基于多端柔性直流條件下環塔新能源送出可行性分析

羅勛, 劉新剛, 趙洪峰, 渠敬河

(1.新疆大學電氣工程學院， 烏魯木齊 830047； 2.中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司， 烏魯木齊 830001)

過去十年間，新能源發電技術發展迅速，其中最為代表的是風能、光伏發電技術。截至2020年，中國的新能源裝機容量位居世界第一。中國新疆新能源資源豐富[1]，2020年底，新疆全網新能源裝機容量3 561萬kW，同比增長20.2%，占新疆全網總裝機容量的33.0%，居國網系統第一位[2]。為實現“二氧化碳排放[3]于2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和”這一目標，新疆環塔里木盆地地區新建形成大量區域性新能源基地[4]，但目前環塔地區新能源送出方式為高壓交流輸電方式，存在著損耗高，穩定性低，短路電流大等問題。而柔性直流輸電技術VSC-HVDC(voltage source converter based high voltage direct current)擁有輸送容量高、可獨立控制有功功率和無功功率、損耗低等一系列優點[5]，可利用其優點，大規模開發和輸送新疆南疆環塔里木盆地的光伏和風電資源。

針對利用新能源柔性直流輸電技術，大量文獻對其進行了研究。文獻[6]介紹了張北四端柔性直流工程，并詳細闡述張北柔直電網的協調控制和各個換流站在不同運行情況下的控制策略。文獻[7]針對新能源，采用柔性直流方式交流電網并網，并利用仿真軟件搭建風電場的并網，從風速變化，送端系統故障，受端系統故障等方面分析其暫態特性，驗證方法的可行性，但沒有涉及對光伏新能源并網和多端柔性直流的研究分析。文獻[8]為解決光伏能源遠距離輸送問題，搭建采用基于交流電壓、直流電壓和有功控制策略的五端柔性直流模型，仿真表明系統具有較好的穩定性和故障穿越能力，但多端系統未涉及風電場。文獻[9]介紹了“三北地區”形成的大型新能源基地，通過比較傳統直流(line commutate converter high voltage direct current，LCC-HVDC)與柔性直流并網優缺點分析可行性。文獻[10]從輸送距離、輸送容量、直流運行成本、互聯設備成本、換流站建設成本等方面進行分析，綜合考慮直流電網多種技術和經濟因素從而確定直流電壓等級。文獻[11]針對西北地區大型新能源基地，設計了樹枝式五端柔性直流輸電系統和協調控制策略，從而實現了新能源的消納。但仿真建模沒有涉及受端交流電網。文獻[12]比較了傳統交流輸電和柔性直流輸電的優缺點，提出了可以利用柔性直流有功無功獨立控制、響應速度快等優點，在城市電網中可替換傳統交流輸電，并搭建仿真分析可行性。但沒有涉及新能源基地，柔性直流控制方式不適合新疆環塔里木盆地地區。

針對新疆環塔里木盆地地區風電光伏資源豐富，煤電、水電等常規可調節性能源匱乏的特點，對比分析采用柔性直流輸電的可行性，將風電、光伏等大型新能源基地與受端750 kV交流電網并網連接，針對風電光伏輸出功率波動這一特點[13]，采用適合的控制策略抑制波動，將直流電壓控制在合理范圍之內。最后在PSCAD/EMTDC上搭建多端柔性直流輸電系統(multiterminal voltage source converter based high voltage direct current，VSC-MTDC)，驗證環塔里木盆地通過柔性直流將新能源送出的可行性。

1 環塔地區柔性直流可行性分析

2020—2030年全疆電網電力電量需求預測將增長12.00%，達到14 427億kW·h，最大負荷達到27 291 MW。環塔里木盆地風電、光伏資源豐富，新能源持續規模化開發，以滿足負荷增長和碳中和的需求。但新能源基地周邊負荷小，難以就地消納。需將盈余功率輸送到遠離新能源基地的城市中消納。柔性直流輸電具有可獨立控制有功功率和無功功率、損耗低等一系列優點。可選用柔直方式替換現有的交流輸送方式。

