多端柔性直流輸電系統接入某海島電網的研究

楊小磊

（國網成都供電公司變電檢修工區，成都 610043）

近年來能源危機、環境污染問題日益加劇，充分利用可再生能源發電已成為全球性共識[1]。而海上風力發電具有清潔環保、資源豐富等特點，其應用前景極為廣闊[2]。VSC-HVDC具有靈活獨立控制有功、無功等優點，是海上風電場并網發展的方向[3-7]。多端柔性直流輸電系統在運行靈活性、可靠性等方面比VSC-HVDC更具有技術優勢，是海上風電場與電網的最優聯接方式。

目前，VSC-MTDC 仍處于理論研究和模擬實驗階段，文獻[8-12]對多端柔性直流輸電系統的控制策略進行了大量的研究，為多端柔性直流輸電工程的應用提供了理論支撐。文獻[13]對用于風電場并網的多端柔性直流輸電系統進行了研究，多端柔性直流輸電系統可有效抑制風機投切帶來的沖擊。然而目前國內外對多端柔性直流輸電系統接入對電網的影響的研究幾乎處于空白狀態。

在某海島建設多端柔性直流輸電工程，形成風電場經交直流混合輸電系統向陸上電網供電的格局，改變了電網結構和運行特性。為提高海島負荷供電的可靠性、風電傳輸的可靠性、適應海底電纜送電、增強受端電網電壓的動態支撐能力、推動多端柔性直流輸電技術的應用與發展，需要深入研究多端柔性直流輸電系統接入對電網的影響。本文在PSCAD/EMTDC 中搭建了系統的仿真模型，研究了島上的風電場經交直流混合線路輸電的穩定性，分析了送受端交流電網故障對系統的沖擊影響。研究結論為多端柔性直流輸電工程的順利實施，提供了技術支撐。

1 多端柔性直流輸電工程概況及理論分析

1.1 多端柔性直流輸電工程概況及拓撲結構

在某海島建成一個±160kV，輸送容量為200MW的3 端柔性直流輸電系統。即在島上建設換流站1和換流站2，在陸上電網建設換流站3。風電場1 經換流站1 送出，風電場2 接入換流站2，風電場1和風電場2 通過換流站1、換流站2 的直流線路匯集至換流站3。本期換流站1—換流站3 的最大輸送容量約150MW，遠期最大輸送容量約200MW。聯接換流站2 與換流站1 的是±160kV 線路。

電力系統規模較大且聯接方式復雜，因此需對研究分析影響較小的區域進行簡化來減小系統的規模，解決精度與計算速度的沖突。本文將陸上外網等值成一臺發電機，圖1為交直流混合輸電系統的簡化拓撲結構。

1.2 VSC-HVDC 數學模型

圖2為VSC 等效電路圖，其中ust、it和u（tt=a、b、c）分別為交流電源母線側電壓、電流及VSC 交流側電壓基波量；Udc、idc分別為VSC 直流側電壓、電流；R、L分別為包括開關損耗在內的VSC 等效電阻和VSC 等效電感；C為直流側電容。

圖1 交直流混合輸電系統拓撲結構

假定三相交流系統平衡，可的同步旋轉坐標系下VSC的數學模型如下所示[14-15]

式中，usd、usq分別為電網電壓基波的d、q軸分量；id、iq分別為交流電流基波的d、q軸分量；ud、uq分別為換流器交流側電壓基波的d、q軸分量；sω為同步旋轉角頻率。

由三相瞬時無功功率理論可知，靜止坐標系下的換流器與交流系統交換的瞬時有功功率P和瞬時無功功率Q分別為[2]

由式（3）可推導得到換流器與交流系統交換的有功和無功為

由式（4）可知，通過分別控制id和iq可實現對有功、無功的解耦控制。

圖2 VSC 等效電路圖

2 換流站控制策略

2.1 換流站1、換流站2 控制策略

多端柔性直流輸電工程投運后，島上風電將經交直流混合輸電線路輸送到陸上電網。換流站與并列運行的交流線路各承擔風電場發出功率的一半。當交流線路因故障退出后，并列運行的換流站通過改變功率傳輸模式，即換流站的功率的參考值為整個風電場產生的功率，多端柔性直流系統承擔整個風電場功率的傳輸，提高了系統運行的穩定性。為了使風電場產生的功率能夠全部送出，換流站1、換流站2需工作于平衡節點狀態，即維持交流側電壓恒定不變。因此，換流站1、換流站2采用定有功功率和定交流電壓控制，有功功率的參考值為風電場產生功率的一半值。由式（2）和式（3）可得

