风电经柔性直流并网的暂态稳定性分析

张俊峰，付聪，王钤

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

风电经柔性直流并网的暂态稳定性分析

张俊峰，付聪，王钤

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

风电经柔性直流并网获得业界的关注和认同，而处于电网末端的风电场通过柔性直流并网，改变了系统接线方式和运行特性，必然会影响系统暂态电压稳定性和频率稳定性。为此，在研究多端柔性直流模型及其控制策略的基础上，以南澳多端柔性直流输电系统为研究对象，电磁暂态仿真分析了换流站与风电场之间的相互影响和换流站故障对近区电网的影响。结果表明：(1)风电经柔性直流并网有助于改善系统稳定性；(2)多端柔性直流系统具有更高的运行灵活性，适合分布式发电多点接入。

多端柔性直流；暂态电压稳定性；控制策略；仿真分析；电磁暂态

0 引 言

为应对气候变化、确保社会经济持续快速发展、促进能源结构优化和高效利用，规模开发风力发电是电力工业的发展趋势[1]。海上风电以其不占用宝贵的土地资源、受环境制约少、风电机组年利用小时数高、风能利用更加充分等优点[2-5]，在丹麦、英国、德国、爱尔兰、瑞典和荷兰等国发展较快。

风电出力具有间歇性和随机性，使得风电并网成为制约风电发展的关键技术问题。目前风电并网的方式主要分为三种：交流输电方式、传统直流输电方式和柔性直流输电方式分析。大规模风电场通过柔性直流输电并网，不仅能够为风电场提供优异的并网性能和较强的抗干扰能力，而且还能有效改善低电压穿越能力，独立控制有功和无功功率潮流，实现零到全功率控制[6]。因此，经柔性直流并网在风电接入方面最有竞争力。

受风力资源分布制约，风电场大多建设在电网的末端，且出力随风速变化而变化，使风电场并网运行时必然会影响电网的暂态电压稳定性和频率稳定性，尤其是风电并网点附近发生三相短路故障。为此，本文在研究多端柔性直流模型及其控制策略的基础上，建立了大规模海上风电场经多端柔性直流并网的电磁暂态仿真模型，对换流站与风电场之间的相互影响和换流站故障对近区电网的影响进行分析。

1 模块化多电平柔直系统模型

基于电压源换流器的柔性直流输电技术VSC-HVDC是一种有别于传统基于电流型相控技术高压直流输电的新型输电技术，它是基于全控型电力电子器件(IGBT、GTO等)和脉宽调制(PWM)的新型直流输电技术。VSC-HVDC由直流输电线路、送端换流站以及受端换流站构成。为减少交直流侧谐波、降低电力电子器件损坏、提高运行可靠性和灵活性，模块化多电平(MMC)拓扑结构获得广泛应用，由多个功率模块串联而成。换流器本体可以逐级分解为相单元、桥臂单元、阀塔、阀段和功率模块。一个桥臂单元由多个阀塔串联组成，一个阀塔由几个阀段串联组成，而一个阀段由若干个功率模块串联组成，如图1所示。基于等效电路获得MMC三相交流电路在abc坐标系下动态方程可表示为：

图1 换流站接线示意图

(1)

式中ia、ib和ic分别表示换流器A相、B相和C相电流；ua、ub和uc分别为交流侧三相电压；ea、eb和ec分别为换流器输出的相电压；R、L为交流侧变压器和换流电抗器的等效阻抗。

对式(1)进行派克变换得其在dq坐标系的数学模型：

(2)

式中id、iq分别为经派克变换后换流器电流的d、q轴分量；ud、uq分别为交流侧电压d、q轴分量；ed、eq分别为MMC输出电压d、q轴分量。

风电场输出至换流站的有功功率P和无功功率Q可由式(3)表示：

(3)

通过式(3)可知，P、Q分别和id、iq成比例关系，通过对电流id、iq的控制可实现有功与无功的解耦。

两端柔性直流输电系统的单端因故障退出运行，则与送端连接的风电场需要退出运行。多端直流输电系统能实现多能源中心送电、多负荷中心受电，各站能实现功率的双向传输，根据调度指令与电网实际需求，实现潮流最优化流动和能量最优化管理。在任一站故障时，健全站通过合适的控制方式在工况允许范围内继续运行，保证电网的稳定性与功率的快速支援，在维持风电场可靠输出的同时为无源网络的本地负荷供电。

2 柔直系统控制策略

柔性直流输电控制保护系统是柔性直流输电的大脑，直接关系着柔性直流输电运行的性能﹑安全和效益，是柔性直流输电系统的关键。为提高运行可靠性、限制控制环节故障造成的影响，按照分层设计原则，将柔性直流输电控制策略自上而下分为换流站级控制策略、换流器级控制策略、阀级(包括功率模块级)控制策略。