1.1 直流電壓等級的選取

針對中國已經建成、在建和規劃在建的直流輸電工程，建立了輸電距離、輸電容量和直流電壓等級關系表(表1)，雖然表中大部分直流工程是傳統直流輸電工程，但柔性直流相對于傳統直流，是換流技術的不同，這會對換流器設備選擇和換流站的造價等有影響。而從直流電壓等級的角度，主要考慮線路損耗和與之對應的輸送距離、容量大小關系，無論是傳統高壓直流還是柔性直流，當直流電壓一致時，其直流線路的損耗是一致的，所以表1中所示關系對柔性直流的電壓等級選取也適用。

柔性直流的電壓等級與輸送容量密切相關，一般狀況下，實際工程輸送容量的大小是最優先確定的，可根據表1選擇最接近的輸送范圍和輸送距離從而確定直流電壓等級。

表1 直流輸電距離、容量與電壓等級的關系Table 1 Relationship between DC transmission distance, capacity and voltage level

1.2 柔性直流與高壓交流、傳統直流的對比

新能源并網主要采取3種方法：高壓交流輸電(HVAC)、傳統高壓直流輸電(LCC-HVDC)、柔性直流輸電(VSC-HVDC)。3種輸電方式的特性對比如表2所示。

表2 三種并網方式的特性對比Table 2 Characteristics comparison of three grid connected modes

新能源并網采用高壓交流輸電方式時，具有造價低，技術成熟等優點。但是對于遠離城市負荷中心的新能源基地，通過交流并網會產生大量容性充電功率，抬高線路電壓。而且風電、光伏新能源電站可以看成是一種間歇性、隨機性的不穩定電源，功率會隨著風速，光照強度變化而改變。當新能源端有功出現波動時，電網頻率會受到影響。對于新疆環塔這種新能源滲透比率較高的地區，送端新能源出現有功波動，會直接威脅系統的穩定運行。

傳統高壓直流輸電基于晶閘管相控換流，交流系統需要提供一個穩定的換相電壓，否則將會出現換相失敗。系統運行過程中消耗大量的無功功率，需要裝設無功補償裝置，還存在諧波大的問題。對于環塔地區新能源基地，送端屬于弱交流，無法提供穩定的換相電壓，容易造成換相失敗。

柔性直流輸電基于可控性器件，電流能夠自關斷，不存在換相失敗的問題，沒有交流提供換相電壓也能向無源網絡夠供電，有利于新能源的送出。當系統潮流反轉時，直流電壓不發生變化，有利于組建多端直流。有功無功解耦，可以獨立控制。

通過對比以上三種輸電方式，傳統直流輸電明顯不適合環塔地區新能源送出，對比高壓交流輸電隨著柔性直流容量的提升，更適合新能源大規模并網，方便后期建設新能源直流電網。結合以上分析得出新疆環塔地區新能源送出采用柔性直流最為合適。

2 環塔盆地交直流建模和控制

2.1 柔性直流的數學模型

柔性直流系統中每個換流站均保持一致，拓撲結構如圖1所示。

圖1 VSC換流站拓撲結構圖Fig.1 Topology of VSC converter station

usa、usb、usc為系統三相相電壓；L、R為變壓器和輸送線上的等效阻抗；ia、ib、ic為三相的每相電流；uca、ucb、ucc為換流器的交流輸出端相電壓。C為支撐電容器，支撐回路中的直流電壓。Udc為兩條直流線路間的直流電壓。每個換流站通過直流線路與其他段換流站相連接，進行直流功率Pdc的輸送。

dq0坐標系下的VSC數學模型是一個多輸入多輸出的耦合系統，id、iq互相耦合，為了消除耦合，采用前饋解耦技術[14]得

(1)

式(1)中：usd、usq分別為交流側電壓的d軸分量和q軸分量；id、iq分別為交流側輸送電流d軸分量和q軸分量；ucd、ucq分別為換流器交流輸出端相電壓的d軸分量和q軸分量ω為電網的角頻率。

根據式(1),內環電流控制器結構圖如圖2所示。

id，ref、iq，ref分別為d軸分量和q軸分量的電流參考值；kp和ki分別為比例、積分系數圖2 內環電流控制器結構圖Fig.2 Structure diagram of inner loop current controller