根據式（1）、式（5）、式（6）推導出換流站1、換流站2的控制框圖如圖3所示，Pref為風電場產生功率的一半值，P為換流站傳輸的功率值；Vref為風電場出口處交流電壓參考值，V為風電場出口處檢 測的交流電壓值；ωsLiq和ωsLid作為d、q軸電壓耦 合補償項，可實現靜態無差控制，能夠保證系統具 有較好的動態性能[17]。

圖3 換流站1、換流站2 控制

2.2 換流站3 控制策略

僅換流站3 與電網相聯，則該換流站采用定直流電壓控制就能夠維持直流電壓的穩定和多端直流系統的功率平衡。為提高風電場出口端電壓的穩定性，壩頭換流站采用定交流電壓控制策略。根據式（1）、式（5）、式（6）可推導出換流站3 的控制框圖如圖4所示，Udcref和Udc分別為直流電壓的參考值和實時檢測值；Uref和U分別為換流站交流側電 壓的參考值和實時檢測值；ωsLiq和ωsLid作為d、q 軸電壓的耦合補償項，可實現對有功、無功的解耦 控制和靜態無差控制，能夠保證系統具有較好的動態性能[16]。

圖4 換流站3 控制器

3 仿真分析

用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC 分別對交流輸電系統和交直流混合輸電系統進行建模仿真?；旌陷旊娤到y的直流電壓為320kV，直流電容為300μF，電壓源換流器的開關頻率為1980Hz，風電場出口端母線電壓指令值為 1pu，基準頻率為50Hz。換流站1、換流站2、換流站3 交流側電壓均為110kV。換流站2 出線為一回交流線路，最大輸送容量約50MW，換流站1 出線為單回交流線路，最大輸送容量約 100MW。變壓器的額定電壓為110kV，變壓器接線組別為Y/Y 和Y/Δ。將風電場2等值為一臺異步風力發電機，額定功率為50MW，額定風速為18m/s；將風電場1 等值為一臺異步風力發電機，額定功率為 100WM，額定風速為19.1m/s。

圖5 風速變化及單相故障下的仿真圖

假定風電場在3～6s 時刻發出的功率不斷在變化，且圖1中的a、b 處分別在10s、14s 時發生單相接地故障，故障持續0.15s，圖5為該故障下的仿真結果。由圖5（a）和（b）可知，換流站2 和換 流站1 傳輸功率為其風電場發出功率的一半，即風電場側換流站的定功率控制效果較好。由圖5（c）、（d）和（e）可知，接入多端柔性直流輸電系統后的交直流運行方式，故障時換流站能夠迅速提供無功補償，減小了電壓降落的深度，且電壓恢復較快。由圖5（f）可知，故障期間引起直流電壓波動，但能快速恢復至穩定值。

假定圖1中的a、b 處分別在3s 和6s 時刻發生三相接地故障，故障持續0.1s，圖6為該故障下的仿真圖。接入多端直流輸電系統后，故障時換流站快速的無功支撐能力減小了電壓跌落的深度，且故障切除后恢復時間較短。交直流運行方式提高了系 統的電壓穩定性，提高了風機的故障穿越能力。故障導致了直流電壓的波動，但能較快恢復。

圖6 三相故障下的仿真圖

由于故障或檢修等原因，與換流站2 并列運行的交流線路在4s 時刻退出運行，圖7為該運行方式下的仿真結果。由圖7（a）可知，換流站2 通過改變功率控制模式，能夠迅速承擔整個風電場功率的傳輸；黑線、綠線分別代表換流站2 和風電場2 發出的功率。由圖7（b）可知，此運行過程中換流站2 側交流電壓穩定。由圖7（c）可知，此運行過程中直流電壓出現波動但能夠快速恢復，從而提高了系統運行的穩定性。

圖7 交流線路退出運行下的仿真圖

4 結論

1）VSC-MTDC 接入某海島后，交流線路單、三相短路故障導致電壓急劇下降，換流站2、換流站1 能夠迅速提供無功支撐，減小了電壓跌落的深度，且故障切除后能快速恢復，提高了風機穿越故障的能力。

2）換流站3 采用定交流母線電壓控制模式，可為電網提供動態電壓支撐，增強了接入風電的電網的穩定性。

3）VSC-MTDC 接入某海島后，交流單、三相短路故障沖擊下電網可穩定運行。交流線路由于故障或檢修退出運行后，與其并聯運行的換流站迅速承擔整個風電場功率的傳輸，從而提高了系統運行的穩定性。

4）風電場經交直流混合傳輸方式輸電不僅能提高整個風電場穿越故障的能力和電力傳輸的效率，并且為高度分散式的近海風電場的并網傳輸提供了靈活的解決方案。

5）研究結論為多端柔性直流輸電系統的推廣應用奠定了基礎，有助于推進其工程化進程。

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