/p>

整流側(cè)的MMC1與LCC1均與送端電網(wǎng)相連,將電網(wǎng)的電能外送;在我國西北等地區(qū),部分風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離交流主網(wǎng),MMC2將孤島風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng),不僅可以提供穩(wěn)定的交流電壓源,而且降低了傳輸損耗。逆變側(cè)換流站的LCC2、MMC3和MMC4均與受端電網(wǎng)相連。

該拓?fù)淇梢詫L(fēng)電和電網(wǎng)中的火電同時(shí)送出,并充分利用兩種能源的特性進(jìn)行互補(bǔ)[16]?？紤]到經(jīng)濟(jì)與技術(shù)因素,MMC2連接的陸上風(fēng)電場(chǎng)采用雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generators,DFIG)[17]。

1.2 混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)基本控制策略

圖1所示的直流系統(tǒng)整流側(cè)由兩個(gè)并聯(lián)的MMC與LCC串聯(lián)而成,LCC1的直流電流為MMC1和MMC2的直流電流之和,如式(1)所示。LCC1采用定直流電流控制,來控制直流系統(tǒng)輸送的功率,MMC1采用定直流電壓控制,MMC2采用V-f控制,為孤島風(fēng)電場(chǎng)提供穩(wěn)定的交流電壓;逆變側(cè)的LCC2和MMC3均采用定直流電壓控制,控制高低閥組與整個(gè)系統(tǒng)的直流電壓,MMC4采取定有功功率控制,分配其與MMC3傳輸?shù)挠泄β省?/p>

Idclcc1=Idcmmc1+Idcmmc2

(1)

式中:Idclcc1為L(zhǎng)CC1直流電流,Idcmmc1為MMC1直流電流,Idcmmc2為MMC2直流電流。

1.3 混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行電流限制

與傳統(tǒng)直流相比,混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)整流側(cè)LCC串聯(lián)多個(gè)MMC的特殊結(jié)構(gòu)使得其安全穩(wěn)定運(yùn)行電流受到更多的約束限制,為直流系統(tǒng)參與送端電網(wǎng)調(diào)頻而改變傳輸電流的調(diào)整范圍提供參考。

1.3.1 混合直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行電流值最小值

(1)LCC1為避免直流電流斷續(xù)現(xiàn)象,最低直流電流為額定電流IdcN的5%～10%[18],即:

Idcminlcc=(0.05～0.1)IdcN

(2)

(2)當(dāng)Idclcc1

(3)

混合直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行電流值由LCC與MMC安全電流下限的較大值決定:

(4)

1.3.2 混合直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行電流值最大值

(1)LCC換流器具有一定過載能力,在冷卻系統(tǒng)允許條件下可以在直流電流為1.05～1.10pu下持續(xù)運(yùn)行[18],即:

Idcmaxlcc=(1.05～1.1)IdcN

(5)

(2)由于絕緣柵雙極晶體管的耐過電流能力較差,故不考慮MMC換流器的過載能力,MMC決定的安全穩(wěn)定運(yùn)行電流最小值Idcmaxmmc如式(3)所示

(6)

混合直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行電流值由LCC與MMC安全電流最大值的較小值決定:

(7)

2 混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)的頻率控制

2.1 混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的附加頻率控制

為利用直流系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率迅速的特性,在LCC1換流器的定電流控制環(huán)節(jié)配置基于比例控制環(huán)節(jié)的附加頻率控制(additional frequency control, AFC),如圖2所示。

圖2 直流附加頻率控制原理

交流電網(wǎng)實(shí)際頻率fac與額定頻率fn-ac之差為頻率偏差Δfac,減去控制死區(qū)ε1后乘以附加頻率控制的下垂系數(shù)kp,得到有功變化量ΔPref如式(8)所示。

(8)

其中,Udc為單極對(duì)地直流電壓,ΔIdcref為直流電流整定值變化量,T1為控制采樣時(shí)間常數(shù)。

AFC根據(jù)頻率偏差得到整定值變化量ΔIdcref與初始電流整定值Idcref0作和,即可得到直流系統(tǒng)參與送端電網(wǎng)調(diào)頻后的電流指令值Idcref1,如式(9)所示其受到1.3.節(jié)計(jì)算得到的直流系統(tǒng)安全運(yùn)行直流最大最小值的約束。