2.2 受端750 kV換流站控制

柔性直流系統中必須有一個換流站采用定直流電壓控制，使整個系統的直流電壓運行穩定。如果電壓波動較大，嚴重時將會引起系統癱瘓。在上述的三端柔性直流系統中，受端換流站VSC3與環塔盆地750 kV交流電網并網，受端屬于有源交流網絡，可以提供穩定的交流電壓，選擇VSC3換流站采用定直流電壓控制維持直流電壓穩定。

VSC3換流站外環采用定直流電壓、定無功控制，控制框圖如圖3所示。系統的當前的直流電壓Udc和無功功率Q與設定的直流電壓參考值Udc，ref和無功功率參考值Qref相減生成誤差值，經過比例kp積分ki控制消除靜態誤差，生成d軸電流參考值id，ref和q軸電流參考值iq，ref，送入圖2的內環電流控制器經park反變換生成abc三相調制波，與載波比較生成控制IGBT(insulated gate bipolar transistor)開關的觸發脈沖信號。

2.3 送端換流站控制

圖3所示的風電場(wind farm,WF)和光伏電站(photovoltaic，PV)都為孤島新能源基地，可以看成無源網絡。為保證功率的送出，新能源端需要有穩定的交流電壓和頻率支撐。換流站VSC1和VSC2需采用孤島控制，將風、光并網點的交流電壓和頻率穩定在一定范圍內，控制框圖如圖4所示。

圖3 定直流電壓定無功控制系統Fig.3 Constant DC voltage and reactive power control system

圖4 送端換流站控制系統Fig.4 Control system of converter station at sending end

送端換流站VSC1、VSC2交流側母線電壓Us與設定參考值Us,ref相減，經過比例kp積分ki控制消除靜態誤差，實現追蹤控制，生成d軸控制信號Ucd，ref經park反變換得到abc三相調制波，Ucd，ref控制調制波的幅值。交流側母線電壓的頻率Uf，req減去有功功率Ps與Droop下垂系數(有功-頻率下垂特性)的乘積，通過電壓振蕩器生成角度θ，經park反變換獲得abc三相調制波的頻率。可通過d軸控制信號Ucd，ref和角度θ，實現控制三相調制波的幅值和頻率。生成的三相調制波經過SPWM(sinusoidal pulse width modulation)控制與載波比較生成觸發脈沖控制IGBT開通和關斷。

2.4 受端環塔750 kV交流電網構架與建模

環塔里木盆地地區風能光伏資源豐富，已形成區域性大規模新能源發電站，可將這些分布式新能源過柔性直流輸電方式組網送往遠端城市負荷中心，可降低外送成本，提高新能源輸送能力。環塔里木盆地750 kV網架如圖5所示。

圖5 環塔里木盆地750 kV交流網架Fig.5 750 kV AC power grid around Tarim Basin

由于機電暫態仿真軟件無法對電磁暫態仿真，為研究柔性直流接入環塔750 kV交流電網的特性，需要通過機電暫態仿真軟件PSASP，將所涉及的750 kV節點各變壓器、線路、發電機、負荷等參數進行轉化，填入電磁暫態仿真軟件PSCAD中，將每個節點的220 kV及以下和環塔外部網絡進行等值，減小計算，縮短仿真所消耗的時間。750 kV節點的等效圖如圖6所示。

圖6 750 kV節點等效結構Fig.6 Equivalent structure of 750 kV node

3 環塔柔直系統的構想和仿真分析

3.1 環塔柔性直流系統構想

圖7是所設計的三端柔性直流系統拓撲圖，風電場(WF)和光伏電站(PV)匯集風光功率，分別通過換流站VSC1、VSC2將交流電整流成直流，再通過直流線路輸送到遠方城市的負荷中心換流站VSC3，將直流逆變成交流與環塔750 kV電網并網進行消納。環里木盆地的庫車750 kV變電站北通伊犁變，西聯阿克蘇變，東聯巴州變，為樞紐變電站，新能源接入庫車變后緩解當地供電壓力，更利于消納，適合VSC3換流站交流電網側接入。

