基于真双极接线的VSC-MTDC系统功率转代策略

何 炎, 李 周, 李亚州, 顾 伟, 赵 兵, 王姗姗

(1. 东南大学电气工程学院, 江苏省南京市 210096; 2. 中国电力科学研究院, 北京市 100192)

基于真双极接线的VSC-MTDC系统功率转代策略

何 炎1, 李 周1, 李亚州1, 顾 伟1, 赵 兵2, 王姗姗2

(1. 东南大学电气工程学院, 江苏省南京市 210096; 2. 中国电力科学研究院, 北京市 100192)

随着国内柔性直流输电技术的快速发展,基于真双极接线的多端柔性输电技术将被越来越多地应用到实际工程中。不同于单极线路或换流器退出运行时,伪双极系统下会出现的线路过载和切机切负荷现象,对于运行方式更为灵活的真双极系统,由于非故障极可转代故障极的部分功率,使得电网可靠性和整体输电能力的提升成为可能。提出了一种适用于真双极多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统的功率转代策略:基于真双极系统正负极电网可独立控制功率的特点,当直流系统在非正常运行状况下出现非对称拓扑时,在确保各元件不越限的前提下使非故障极电网转代故障极电网部分功率,以提高VSC-MTDC系统的总传输容量。同时,基于张北±500 kV柔性直流输电示范工程,搭建了真双极四端柔性直流输电PSCAD/EMTDC仿真系统,对所提策略进行了有效性验证。

柔性直流输电; 多端直流; 真双极运行; 功率转代策略

0 引言

基于电压源换流器(VSC)的柔性直流输电技术是当前电力工业界的一个新高点[1-4]。与基于电流源换流器的传统直流输电相比,采用柔性直流输电技术更易于控制潮流,更为重要的,可以构造多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统,但要考虑多个换流站间控制目标的协调配合问题,因此在控制策略方面存在着更多挑战[5-8]。

近年来,国内外有许多学者针对多端柔性直流输电控制系统进行了广泛的研究。多端直流输电(MTDC)系统的多端协调控制一般包括上层控制和站级控制两个控制层次。上层控制系统能根据电网构架,在各站和各直流线路运行约束条件下对整个直流系统的潮流分析和监控,为站级控制提供信号参考值。目前,适用于MTDC的协调控制策略主要有两种基本类型:主从控制[5,9]和电压下垂控制[10-12]。文献[13-15]中研究的改进控制方法,均是在这两种方法的基础上加以改进而得。

现有文献提出的控制策略,都是基于采用伪双极接线[16-17]的MTDC系统。采用伪双极接线的MTDC系统,正负极共用同一套换流器设备,正负极受控于相同的控制指令,正负极直流线路上传输功率的大小和方向一致。如国内已建成投运的两项多端柔性直流输电工程——汕头南澳风电场多端柔性直流工程和舟山五端柔性直流工程,均采用这种系统结构[18-20]。

而随着柔性直流输电系统向更高电压等级、更大输电容量、多端化和网络化发展[21-22],灵活可靠的真双极系统结构将拥有更广阔的应用前景。正在规划建设的张北±500 kV柔性直流输电示范工程即采用真双极运行结构。真双极结构的特点是,正负极各拥有一套独立的换流设备,双极可独立运行,直流正负极可作为两个独立网络运行。这样的电网构架,使得一极发生故障后,另一极在设备通流能力允许情况下,转代故障极的功率成为可能。采用功率转代策略的双极系统将具有两大显著优势:①有效降低故障极的输送功率,控制线路传输功率和换流器功率不越限;②利用两极间配合和功率消纳,提升MTDC系统在非正常工况下的功率传输能力。