Idcref1=Idcref0+ΔIdcref

(9)

2.2 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)直流參與電網(wǎng)頻率控制

2.2.1 直流系統(tǒng)傳輸電網(wǎng)頻率信號(hào)

實(shí)際工程中風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有數(shù)十乃至上百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī),將頻率偏差信號(hào)傳輸?shù)矫颗_(tái)機(jī)組會(huì)使通訊系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于MMC2經(jīng)V-f控制連接孤島風(fēng)電場(chǎng),可以將送端電網(wǎng)的頻率偏差Δfac耦合至頻率參考值fref,通過控制MMC2的輸出頻率向孤島風(fēng)電場(chǎng)傳遞交流電網(wǎng)頻率信號(hào),簡(jiǎn)化了風(fēng)電場(chǎng)的通信系統(tǒng),如圖3所示。

圖3 可改變輸出交流頻率的V-f 控制

usd、usq為孤島風(fēng)電場(chǎng)的d軸和q軸電壓,usdref、usqref為d軸和q軸電壓參考值;isd、isq為孤島風(fēng)電場(chǎng)的d軸和q軸電流,isdref、isqref為d軸和q軸電流參考值;uaref、ubref、ucref為MMC2輸出的三相電壓參考值;θref為MMC2的dq-abc逆變換參考角。

2.2.2 風(fēng)電機(jī)組的頻率控制

處于送端電網(wǎng)的陸上風(fēng)電場(chǎng)中大多為雙饋風(fēng)機(jī),為使其能夠響應(yīng)交流頻率的變化,在有功功率控制環(huán)節(jié)引入下垂頻率控制。

風(fēng)電機(jī)組有功參考變化值ΔPfig與電網(wǎng)頻率偏差Δfac的關(guān)系,如式(10)所示。

(10)

其中,kf為風(fēng)機(jī)功率-頻率的下垂系數(shù),ε2為風(fēng)電機(jī)組下垂頻率控制的死區(qū),T2為控制采樣與機(jī)械動(dòng)作時(shí)間常數(shù),如圖4所示。

圖4 風(fēng)電機(jī)組的下垂頻率控制

2.2.3 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)混合直流系統(tǒng)參與頻率控制

據(jù)1.2節(jié)中的公式(1),整流側(cè)三個(gè)換流器的直流電流變化量,如式(11)所示,

ΔIdclcc1=ΔIdcmmc1+ΔIdcmmc2

(11)

當(dāng)僅有風(fēng)電場(chǎng)參與調(diào)頻時(shí),即LCC1控制直流電流變化量ΔIdclcc1=0,則:

ΔIdcmmc1=-ΔIdcmmc2

(12)

忽略損耗后,風(fēng)電場(chǎng)輸入MMC2的有功變化為ΔPfig時(shí),MMC1從送端電網(wǎng)吸收有功變化近似為 -ΔPfig,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)混合直流參與送端電網(wǎng)的頻率控制。

3 混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的頻率控制方法

3.1 混合直流系統(tǒng)在MMC1欠載運(yùn)行下的頻率控制方法

當(dāng)MMC1欠載運(yùn)行時(shí),其具有充足的容量來承擔(dān)直流附加頻率控制(AFC)與風(fēng)電場(chǎng)的頻率控制(wind farm frequency control, WFFC)改變的傳輸功率,AFC與WFFC可以獨(dú)立動(dòng)作不存在電氣耦合。此工況下,AFC與WFFC在頻率偏差越過各自頻率死區(qū)后,改變LCC1與MMC1傳輸?shù)墓β使餐瑓⑴c調(diào)頻。

為提高風(fēng)電利用率,設(shè)置WFFC的死區(qū)ε2小于AFC的死區(qū)ε1以優(yōu)先參與調(diào)頻,忽略直流系統(tǒng)的損耗,即可近似得到兩個(gè)頻率控制共同作用下的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)從送端電網(wǎng)吸收有功的變化量,如式(13)所示。

(13)