圖7 三端VSC拓撲結構圖Fig.7 Topology of three terminal VSC

3.2 仿真系統說明

在PSCAD/EMTDC平臺搭建三端柔性直流系統，系統拓撲結構圖如圖7所示。風電場(WF)額定容量450 MW，采用直驅風電機組，單機容量5 MW，機側變流器采用定有功功率定無功率控制，網側變流器采用定直流電壓定無功控制。光伏電站額定容量350 MW，光伏逆變器采用定直流電壓定無功控制，直流電壓環引入MPPT(maximum power point tracking)控制實現最大功率追蹤。

VSC3換流站額定接受總功率為800 MW。根據表1的容量、距離與直流電壓等級的關系，確定出多端柔性直流電壓等級為±320 kV最為合適。各端參數如表3所示。

表3 各端系統仿真參數Table 3 System simulation parameters at each end

3.3 穩態仿真分析

考慮到風速、輻射強度的變化會影響到風電場和光伏電站的有功出力，光伏電站額定輻射強度為1 100 W/m2，風電場額定風速為11 m/s。對風電場和光伏電站的風速和光照輻射設置了一段波動變化曲線，如圖8所示，仿真各端參數變化，仿真時長24 s。

從圖8可知所設置的風速在初始0時刻為11 m/s，當3 s時刻風速突然降低，當5.8 s時刻風速降低至9 m/s，隨后風速開始升高至10.2 m/s，到10 s時刻風速降低，18 s時刻風速降低至9.1 m/s，隨后升高，到22 s時刻風速升高至12.2 m/s，隨后降低，24 s時刻風速降低至11.7 m/s。光伏電站的輻射強度曲線變化同理。對三端柔性直流系統進行仿真，各端換流站的參數波形如圖9所示。研究風速和輻射強度變化的擾動對各端系統的影響，仿真時長24 s。

圖8 送端輻射強度和風速變化Fig.8 Variation of radiation intensity and wind speed at sending end

三端柔性直流系統各端換流站0.1 s解除閉鎖狀態，光伏站(PV)在0.2 s時刻啟動，1.8 s輸送功率達到額定350 MW，風電場(WF)在0.6 s時刻啟動，在2.8 s時刻輸送功率達到額定450 MW。由圖9(c)、圖9(e)可知當三端柔直系統受到光照和輻射強度變化小擾動時候，風電場WF和光伏電站

圖9 風速和輻射強度擾動下的各端動態特性Fig.9 Dynamic characteristics of wind speed and radiation intensity disturbance on each terminal

PV的有功出力和各端電流將會受到影響，例如，當6 s時刻風速降至低點時，風電場輸出有功降低至260 MW左右。由圖9(a)、圖9(f)可知由于送端換流站采用孤島控制，能夠保證風電和光伏站并網點的交流母線電壓值和頻率追蹤參考值恒定，有效地維持了送端交流側電壓和頻率的穩定，使其不受因為風速光照變化而造成功率波動的影響。各并網點頻率和交流電壓波動均符合標準。圖9(b)為各輸送線路的直流電壓，由于受端750 kV換流站為主站采用定直流電壓控制，直流電壓追蹤設定的參考值恒定，并未受到因風速輻射強度擾動造成功率波動的影響，穩定維持在設定的640 kV左右。圖9(d)為各換流站的無功功率，可以看出由于受端750 kV換流站交流側采用定無功控制，無功功率保持恒定不受擾動影響。

3.4 暫態仿真分析

3.4.1 風電場脫網并網仿真

為研究風電脫網和并網對整個系統的暫態影響，設置各端2.8 s時刻額定運行，當3.1 s時刻風電場脫網，3.45 s時刻重新并網，各端的暫態特性如圖10所示，仿真時長共1.2 s。

圖10 風電場脫網并網暫態特性Fig.10 Dynamic characteristics of wind farm before and after grid connection