因此研究功率转代策略,可以保证MTDC系统在非正常工况下的传输能力,以提升系统运行可靠性,这具有重要的工程参考价值和理论分析意义。

基于此,本文研究并提出了一种基于真双极接线的MTDC系统的功率转代控制策略。首先,分析了真双极接线的系统特点,重点关注换流器和正负极网络的独立控制方式,以提升非正常状态下的线路传输容量;然后结合上层控制系统和站控系统,给出具体功率转代策略的控制流程;最后,在PSCAD/EMTDC中,基于张北±500 kV柔性直流输电示范工程,搭建了四端MTDC仿真系统,在典型应用工况下对所提出的控制策略进行仿真验证。

1 真双极MTDC系统的功率转代控制原理

1.1 真双极MTDC系统的运行特点

与伪双极接线方式在换流变阀侧采用电抗构成一个人为中性点,使直流线路对地呈现出对称的正、负极性所不同,真双极接线与传统直流输电双极系统接线形式基本一致,每个换流站由正极换流器和负极换流器构成,正负换流器之间接地,接地引线从正极换流器和负极换流器在直流侧的连接点引出[17,23]。以图1所示的并联型四端张北±500 kV柔性直流输电工程为例进行分析,该工程采用对称双极金属回线运行方案,拥有正极运行层、负极运行层和金属回线层。金属回线层提供电流通路,正负极均可通过金属回线独立运行,相当于两个独立环网。

图1 并联型四端柔性直流输电拓扑示意图Fig.1 Topology diagram of parallel-type four-terminal VSC based high voltage direct current transmission

与伪双极接线方式相比,真双极接线方式具有以下特点和优势[16]。

1)运行方式多样。系统可在双极和单极金属回线两种基本方式下运行。两极所有换流器同时投入运行且控制策略一致,称为双极对称运行方式;除此以外,在单极换流器或线路退出运行,直流电网出现非对称拓扑时,系统也可运行在双极不对称方式下。

2)系统可靠性高。双极系统接线方式下直流侧故障或检修时只影响故障极,另一极仍能正常运行,且非故障极能在设备通流容量以内转代故障极功率。

1.2 功率转代策略的控制目标

利用双极系统灵活多变的运行优势,在一极换流器或线路停运的工况下,可对故障极和非故障极进行独立控制,以提升系统不平衡运行状态下的传输能力。为进一步增强系统可靠性,提出两点基本控制目标。

1)降低故障极的输送功率,控制故障极直流线路输送功率不超过线路输送容量,直流电流控制在直流断路器容量以内。

当某回直流线路因故障而退出运行时,与故障线路相连的换流器功率只能从另一回出线送出,故障极直流网络必有多条直流线路传输功率增大,甚至造成某些直流线路电流越限。如图1所示的四端环网中,若换流站3和换流站4之间的正极直流线路发生断线故障,与之相连的两条直流线的电流均有所升高,而换流站1和2之间的直流电流值最高,超过线路电流上限,严重威胁系统安全。具体换流站传输功率和直流电流见附录A图A1。

此时功率转代策略需根据故障发生位置,有序调节换流器控制系统功率参考值,使非故障极(负极)转代故障极(正极)的部分功率,确保各极直流线路电流不越限。

2)利用两极之间的功率分配和转代,最大程度上送出发电端的功率,提升MTDC系统在非正常工况下的功率传输能力。

当送端换流器因故障退出运行时,故障换流器将失去传输功率的能力,若不对同端换流器进行控制策略调整,则使得本应由故障换流器送出的电能无法送出,只能切除部分的发电机以保证系统稳定。同理,受端换流器退出运行时,若直流电网功率无法外送,受端功率不足,为应对交流系统频率下降会采取紧急切负荷措施。因此控制系统要在接到故障换流器停运信号后就开始执行转代策略,增加非故障换流器传输功率,以直流电网消纳过剩功率,从而最大程度上减少切机、切负荷量。