3.2 混合直流系統(tǒng)在MMC1滿載運(yùn)行下的頻率控制方法

3.2.1 直流系統(tǒng)在MMC1滿載運(yùn)行下的頻率控制問題

根據(jù)1.3節(jié)式(7)所示,LCC1的過載能力足夠時(shí),直流系統(tǒng)運(yùn)行電流的上限Idcmax由MMC1的額定容量與MMC2實(shí)際傳輸功率決定。所以MMC1因滿載不能繼續(xù)提高直流電流時(shí),Idclcc1與Idcmmc2耦合。

如果混合直流系統(tǒng)在MMC1滿載時(shí),依然采用3.1節(jié)的頻率控制方法,風(fēng)電場(chǎng)在接收到電網(wǎng)頻率升高信號(hào)后會(huì)降低輸出的功率。為避免MMC1過載運(yùn)行,直流系統(tǒng)會(huì)降低實(shí)際運(yùn)行電流,使其低于直流指令值Idcref1,AFC輸出的變化量即使繼續(xù)提高也不能改變運(yùn)行直流電流,導(dǎo)致AFC無法參與電網(wǎng)的頻率控制,如圖5所示。

圖5 不同工況下降低MMC2換流器輸入功率的影響

綜上所述,混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)需要一種改進(jìn)頻率控制方法在MMC1滿載時(shí),改變控制模式。

3.2.2 直流系統(tǒng)在MMC1重載運(yùn)行下的改進(jìn)頻率控制方法

根據(jù)式(6),當(dāng)MMC1滿載后,直流系統(tǒng)可以通過提高Pmmc2來提高運(yùn)行電流的上限Idcmax,從而使系統(tǒng)傳輸?shù)闹绷麟娏鞅M可能地提高并跟蹤指令值Idcref1,實(shí)現(xiàn)混合直流系統(tǒng)頻率控制能力的提高。

混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)在MMC1重載運(yùn)行下的改進(jìn)頻率控制方法如圖6所示。

圖6 混合直流系統(tǒng)在重載運(yùn)行下的改進(jìn)頻率控制方法

具體實(shí)現(xiàn)方式如下:

(1)改進(jìn)控制方法的判斷環(huán)節(jié)

a)判斷MMC1是否接近滿載

當(dāng)MMC1功率余量Pmmc1_re小于風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻的功率調(diào)整極限ΔPfigmax時(shí),改進(jìn)控制認(rèn)為MMC1接近滿載,且參與頻率控制的能力不足。

ΔPfigmax>Pmmc1_re=Pmmc1_max-Pmmc10

(14)

MMC1功率余量Pmmc1_re由額定容量與初始傳輸功率Pmmc10之差得到。風(fēng)電場(chǎng)的功率調(diào)整極限ΔPfigmax一般取最大輸出功率Pmmc2_m的10%[19]。

b)判斷電網(wǎng)頻率是否升高

當(dāng)頻率變化率大于0,改進(jìn)頻率控制判定電網(wǎng)頻率升高。

(15)

因此當(dāng)式(14)與(15)同時(shí)成立時(shí),改進(jìn)控制停止向MMC2傳輸電網(wǎng)的頻率偏差信號(hào),使風(fēng)電場(chǎng)不再因電網(wǎng)上升而降低輸出。

(2)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率提高環(huán)節(jié)

當(dāng)測(cè)得Idcmax

4 混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)在不同工況下的頻率控制方法有效性驗(yàn)證

4.1 混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)仿真模型基本參數(shù)

為驗(yàn)證連接孤島風(fēng)電場(chǎng)的混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)頻率控制的有效性,本文在PSCAD/EMTDC中建立了如圖1所示的混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)單極模型,其主要參數(shù)如表1所示。

表1 混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)主要參數(shù)

送端交流電網(wǎng)由同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成,設(shè)同步發(fā)電機(jī)總?cè)萘繛? 100 MVA,調(diào)差系數(shù)設(shè)為5%,并于送端交流電網(wǎng)配置1 200 MW本地負(fù)荷,交直流輸電線路采用集中參數(shù)模型。