設置各端在2.8～3.1 s按額定工況運行，風電場在3.1 s時刻脫網，風電場所連接的換流器VSC1閉鎖，交流斷路器打開，由圖10(a)～圖10(c)所示，風電傳輸的功率、電流和并網點的交流母線電壓都迅速降低，接近降為0，VSC3換流站接收功率也受到影響迅速降低，但是并未影響到和光伏站相連接的VSC2換流站，VSC3接收功剩余功率由光伏站提供。圖10(d)所示，由于功率缺額，造成3.1 s時刻直流電壓受到擾動下降，VSC3換流站定直流電壓控制器迅速調節穩定直流電壓。由圖10(a)～圖10(c)所示，3.45 s時刻，風電場重新并網，電壓電流和功率逐漸恢復，3.8 s時刻整個系統恢復穩定運行。由于VSC1換流站3.45 s解鎖，風電重新并網，瞬間造成功率的沖擊，如圖10(d)所示，受沖擊后直流電壓抬升，經過控制器調節后，快速趨向平穩，直流電壓最終穩定在設定值640 kV附近。過程對各端直流電壓產生不超過0.1 p.u.的波動，符合合理范圍之內，三端系統在3.8 s時刻各端恢復穩定運行。

3.4.2 750 kV交流電網發生三相短路對柔直的影響

為分析受端交流電網發生短路故障對多端柔性直流系統的影響，在圖3所示的網架結構圖中，庫車變電站與輪臺變電站輸電線路發生三相接地短路故障，故障距離庫車變電站54 km處，持續時長0.1 s，仿真時長1 s。各端動態特性如圖11所示。

圖11 環塔交流線路故障下各端的動態特性Fig.11 dynamic characteristics of each terminal under AC line fault around Tarim Basin

設置各端系統在2.8 s到故障時刻前按額定工況運行，由圖11(g)所示，測量點在庫車變一側，線路穩態運行下往庫車變送300 MW有功，3 s時刻發生三相接地故障，線路出現對故障點返送功率。圖11(a)、圖11(c)所示由于故障影響了庫車變交流母線，使換流站與變電站相連接的并網點電壓大幅下降至0.34 p.u.，受端接受功率也大幅減少。圖11(b)短路故障導致功率無法完全被換流站吸收，功率的聚積使得多端柔直系統的直流電壓抬高，程度與故障時長成正比。VSC3換流站失去了對直流電壓的控制，外環控制器限幅運行，并網點交流電流被限制無法抬升，如圖11(e)所示。各端并網點的有功、無功、交流電流、電壓和頻率都出現了不同程度的波動，VSC3換流站波動最為嚴重。3.1 s時刻線路故障解除，交流電壓快速恢復額定，輸送功率被換流站吸收，聚積功率的減少使得系統的直流電壓降低，VSC3換流站恢復對直流電壓的控制，外環電流控制器不再限幅運行，經過調節穩定在640 kV左右。各端有功、無功、交流電流、電壓、頻率和線路輸送功率在3.6 s恢復故障前運行工況。

4 結論

利用新疆環塔里木盆地地區新能源資源豐富的特點，可新建風電光伏基地用于滿足新疆電網電力和負荷的增長需求。對比高壓交流、傳統直流和柔性直流3種輸電方式的利弊，分析得出柔性直流輸電方式最適合環塔新能源送出，方便后期組建新能源直流電網。對受端750 kV網架進行等值建模，對風電場和光伏電站進行聚合等效建模，針對各換流并網點對象不同，設計適合各端穩定運行的控制方式，根據輸送容量大小和輸送距離確定直流電壓等級。最后，在PSCAD/EMTDC對搭建的三端柔性直流輸電系統進行仿真，得到如下結論。

(1)當新能源電站受風速、光照輻射影響時，柔性直流系統的直流電壓，新能源并網點的交流電壓和頻率維持穩定，整個系統能夠穩定運行，不受擾動影響。

(2)當風電脫網后，VSC1換流站閉鎖，剩下兩端柔性直流系統依然可以繼續運行，風電并網對直流電壓產生沖擊，其間電壓會產生0.15 p.u.的波動，經過控制器調節系統能夠快速恢復穩定。

(3)VSC3換流站交流側故障對多端柔性直流系統影響較大，作為系統的主站，發生故障影響功率的輸送，嚴重時導致系統失穩，多端系統停運。

(4)當故障清除后，系統能夠快速恢復穩定運行。仿真結果表明了多端柔直系統條件下的新能源送出與環塔750 kV電網之間積極地交互影響。為新能源資源豐富且煤電、水電等常規可調節性能源匱乏的地區新能源外送方式選擇提供新思路。