基于上述两点控制目标,本文提出了适用于双极并联型MTDC的功率转代策略。

2 功率转代策略控制流程

2.1 基本控制流程

本文所提的功率转代策略实质上是一种在真双极MTDC系统的直流网络处于非对称拓扑运行下,对正负极网络进行独立控制,以提升直流系统传输能力的控制策略。当发生单极直流电网故障或检修时,相同送电方向的另一极直流电网采取提升输送功率的措施,承担部分故障极电网的传输功率,以保证MTDC系统在非正常工况下的传输能力。

该控制策略利用极间配合和正常运行中换流站的功率裕度,来增加电网运行的可靠性。在实际运行中,从站控系统取得换流器停运状态和断线状态作为判据,执行相应的功率转代策略。本文提出具体的适用于真双极MTDC系统的功率转代策略控制流程如下。

步骤1:由上层控制系统得到MTDC系统稳态下各端初始功率和电压水平。

步骤2:故障发生后,判断故障类型,辨识故障后网络拓扑,对故障侧换流站标记。

步骤3:由网络拓扑、各端电压和功率参考值计算出各条直流线路调整后的传输功率和直流电流,以及各换流器的传输功率和电流。

步骤4:校验系统约束条件,包括换流器传输功率和电流约束、线路传输功率和电流的约束条件。 若满足条件,则完成功率转代;若不满足约束条件,则进入步骤5修改站控系统功率参考值。

步骤5:调整与停运线路或越限直流线路相连的换流站的功率参考值。具体调整策略将在2.2节详述。

步骤6:返回步骤4校验约束条件。

基本流程图见附录A图A2。

2.2 功率参考值调整策略

对某端换流器的调节是故障极和非故障极同步调节,尽可能使该端上下网功率总和不变。为说明功率调整策略,设Pref0为正常工况对称运行方式下单极换流器的原功率参考值。故障工况下,Pref_n为非故障极调整后功率参考值,Pref_f为故障极调整后功率参考值,ΔPref为功率参考值的调整量。

1)针对以下两种情况:①某端单极换流器因故障退出运行;②某直流线路停运且与该停运线路相连的换流器仅存在这一条直流出线,该端换流器的功率调节策略应遵循式(1)。

(1)

式中:PVSC_max为待调整换流器功率上限。

在该工况下,非故障极换流器应在最大程度上保证所在直流端的传输功率,故必须立即提高同端非故障极的功率参考值,降低送受端电网功率缺额和频率的变化,才能减少切机、切负荷。若原双极的功率之和大于单极换流器的容量上限,则非故障极的功率参考值取换流器容量;否则取原双极的功率之和。故障极换流器无法传输功率,功率参考值设为0。

2)针对某直流线路停运且与该停运线路相连的换流器有多条直流出线的情况,该端换流器的功率调节策略应遵循:

(2)

如果停运线路的功率小于所有相连线路的可提升容量之和,功率在相连线路间按各线路传输功率裕度分配,即功率裕度越大,所分配的功率越多;对于无法通过同极其他线路送出的部分功率ΔPref,则需转代到非故障极。

3)针对某端换流器同过载线路相连的情况,该端换流器的功率调节策略应遵循:

(3)

式中:Pdc_overload为过载线路的当前功率;Pdc_max为过载直流线路的最大可传输功率。

对与超限元件相连的整流换流站的功率调整,能直接将过载部分功率转代到非故障极,有效解决线路过载问题。

3 仿真分析

为了验证上述控制策略的可行性和有效性,基于张北±500 kV多端柔性直流输电示范工程,在PSCAD/EMTDC环境中搭建了如图1所示的并联型四端柔性直流输电仿真系统。换流站1和换流站3的额定容量分别为1 500 MW和3 000 MW,分别与两风电场相连,均采用定有功功率控制;换流站2的额定容量为1 500 MW,与抽水蓄能电站相连,采用定直流电压控制稳定全网电压;换流站4的额定容量为3 000 MW,与交流电网相连,工作在定有功功率控制方式下。直流侧的额定电压为±500 kV。每端换流站有两套换流器,分别与正负极运行层连接。

