新能源匯集的多端柔性直流系統運行方式及控制策略分析

張新燕趙理威王開澤孫 凱王志浩

(1.國網武威供電公司，甘肅 武威 733000；2.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；3.國網昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100；4.北京金風科創風電設備有限公司，北京 100175)

0 引 言

由于中國能源的分布不勻，能源中心和負荷中心逆向分布，“三北”、蒙西等新能源聚集區域，新能源消納問題日益嚴重，功率外送亟待解決。但新能源的消納受輸電通道、自身波動性等因素制約，導致棄電嚴重，外送受限[1]。隨著柔性直流輸電技術的不斷發展，新能源通過多端柔性直流系統外送是解決區域性新能源消納問題的有效措施和保證新能源有效利用及可持續發展的重要戰略[2-4]。

柔性直流輸電技術是構建靈活運行、高效輸電并充分利用可再生能源的直流輸電系統的有效途徑,是未來直流輸電技術的發展方向[5]。因此“三北”、蒙西區域等各能源基地通過VSC-HVDC并網是解決區域性風光基地送電問題的一種最優策略。文獻[6]中介紹了一種并聯結構的四端直流輸電系統，只對四端系統進行仿真，沒有考慮在系統不同運行方式下的控制策略。文獻[7]提出多端柔性直流系統的不同控制策略，但是否適用于弱交流系統還需進一步分析。文獻[8]提出了多端直流系統的不同拓撲結構，并建立了相應的柔性直流系統進行了仿真驗證。文獻[9-13]研究了風電、光伏電場直流并網的拓撲結構和控制策略。文獻[14]研究了直流系統故障的診斷和故障抑制的控制策略。文獻[15-16]研究了一種換流站之間的同步切換策略，不能夠有效地抑制在直流側故障下電壓的波動。文獻[17]研究了一種適用風電并網的環形六端直流系統，該系統在交流系統較強的情況下較穩定，但不適合“三北”荒蕪地區。文獻[18]研究了大型風電基地功率外送的多端直流系統控制策略，該拓撲結構簡單，系統缺乏靈活運行的方式。

下面在上述研究的基礎上針對“三北”蒙西地區的區域性能源分布形態，提出新能源基地采用多饋入電壓源型直流輸電并網，然后經電流源型直流輸電通道的多端柔性直流系統結構實現跨省功率外送；并根據系統的運行方式分析了送受端換流站的控制策略，然后通過DIgSILENT建模仿真系統的運行特性，主要分析了在系統不同運行方式下控制策略對多端柔性直流系統的功率波動頻率、電壓、電流穩定性的影響。

1 多端柔性直流輸電基本原理

多端柔性直流系統主要由換流站和直流輸電線路構成，其柔性直流輸電系統結構如圖1所示。

圖1 柔性直流輸電系統結構

多端柔性直流系統中換流站可以根據所處送受端的位置來決定其工作在整流狀態還是在逆變狀態。系統通過對各換流站電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的控制就能實現在直流系統兩端交流系統之間有功和無功的傳輸[19]。

多端柔性直流輸電系統的核心是換流站(電壓源型)。若在不考慮閥電抗器的損耗以及諧波分量時，取US為變流系統電壓的基波分量；UC為換流站交流側電壓的基波分量；δ為US和UC之間的相角差；雙極直流母線電壓差為Ud；XL為相電抗器的電抗。則可得到：

(1)

式中:μ為直流電壓的利用率；M為調制比，即VSC輸出相電壓峰值與單極直流電壓的比值。功率轉移電路如圖2所示，圖中：PS、QS分別為變流系統的有功和無功；PC、QC分別為換流站輸出的有功和無功。

圖2 功率轉移電路

從交流系統看進去，則可計算出換流站與交流系統之間傳輸的有功功率P和無功功率Q為

(2)

(3)