2.1 换流站级控制策略

单点直流电压控制策略的原理为：主站选择定直流电压控制；其它与有源交流系统相连的换流站选择定有功功率控制方式，与无源交流系统相连的换流站选择定交流电压控制方式。选择定直流电压控制的换流站(主站)相当于一个功率平衡节点和直流电压稳定节点。为减少直流电压波动，同时保证扰动时充当功率平衡节点的换流站不过载，需要定直流电压控制换流站尽可能选择容量较大换流站。在直流三端运行方式下，选择该换流站为定直流电压控制方式，其余与交流系统相连的换流站选择定有功功率控制方式。在其它换流站故障退出情况下，直流系统采用两端运行方式，选择该换流站为定直流电压控制方式。在该换流站故障退出情况下，直流系统采用两端运行方式，选择容量次之的换流站作定直流电压控制方式。各站根据调度要求，设定功率指令值，系统按照功率指令运行。单点直流电压控制方式控制简单，具有很好的刚性，但如果定直流电压控制的换流站故障，系统将失去调节直流电压的能力，直流电压就会失稳，系统将很难稳定运行，从而造成整个柔性直流输电系统停运。

对于多端柔直系统，为避免单点直流电压换流站定直流电压站故障或闭锁造成整个系统停运，充分发挥多端柔性直流输电灵活、快速、稳定的特点，可以采用多点直流电压控制方式，即多端柔性直流输电系统中需要至少两个换流站具备控制直流电压的能力，以提高系统的稳定性与可靠性。

2.2 换流器级控制策略

换流器级的控制策略包括外环控制策略与内环电流控制策略。柔性直流输电系统采用外环电压控制器与内环电流控制器，外环电压控制器的输出变量将作为内环电流控制器的输入变量。为保证柔性直流输电系统的有功功率平衡和直流电压稳定，其中一个换流器采用直流电压控制。适用于风电接入的柔性直流输电系统控制结构如图2所示。

图2 柔性直流输电控制结构图

送端通过检测风电场频率变化来控制柔性直流输电输送功率的参考值，由有功功率控制器得到送端内环d轴参考电流，另外，送端采用定交流电压控制器得到送端内环q轴参考电流。受端换流器则采用定交流电压与定直流电压控制。交流电压控制器原理与送端相同，得到受端内环q轴参考电流。受端定直流电压控制器得到内环d轴参考电流。

2.3 阀级控制

阀级控制层处于控制系统的最底层，是控制系统与换流阀的接口层。阀级控制主要实现对站级控制器发送参考电压的调制信号并驱动电力电子开关器件进行相应的开关动作；同时也包括换流器中功率模块电容电压的均衡控制、换流器状况监测以及保护策略、与站级控制器的通讯等功能。

3 仿真分析

以南澳柔性直流输电系统为实例，利用时域分析法作电磁暂态仿真，对换流站与风电场之间的相互影响和换流站故障对近区电网的影响进行仿真分析。系统接线图如图3所示。柔性直流正常运行时，金牛换流站母联开关断开，系统运行于交直流并联方式；断开直流线路，三个换流站以STATCOM模式运行，此时系统运行在交流方式下。

图3 南澳柔性直流输电系统接线示意图

3.1 换流站与风电场之间的相互影响

分别在交流和交直流并联两种运行方式下在雄镇处设0.1 s发生三相故障、持续时间为0.15 s，故障切除后，电网的接线方式改变，金牛母联开关闭合。牛头岭、云澳风场出口电压、有功和无功功率如图4所示，青澳风场出口电压和频率如图5所示。

图4 牛头岭、云澳风场出口电压、有功和无功功率

分析图4可知：(1)交流方式和交直流并联两种方式下，牛头岭、云澳风场出口处电压、传输的有功功率有一定的波动；(2)与交流线路传输相比，采用交直流并联的方式，牛头岭和云澳风场出口电压波动相对较小，故障切除后风场出口电压比交流方式下恢复速率快。综上，虽然故障点与金牛换流站的电气距离较近，但故障切除后换流站迅速恢复到稳定运行状态。为金牛换流站提供了足够的无功支撑。

图5 青澳风场出口电压和频率

由图5可知：故障时期青澳风场出口电压下降，交直流方式和直流方式的下降深度分别为35 kV和40 kV；故障切除后，金牛母线母联开关闭合，青澳风场出口电压开始慢慢恢复，交直流方式和交流方式下的恢复至正常水平的时间分别为1.5 s和3 s以上，但在交直流方式下的频率波动相对较大。可见，柔性直流对于电网的短时电压冲击有较好的调节能力，还能为交流侧提供动态无功补偿，提高风场的电压稳定性。

综上，柔性直流并网后，可以分别对无功和有功进行控制，改善了南澳岛电网系统暂态稳定性。

3.2 换流站故障对近区电网的影响

为验证多端柔性直流系统运行的灵活性和可靠性，设0.1 s时刻金牛换流站发生故障退出运行，此时青澳换流站与塑城换流站组成两端柔性直流系统。金牛换流站母线1的电压和频率如图6所示，塑城换流站和青澳换流站的直流电压如图7所示。