3.1 算例1:单极线路退出运行

考虑各换流站均有一定功率裕度的场景:换流站1正负极上网有功功率参考值均为600 MW;换流站3正负极上网有功功率参考值均为1 200 MW;换流站4正负极下网功率参考值均为1 000 MW;换流站2为定直流电压控制,稳定全网电压。

系统在5 s时已达到稳定,此时输送功率最大的一段线路是换流站3到换流站4之间的一段,故考虑该段线路在7 s时发生正极断线。考察功率转代前后系统的稳定运行能力，得到仿真结果如图2和图3所示。其中,图2为未进行功率转代的仿真结果,图3为进行功率转代后的仿真结果。图中:P12pos,P24pos,P31pos,P34pos为四条直流线路正极传输功率,传输方向分别为换流站1至换流站2、换流站2至换流站4、换流站3至换流站1和换流站3至换流站4;P12neg,P24neg,P31neg,P34neg为四条直流线路负极传输功率,传输方向同正极;Udc_pos和Udc_neg分别为正、负极直流电压。

图2 单极线路停运时两极有功功率和电压仿真波形(功率转代前)Fig.2 Simulation waveforms of polar active power and voltage under unipolar line outage (before power conversion)

根据现有的设备制造水平,±500 kV直流断路器通流能力最高为3 kA,具备长期承受1.05倍(3.15 kA)过电流能力。

由图2可知,若不采用功率转代策略,换流站1和换流站2之间正极线路会发生过载,系统中的输送功率超过线路最大输送容量,直流电流高达3.6 kA也超过直流断路器负载过电流能力,严重影响MTDC系统的安全稳定运行。此时正极断线故障不影响负极正常运行,但系统总传输能力有所下降。

若上层控制系统监测到故障的同时立刻进行功率转代,按本文所提策略,需依次减小换流站1和换流站3正极换流器定功率控制的功率参考值,增大负极换流器功率参考值。正极发出有功低于吸收功率,直流电压下降;负极发出有功大于吸收有功,直流电压上升。

由于控制目标的迅速变化,从图3可以观察到系统有一定的波动,这是故障后1 s内发生的一个短暂电压偏离。转代策略实施后直流电压趋于稳定,线路输送功率都严格控制在直流断路器通流容量以内。

图3 单极线路停运时两极有功功率和电压仿真波形(功率转代后)Fig.3 Simulation waveforms of polar active power and voltage under unipolar line outage (after power conversion)

图4为断线故障前后直流系统潮流示意图。换流站中数值代表各换流站控制系统有功功率参考值。图4(b)和(c)对比能更加清晰直观地反映功率转代前后各站功率参考值的改变和线路潮流走向。可见,在线路停运情况下,按照本文所提控制策略进行功率转代能够有效解决线路过载问题。

3.2 算例2:单极换流器(换流站3正极)退出运行

同样考虑各换流站均有一定功率裕度的场景:换流站1正负极上网功率参考值均为400 MW;换流站3正负极上网功率参考值均为700 MW;换流站4正负极下网功率参考值均为1 000 MW;换流站2为定直流电压控制。

系统稳定运行后,在7 s时发生换流站3正极换流器闭锁故障。正极换流器退出运行不影响直流侧母线的正常运行,正极直流电网可视为由四端环网变成三端环网。

图4 单极线路停运前后直流线路潮流示意图Fig.4 Power flow diagrams of direct current lines before and after unipolar line outage

故障后风电场暂时不发生切机动作,即换流站3所连风电场保持1 400 MW出力。换流站3负极换流器有功参考值由700 MW变为1 400 MW,考察功率转代前后系统的稳定运行能力，图5所示仿真波形即为经历功率转代后两极有功功率和电压。