式中，K為換流站輸出電壓增益，是UC與US的比值，與M定義不同，但均能反應換流站輸出電壓的變化。由式(2)可以看出δ的變化影響傳輸的有功功率；由式(3)可以看出UC的變化影響傳輸的無功功率。因此通過控制δ、UC就可以控制直流電流的方向及傳輸有功功率及無功功率的大小。從交流系統看進去，VSC可等效于一個端電壓幅值、相角均可控的無旋轉慣量的同步發電機。

2 系統概述

所提出的能源基地采用多饋入電壓源型直流輸電(VSC)并網，然后經電流源型直流輸電(line commutated converter,LCC)通道外送形成多電源供電、多通輸電的多端柔性直流系統結構，如圖3所示。新能源并網經過換流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、VSC5，形成五端柔性直流輸電系統來增加風光功率的外送。五端柔性系統中有部分換流站公用直流輸電通道，節省線路成本和損耗，更加經濟。

3 運行方式

所研究的主要的運行方式是將VSC5作為受端，其他四端VSC1、VSC2、VSC3、VSC4作為送端。為提高五端系統的運行靈活性，系統還可以有其他運行方式，分為五端、四端、三端、二端和STATCOM 5類共10種運行方式，具體如表1所示。

圖3 多端樹枝式柔性直流系統拓撲

表1 系統運行方式

將這10種運行方式再歸類劃分為交直流并聯(有源HVDC)、單換流站直流孤島(無源HVDC)、多換流站直流孤島(無源HVDC)、單換流站STATCOM(靜止無功補償器)4類運行方式。

交直流并聯方式(有源HVDC)：所研究的五端柔性直流系統，換流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、作為整流站運行，VSC5作為逆變站運行，形成五端柔性直流輸電系統，主要的運行方式就是交直流并聯方式，通過直流線路和交流線路共同聯網供電。

單換流站直流孤島方式(無源HVDC)：當換流站VSC1、VSC2、VSC3交流側電網與交流主網聯絡線故障斷開只留下孤立的供電連接線路時，則換流站VSC1、VSC2、VSC3處于單換流站直流孤島方式，對局部的電網進行調頻和調壓。

多換流站直流孤島方式(無源HVDC)：當換流站VSC1、VSC2交流側電網與交流主網聯絡線故障斷開時，換流站VSC2、VSC4可以采用多換流站直流孤島方式；換流站VSC1、VSC4交流側電網與交流主網聯絡線故障斷開時，換流站VSC1、VSC2可以采用多換流站直流孤島方式；換流站VSC1、VSC3交流側電網與交流主網聯絡線故障斷開時，換流站VSC1、VSC2、VSC4采用多換流站直流孤島方式。

STATCOM方式：是指柔性直流換流站與交流系統有電氣連接，而與其他換流站通過直流線路的電氣連接斷開的運行方式。5個換流站完全獨立時換流站VSC1、VSC2、VSC4、VSC5運行在STATCOM方式，主要用來調節系統無功。

4 控制方式

4.1 控制模式分析

柔性直流系統穩定運行的基礎是保證直流電壓的穩定，直流網絡功率大幅波動引起的直流電壓異常會導致換流站過流閉鎖，情況比較嚴重的可能會因單個換流站引起整個直流系統的故障和癱瘓。多端柔性直流系統受端電網側為有源交流網絡，通常采用定直流電壓控制方式，能提高交流系統的電壓穩定性。定直流電壓控制的具體控制框圖如圖4所示，首先是電壓的參考值與實際電壓的測量值進行比較得到一個偏差量，然后PI控制器對偏差量進行調節后再通過對電流的限幅產生一個電流的參考值idref。此參考電流作為內環電流控制的參考值。在多端柔性系統正常運行時換流站中必須有一個采用定直流電壓控制的換流站，該多端柔性直流系統是以換流站VSC5、VSC1、VSC2、VSC4、VSC3的依次順序優先選擇定直流電壓控制方式。

