基于LCC-MTDC的風(fēng)電并網(wǎng)研究

耿秀明 李永軍

摘要：我國風(fēng)能資源呈區(qū)域化分布，大型風(fēng)電基地一般都遠離電力負(fù)荷中心，多端直流輸電系統(tǒng)MTDC是電網(wǎng)規(guī)模化、集約化的有效方法。現(xiàn)對多端直流輸電技術(shù)進行分析，構(gòu)建了基于相控?fù)Q流技術(shù)的多端直流供電系統(tǒng)LCC-MTDC，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，利用PSCAD建立系統(tǒng)模型并在風(fēng)速波動情況下進行仿真研究，驗證所構(gòu)建系統(tǒng)及其控制的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng);多端直流;MTDC

0? ? 引言

高壓直流輸電HVDC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單個風(fēng)電場與單個交流電網(wǎng)的并網(wǎng)，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模化、集約化發(fā)展，各電網(wǎng)之間的交互連接已成為發(fā)展的必然趨勢。目前國內(nèi)電力能源呈現(xiàn)區(qū)域性分布且大多遠離用電中心，多端直流輸電系統(tǒng)MTDC能夠?qū)崿F(xiàn)多個電力能源與多個用電負(fù)荷的互聯(lián)，極大程度地降低因電力能源故障所造成的電能短缺問題，為社會生產(chǎn)生活提供更高質(zhì)量的電力保障。

多端直流輸電系統(tǒng)由多個換流站及中間連接的高壓直流輸電線路構(gòu)成，其連接方式有并聯(lián)、串聯(lián)及串并聯(lián)混合式等。并聯(lián)式MTDC直流電壓等級相同，各站的功率輸送通過電流控制實現(xiàn);串聯(lián)式MTDC直流電流等級相同，各站的功率輸送通過電壓控制實現(xiàn);串并聯(lián)混合式MTDC連接形式靈活，但相對控制復(fù)雜。相比較來說，并聯(lián)式MTDC的線路損耗小，調(diào)節(jié)范圍大，擴建方便，人們更傾向于并聯(lián)式多端直流輸電。

1? ? LCC-MTDC風(fēng)電技術(shù)

1.1? ? LCC-MTDC結(jié)構(gòu)

多端直流輸電系統(tǒng)一般是依托現(xiàn)有交流電網(wǎng)構(gòu)建的，這樣可以節(jié)約成本，縮短建設(shè)周期。目前，我國的風(fēng)電場已超大規(guī)模化，容量高達數(shù)千兆瓦級。基于晶閘管的相控?fù)Q流技術(shù)LCC能夠解決超大容量風(fēng)電場的并網(wǎng)運行問題。依托現(xiàn)有800 kV直流輸電線路，構(gòu)建四端直流輸電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雖然基于雙饋電機的風(fēng)電并網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)有無功的解耦控制，但因相控?fù)Q流器對換相角的要求較嚴(yán)格，這里每個風(fēng)電場接入一穩(wěn)定交流系統(tǒng)保證換流器正常工作。

1.2? ? LCC-MTDC數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)采用12脈波換流器，以一階慣性環(huán)節(jié)表示，時間常數(shù)T1，增益G1，則換流器的表達式為：

反饋環(huán)節(jié)測量直流網(wǎng)絡(luò)電流Id并給出相應(yīng)的換流器對應(yīng)電流值Im，表達式為：

以定電流控制的換流器控制框圖如圖2所示。

直流網(wǎng)絡(luò)用T型等效電路來代替，等效電路如圖3所示。

則直流網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型可表示為：

由此可推導(dǎo)出基于LCC-MTDC的四端直流輸電系統(tǒng)的空間模型如圖4所示。

2? ? 仿真驗證

為驗證所建模型和控制器能否正常工作，利用PSCAD對系統(tǒng)進行建模仿真。風(fēng)電場1和風(fēng)電場2利用系統(tǒng)自帶風(fēng)機模型，功率為1 GW;整流換流器1和逆變換流器采用定功率控制，功率分別為2 GW、1.8 GW、3.2 GW，相應(yīng)的電流指令計算值為0.404 p.u.、0.398 8 p.u.、0.72 p.u.，電流裕度取0.1 p.u.;整流換流器2用來實現(xiàn)電壓控制功能，采用電流裕度控制。

設(shè)置風(fēng)電場風(fēng)速在1 s時刻出現(xiàn)陣風(fēng)干擾，2 s后恢復(fù)正常風(fēng)速10 m/s，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）（b）可知，隨著風(fēng)速1的減小，風(fēng)電場1輸出功率減小。風(fēng)速2在增大到大于額定風(fēng)速后，因槳距角的調(diào)節(jié)作用，風(fēng)電場輸出功率基本限定在最大額定功率。隨著風(fēng)速的恢復(fù)，輸出功率趨近原輸出功率。由圖5（b）（c）（d）可知，在風(fēng)電場輸出功率發(fā)生變化時，對應(yīng)的交流等效電源會發(fā)生功率波動，補償因風(fēng)電場輸出功率變換而引起的換流器直流功率變化，使換流器直流功率基本保持不變。

3? ? 結(jié)語

本文對多端直流輸電技術(shù)MTDC進行研究，構(gòu)建了依托800 kV直流輸電線路的四端直流輸電的LCC-MTDC結(jié)構(gòu)，并進行建模分析，利用PSCAD建立系統(tǒng)模型并在風(fēng)速波動情況下進行仿真研究，驗證了所構(gòu)建系統(tǒng)的有效性，為后續(xù)研究大型風(fēng)電的多端直流并網(wǎng)提供了依據(jù)。

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收稿日期：2020-01-02

作者簡介：耿秀明（1982—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，工程師，主要從事電氣控制、機械控制及教學(xué)研究工作。