图6 金牛换流站母线1的电压和频率

图7 塑城换流站和青澳换流站的直流电压

从图6和图7可以看到：(1)金牛换流站退出对金牛母线1电压造成较大的影响，其电压跌落至50 kV 附近，在故障切除后电压开始恢复，大约 0.3 s 后恢复平稳，频率波动也达到 1 Hz以上；(2)金牛换流站因故障退出运行对塑城换流站和青澳换流站直流侧的电压造成较大波动，经过系统的自我调节重新恢复到稳态用时0.3 s。

设0.1 s塑城换流站发生故障，故障后0.05 s三个换流站全部退出运行，系统运行于交流方式下，金牛换流站母线1的电压和频率如图8所示，塑城换流站110 kV侧电压和频率如图9所示。

图8 金牛换流站母线1的电压和频率

图9 塑城换流站 110 kV 母线侧电压和频率

当塑城换流站发生故障时，三个换流站全部退出运行，风场电能全部由交流系统输送，故障时对南澳岛近区电网的电压和频率引起了一定的波动。分析图8和图9可得：(1)金牛母线1处电压由分别111 kV跌落至91 kV，在可接受范围之内，之后慢慢恢复至正常水平；(2)金牛母线1处的频率波动较大，在换流站退出运行时刻出现波动最大值，波动量为0.7 Hz左右；(3)塑城换流站110 kV侧电压波由110 kV跌落至94 kV左右，其频率波动为0.25 Hz左右。可见，多端柔性直流系统能在保证风电场可靠输出的同时具有更高的运行灵活性，适合分布式发电多点接入。

4 结束语

本文仿真分析了大规模海上风电场经多端柔性直流并网对系统暂态稳定性的影响，得到以下结论：

(1)当柔性直流并网后，可以分别对无功和有功进行控制，相当于在系统加装了动态无功补偿装置，仿真结果表明南澳岛电网系统暂态稳定性得到了改善。

(2)换流站发生故障时，会引起交流侧的巨大波动。特别是塑城换流站故障时，整个柔性直流系统都要退出运行，这势必对系统造成较大影响。当南澳岛某一换流站故障时，其余两个换流站可组成两端柔性直流输电方式继续运行，保证风场电能的稳定送出。

[1] 叶冬燕，王湘赞．风电发展影响因素及节能减排效益分析[J]．电网与清洁能源，2012，28(10)：69-73．

[2] 陈树勇，徐林岩，孙栩，等．基于多端柔性直流输电的风电并网控制研究[J]．中国电机工程学报，2014，34(20)：32-38．

[3] 李文津，汤广福，康勇，等．基于VSC-HVDC 的双馈式变速恒频风电机组启动及并网控制[J]．中国电机工程学报，2014，34(12)：1864 -1873．

[4] 戴金水，吕敬，朱淼．大型海上风电场经VSC-HVDC并网的次同步振荡阻尼特性分析[J]．电气应用，2016，35(8)：51 -56．

[5] 吕敬，董鹏，施刚，等．大型双馈风电场经MMC-HVDC 并网的次同步振荡及其抑制[J]．中国电机工程学报，2015，35(19)：4852-4860．

[6] 杨堤，程浩忠，姚良忠，等．多端直流输电接入下的交直流混联系统电压稳定性研究综述[J]．电网技术，2015，39(8)：2201-2209．

An Analysis on Transient Stability for VSC-HVDC-based Wind Power

Zhang Junfeng, Fu Cong, Wang Qian

(Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Co. Ltd., Guangzhou Guangdong 510080, China)

Wind power generation based on VSC-HVDC grid connection has

attention and recognition in the industry. VSC-HVDC grid connection in the wind farm located at the end of the power grid changes its system wiring mode and operation characteristic, and will inevitably affect transient voltage stability and frequency stability of the power system. Therefore, on the basis of an analysis of the VSC-HVDC model and its control strategy, an electromagnetic transient simulation analysis is made of mutual influence between the converter station and the wind farm as well as the influence of converter station faults upon near-zone power grid, focusing on Nanao multi-terminal VSC-HVDC. The results show that wind power grid interconnection through VSC-HVDC could help improve system stability, and the multi-terminal VSC-HVDC system has a higher operational flexibility and is suitable for multipoint access of distributed generation.

VSC-MTDC； transient voltage stability； control strategy； simulation analysis； electromagnetic transient

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.013

TM614

A

1000-3886(2017)04-0044-04

定稿日期: 2016-09-28

张俊峰(1978-)，男，湖北襄樊人，硕士，高级工程师，主要研究方向为发电机励磁系统及电力系统稳定器控制技术。 付聪(1988-)，男，湖北仙桃人，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统稳定分析与控制、大电网可靠性。