LCC1換流器配置的直流附加頻率控制死區(qū)設(shè)為0.1 Hz[20],參考同步機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率,AFC的比例系數(shù)kp設(shè)為20,頻率采樣延時(shí)T1取10 ms[21]。接入MMC2的風(fēng)電場(chǎng)額定容量為1 000 MW,DFIG頻率控制的比例系數(shù)kf設(shè)為25,功率變化區(qū)間ΔPfigmax設(shè)為實(shí)際風(fēng)速下最大輸出功率的10%,一階慣性時(shí)間常數(shù)T2為50 ms以表現(xiàn)機(jī)械控制延時(shí)。DFIG的頻率控制死區(qū)參考我國南方電網(wǎng)主要調(diào)頻機(jī)組的設(shè)置(水電機(jī)組為0.05 Hz,火電機(jī)組為0.033 Hz),設(shè)為0.05 Hz[22]。

4.2 驗(yàn)證混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)頻率控制方法在MMC1欠載時(shí)的有效性

直流系統(tǒng)的直流電壓設(shè)為800 kV,直流電流整定值設(shè)為4.5 kA。風(fēng)電場(chǎng)在額定風(fēng)速v=11 m/s下運(yùn)行,備用容量為10%。在t=10 s時(shí)切除一臺(tái)300 MW的發(fā)電機(jī)組模擬脫網(wǎng)故障。設(shè)置以下四個(gè)案例進(jìn)行對(duì)比,來驗(yàn)證連接孤島風(fēng)電場(chǎng)的混合直流系統(tǒng)對(duì)送端電網(wǎng)的頻率控制方法在不受換流器運(yùn)行極限約束下的頻率調(diào)節(jié)效果。

案例一:不投入任何頻率控制;

案例二:僅投入直流附加頻率控制(AFC);

案例三:僅投入風(fēng)電場(chǎng)的頻率控制(WFFC);

案例四:共同投入AFC和WFFC。

當(dāng)送端電網(wǎng)頻率降低后,四個(gè)案例投入不同頻率控制后,送端電網(wǎng)的頻率以及直流系統(tǒng)傳輸有功功率的變化如圖7所示。

將圖7中各參量整理得到表2內(nèi)容。

表2 四個(gè)案例的系統(tǒng)特性仿真結(jié)果對(duì)比

觀察圖7與表2可得,案例一中不投入任何控制,直流系統(tǒng)不改變傳輸功率,送端電網(wǎng)的頻率特性最差,Δfmax為-0.506 Hz,Δf∞為-0.154 Hz。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),案例二、三、四相比案例一,其頻率偏差的最大值Δfmax分別減少0.262 Hz(51.7%)、0.156 Hz(30.8%)、0.308 Hz(60.9%);穩(wěn)態(tài)值Δf∞分別減少0.025 Hz(16.2%)、0.035 Hz(20.7%)、0.042 Hz(27.3%)。案例二中AFC的動(dòng)作使直流傳輸功率降低了最多242.3 MW,在穩(wěn)定后降低了48.5 MW,而案例四傳輸功率減少的極值為163.8 MW,減少了32.4%;穩(wěn)態(tài)值為19.3 MW,減少了60.2%。

案例四的頻率特性為四個(gè)案例最佳的,證明了混合直流系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)的支撐下,不僅提高了頻率控制能力,而且比僅投入AFC降低了直流系統(tǒng)傳輸功率的有功功率變化量,有利于降低直流系統(tǒng)調(diào)節(jié)送端頻率時(shí)對(duì)受端電網(wǎng)的影響。

4.3 驗(yàn)證混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)改進(jìn)頻率控制方法在MMC1接近滿載時(shí)的有效性

系統(tǒng)的直流電壓設(shè)為800 kV,直流電流整定值為4.9 kA,風(fēng)電場(chǎng)在額定風(fēng)速v=11 m/s下運(yùn)行,備用容量為10%。風(fēng)電場(chǎng)輸入MMC2功率約為880 MW,MMC1傳輸功率約為1 080 MW,剩余容量為20 MW。在t=10 s送端電網(wǎng)切除200 MW有功負(fù)荷,模擬負(fù)荷脫網(wǎng)故障。

為了驗(yàn)證混合直流系統(tǒng)的改進(jìn)頻率控制方法在MMC1接近滿載時(shí)的有效性,本文設(shè)置了以下五個(gè)案例進(jìn)行系統(tǒng)特性的仿真結(jié)果對(duì)比。