圖4 定直流電壓控制

當多端柔性系統中五端換流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、VSC5獨立運行時，換流站VSC1、VSC2、VSC4、VSC5運行于STATCOM方式，系統換流站亦采用定直流電壓控制。除定直流電壓控制的換流站之外的換流站采用定有功控制。

4.2 靜態真分析

所研究的多端系統中，風電建模選取容量為5 MW的雙饋風機，各個換流站之間的距離選取為100 km，其他建模參數如表2所示。以最復雜的五端運行方式為例進行仿真分析。

表2 系統設備參數

五端柔性直流輸電系統正常運行時的特性曲線如圖1所示。在沒有故障情況下，最大容量的風光基地1風場風速在10 s時減小至8 m/s，持續6 s后風速恢復到11 m/s，系統有功功率下降如圖4(b)所示。系統采用定直流電壓控制，送端換流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4進行無功補償保證系統功率的平衡如圖4(c)所示，進而穩定直流電壓、電流，如圖4(d)、圖4(e)所示，避免風電場風電機組脫網。在風速波動時，系統定頻率控制讓各直流通道的運行頻率穩定在50 Hz左右，如圖4(a)所示。綜上仿真分析，驗證了所提出的控制策略可以有效地控制新能源的波動對系統穩定性的影響，保證系統電壓和功率的穩定。

(a) 直流通道輸電頻率

(b) 直流通道輸電功率

(c) 系統送端有功功率

(d) 直流通道時序電流

(e) 直流通道時序電壓圖5 系統正常情況動態特性

4.3 故障擾動仿真分析

多端柔性直流輸電系統輸出功率和輸入功率是否平衡是系統運行的重要因素，當輸入功率和輸出功率不平衡時，就會直接影響直流電壓的波動，使系統不能正常運行。同樣，以最復雜的五端運行方式為例進行仿真分析。

由于換流站VSC1是在五端柔性直流系統中4個送端VSC1、VSC2、VSC3、VSC4中容量最大的一個，潮流對整個系統的影響相對較大。選在能源基地1公共連接點匯流母線處設置三相故障，來研究系統在故障擾動下的運行特性。設置在0.2 s時刻發生故障，然后在0.5 s時刻清除故障，故障持續0.3 s，在1 s時刻仿真結束。在發生故障后風電基地功率無法正常輸送功率，送端換流站VSC1輸出的功率也隨之減少，進而導致了受端換流站接受的功率也也減少，如圖5(c)所示。換流站VSC1與VSC5之間的直流通道DC15_line在故障時刻，功率發生大幅下降，如圖5(d)所示。與此同時，故障也造成五端直流系統的電壓、電流發生如圖5(a)、5(b)所示的振蕩，當電壓振蕩幅度超過系統穩定運行時的電壓范圍，風電場側的換流站將采用恒壓變頻控制，通過調節輸入功率來達到對系統功率波動的調節。到0.5 s時將故障完全切除，系統中送端換流站容量最大的VSC1，采用定直流電壓控制來保證系統直流電壓的穩定，剩下其他的送端換流站采用定有功功率控制來保證系統有功功率的平衡。

(a)直流通道時序電壓

(b) 直流通道時序電流

(c) 系統各端功率

(d) 直流通道輸電功率圖6 系統故障情況下動態特性

5 結 語

前面結合了新能源基地分布的形態，研究能源基地采用VSC并網、LCC通道外送的系統結構，并根據拓撲結構對系統的運行方式和控制策略進行了研究分析，通過DIgSILENT建模仿真系統在五端運行時的情況，驗證了所提的控制策略在系統五端運行方式下仍然可以保證系統的穩定運行。系統穩態運行時，系統各節點電壓波動不大，維持在1.0 pu附近，當能源基地1公共連接點發生故障，系統電壓跌落近0.25 pu，系統定直流電壓控制和定有功功率控制來保證系統電壓和有功功率的平衡。