在此仿真过程中,若7 s时不采取功率转代策略,即各换流器控制系统的功率参考值保持不变,换流站3正负极功率参考值总和降低一半,功率过剩时考虑切除风电机组,可能会使孤岛电网失稳。而在理想情况下,换流站有一定裕度,故障极的部分甚至全部功率可转代到正常极。如图6所示,由仿真结果可得单极换流器退出运行前后直流网络潮流示意图。不难看出,在单极换流器退出运行情况下,采用本文所提的功率转代策略可以有效防止风电场大规模切机事件的发生。

图5 单极换流器退出运行时两极有功功率和电压仿真波形(功率转代后)Fig.5 Simulation waveforms of polar active power and voltage under unipolar converter outage (after power conversion)

图6 单极换流器停运前后直流系统潮流示意图Fig.6 Power flow diagram of direct current system before and after unipolar converter outage

4 结论

本文针对具有广阔工程应用前景的真双极VSC-MTDC系统,从电网故障后的稳定控制出发,提出了一种能增加电网健壮性的功率转代策略。该策略的基本思想是在考虑各换流站裕度的情况下,让非故障极直流电网承担部分故障极直流电网功率,以提高输电能力和电网可靠性。由算例结果可得结论如下。

1)所提策略利用两极之间的配合,有效降低故障极的输送功率,使故障极线路上的输送功率不超过直流线路的最大输送容量,直流电流控制在直流线路最大可传输电流值以内。

2)该策略可以有效减少发电站的切机量和受端切负荷量,最大程度上送出发电端的功率,减少交流电网的频率波动。且功率转代策略执行的速度越短,需要的切机、切负荷量就越小。

3)由于真双极系统正负两个网络可以在非对称拓扑下独立控制,对应线路上功率的大小和方向均可不同,本文所提功率转代控制策略在真双极系统中有良好的适用性和控制效果。

考虑到多端柔性直流输电控制的复杂性,如何在保留传输功率裕度的前提下进一步提高功率在极间平稳转代的能力,还需进行更深入的探索和研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Power Conversion Strategy of VSC-MTDC System Based on Real Bipolar Wiring Mode

HEYan1,LIZhou1,LIYazhou1,GUWei1,ZHAOBing2,WANGShanshan2

(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

In China, with the rapid development of voltage source converter based multi-terminal direct current (VSC-MTDC) transmission technology, the real bipolar wiring mode has become increasingly popular in actual multi-terminal direct current (MTDC) projects. In the pseudo bipolar mode, line overload, generator tripping or load shedding may occur if a direct current line or a converter quits operation, while in the more flexible real bipolar mode, power conversion from fault grid to the non-fault one is permissible under similar conditions. A power conversion strategy for bipolar operation VSC-MTDC system is proposed. Since the positive and negative grid can be independently controlled in the bipolar mode, power surplus of the fault grid can be transferred to the non-fault one by using the proposed strategy under abnormal operating conditions. This strategy has improved the reliability and transmission capability of power grid within the limits of each element capacity. The simulation model based on Zhangbei ±500 kV MTDC demonstration project is established in PSCAD/EMTDC. The validity of the proposed strategy has been proved by the simulation results.

This work is supported by State Grid Corporation of China (No. XT71-16-012).

voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC) transmission; multi-terminal direct current (MTDC); real bipolar operation; power conversion strategy

2017-03-27;

2017-07-20。

上网日期: 2017-08-25。

国家电网公司科技项目(XT71-16-012)。

何 炎(1994—),女,硕士研究生,主要研究方向:柔性直流输电技术、电力系统运行与控制。E-mail： heyan2603630@126.com

李 周(1985—),男,通信作者,博士,讲师,主要研究方向:电力系统运行与控制、交直流混合输电技术。E-mail: lizhou@seu.edu.cn

李亚州(1993—),男,硕士研究生,主要研究方向:柔性直流输电技术、电力系统运行与控制。E-mail: liyazhou93@126.com

(编辑 万志超)