案例五:不投入任何頻率控制;

案例六:僅投入直流附加頻率控制;

案例七:僅投入風(fēng)電場(chǎng)的頻率控制;

案例八:投入MMC1欠載時(shí)的頻率控制方法(同案例四);

案例九:投入改進(jìn)頻率控制方法。

當(dāng)送端電網(wǎng)頻率上升后,五個(gè)案例中重載運(yùn)行的混合直流系統(tǒng)投入不同控制后,送端電網(wǎng)的頻率以及直流系統(tǒng)傳輸各參量的變化如圖8所示。

將圖8中各參量整理得到表3內(nèi)容。

表3 直流重載運(yùn)行下五個(gè)案例的系統(tǒng)特性仿真結(jié)果對(duì)比

觀察對(duì)比圖8與表3可得,案例五不投入頻率控制,電網(wǎng)頻率偏差的最大值Δfmax為0.331 Hz,穩(wěn)態(tài)值Δf∞為0.093 Hz。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),案例六、七、八和九相比案例五,其頻率偏差的最大值Δfmax分別減少0.055 Hz(16.6%)、增加0.069 Hz(20.8%)、增加0.064 Hz(19.3%)以及減少0.09 Hz(27.2%),穩(wěn)態(tài)值Δf∞基本相同。

案例七與案例八,由于風(fēng)電場(chǎng)輸入MMC2的有功從878.3 MW降低至775 MW左右,使直流系統(tǒng)的直流電流降低0.214 kA,從電網(wǎng)吸收的有功下降了約116 MW。案例八中,直流系統(tǒng)因?yàn)椴捎冒咐牡念l率控制方法,風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的降低使MMC1滿載并致使混合直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行電流下降,LCC1配置的AFC也因此無法正常運(yùn)行,所以兩個(gè)案例的交直流特性變化情況幾乎相同。

而案例六AFC單獨(dú)動(dòng)作提高了約0.043 kA的直流電流,使LCC1與MMC1從電網(wǎng)吸收的有功功率提高了約39 MW。案例九采用改進(jìn)控制方法,提高了風(fēng)電場(chǎng)輸入MMC2最多約49.5 MW的有功,在案例六的基礎(chǔ)上,使進(jìn)一步提高了0.115 kA的直流電流,實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)多吸收62 MW有功。將Δfmax從案例六的0.276 Hz減少到0.241 Hz,仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)改進(jìn)頻率控制方法在MMC1重載運(yùn)行下的有效性。

5 結(jié) 論

本文提出了連接孤島風(fēng)電場(chǎng)的混合直流系統(tǒng)對(duì)送端電網(wǎng)的頻率控制方法,并針對(duì)連接電網(wǎng)的MMC滿載后,混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)因風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻減發(fā)而降低傳輸直流電流的問題,提出了一種通過提高風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率來提升混合直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行電流的改進(jìn)頻率控制方法。仿真驗(yàn)證得到如下結(jié)論:

(1)相比僅有直流附加頻率控制策略,孤島風(fēng)電場(chǎng)參與頻率控制后,不僅改善了送端電網(wǎng)的頻率特性,而且減少了混合直流系統(tǒng)傳輸功率的變化,降低了對(duì)受端電網(wǎng)的影響。

(2)當(dāng)接入送端電網(wǎng)的MMC接近滿載時(shí),若直流系統(tǒng)采用欠載的頻率控制方法,AFC與FWC獨(dú)立動(dòng)作,孤島風(fēng)電場(chǎng)在接收電網(wǎng)頻率升高信號(hào)后會(huì)降低輸入直流系統(tǒng)的功率。為保證連接電網(wǎng)的MMC不過載,混合直流系統(tǒng)被迫降低運(yùn)行電流,使AFC無法動(dòng)作,直流系統(tǒng)的頻率控制能力下降。

(3)改進(jìn)控制方法在MMC1接近滿載時(shí),停止向風(fēng)電場(chǎng)發(fā)送電網(wǎng)頻率升高信號(hào),并通過提高風(fēng)電場(chǎng)輸入MMC2的有功來提高混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的最大運(yùn)行電流,提高了混合直流系統(tǒng)在MMC1滿載后的頻率控制能力。