新能源汇集的多端柔性直流系统运行方式及控制策略分析

张新燕赵理威王开泽孙 凯王志浩

(1.国网武威供电公司，甘肃 武威 733000；2.新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；3.国网昌吉供电公司，新疆 昌吉 831100；4.北京金风科创风电设备有限公司，北京 100175)

0 引 言

由于中国能源的分布不匀，能源中心和负荷中心逆向分布，“三北”、蒙西等新能源聚集区域，新能源消纳问题日益严重，功率外送亟待解决。但新能源的消纳受输电通道、自身波动性等因素制约，导致弃电严重，外送受限[1]。随着柔性直流输电技术的不断发展，新能源通过多端柔性直流系统外送是解决区域性新能源消纳问题的有效措施和保证新能源有效利用及可持续发展的重要战略[2-4]。

柔性直流输电技术是构建灵活运行、高效输电并充分利用可再生能源的直流输电系统的有效途径,是未来直流输电技术的发展方向[5]。因此“三北”、蒙西区域等各能源基地通过VSC-HVDC并网是解决区域性风光基地送电问题的一种最优策略。文献[6]中介绍了一种并联结构的四端直流输电系统，只对四端系统进行仿真，没有考虑在系统不同运行方式下的控制策略。文献[7]提出多端柔性直流系统的不同控制策略，但是否适用于弱交流系统还需进一步分析。文献[8]提出了多端直流系统的不同拓扑结构，并建立了相应的柔性直流系统进行了仿真验证。文献[9-13]研究了风电、光伏电场直流并网的拓扑结构和控制策略。文献[14]研究了直流系统故障的诊断和故障抑制的控制策略。文献[15-16]研究了一种换流站之间的同步切换策略，不能够有效地抑制在直流侧故障下电压的波动。文献[17]研究了一种适用风电并网的环形六端直流系统，该系统在交流系统较强的情况下较稳定，但不适合“三北”荒芜地区。文献[18]研究了大型风电基地功率外送的多端直流系统控制策略，该拓扑结构简单，系统缺乏灵活运行的方式。

下面在上述研究的基础上针对“三北”蒙西地区的区域性能源分布形态，提出新能源基地采用多馈入电压源型直流输电并网，然后经电流源型直流输电通道的多端柔性直流系统结构实现跨省功率外送；并根据系统的运行方式分析了送受端换流站的控制策略，然后通过DIgSILENT建模仿真系统的运行特性，主要分析了在系统不同运行方式下控制策略对多端柔性直流系统的功率波动频率、电压、电流稳定性的影响。

1 多端柔性直流输电基本原理

多端柔性直流系统主要由换流站和直流输电线路构成，其柔性直流输电系统结构如图1所示。

图1 柔性直流输电系统结构

多端柔性直流系统中换流站可以根据所处送受端的位置来决定其工作在整流状态还是在逆变状态。系统通过对各换流站电压源换流器(voltage source converter,VSC)的控制就能实现在直流系统两端交流系统之间有功和无功的传输[19]。

多端柔性直流输电系统的核心是换流站(电压源型)。若在不考虑阀电抗器的损耗以及谐波分量时，取US为变流系统电压的基波分量；UC为换流站交流侧电压的基波分量；δ为US和UC之间的相角差；双极直流母线电压差为Ud；XL为相电抗器的电抗。则可得到：

(1)

式中:μ为直流电压的利用率；M为调制比，即VSC输出相电压峰值与单极直流电压的比值。功率转移电路如图2所示，图中：PS、QS分别为变流系统的有功和无功；PC、QC分别为换流站输出的有功和无功。

图2 功率转移电路

从交流系统看进去，则可计算出换流站与交流系统之间传输的有功功率P和无功功率Q为

(2)

(3)

式中，K为换流站输出电压增益，是UC与US的比值，与M定义不同，但均能反应换流站输出电压的变化。由式(2)可以看出δ的变化影响传输的有功功率；由式(3)可以看出UC的变化影响传输的无功功率。因此通过控制δ、UC就可以控制直流电流的方向及传输有功功率及无功功率的大小。从交流系统看进去，VSC可等效于一个端电压幅值、相角均可控的无旋转惯量的同步发电机。

2 系统概述

所提出的能源基地采用多馈入电压源型直流输电(VSC)并网，然后经电流源型直流输电(line commutated converter,LCC)通道外送形成多电源供电、多通输电的多端柔性直流系统结构，如图3所示。新能源并网经过换流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、VSC5，形成五端柔性直流输电系统来增加风光功率的外送。五端柔性系统中有部分换流站公用直流输电通道，节省线路成本和损耗，更加经济。

3 运行方式

所研究的主要的运行方式是将VSC5作为受端，其他四端VSC1、VSC2、VSC3、VSC4作为送端。为提高五端系统的运行灵活性，系统还可以有其他运行方式，分为五端、四端、三端、二端和STATCOM 5类共10种运行方式，具体如表1所示。

图3 多端树枝式柔性直流系统拓扑

表1 系统运行方式

将这10种运行方式再归类划分为交直流并联(有源HVDC)、单换流站直流孤岛(无源HVDC)、多换流站直流孤岛(无源HVDC)、单换流站STATCOM(静止无功补偿器)4类运行方式。

交直流并联方式(有源HVDC)：所研究的五端柔性直流系统，换流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、作为整流站运行，VSC5作为逆变站运行，形成五端柔性直流输电系统，主要的运行方式就是交直流并联方式，通过直流线路和交流线路共同联网供电。

单换流站直流孤岛方式(无源HVDC)：当换流站VSC1、VSC2、VSC3交流侧电网与交流主网联络线故障断开只留下孤立的供电连接线路时，则换流站VSC1、VSC2、VSC3处于单换流站直流孤岛方式，对局部的电网进行调频和调压。

多换流站直流孤岛方式(无源HVDC)：当换流站VSC1、VSC2交流侧电网与交流主网联络线故障断开时，换流站VSC2、VSC4可以采用多换流站直流孤岛方式；换流站VSC1、VSC4交流侧电网与交流主网联络线故障断开时，换流站VSC1、VSC2可以采用多换流站直流孤岛方式；换流站VSC1、VSC3交流侧电网与交流主网联络线故障断开时，换流站VSC1、VSC2、VSC4采用多换流站直流孤岛方式。

STATCOM方式：是指柔性直流换流站与交流系统有电气连接，而与其他换流站通过直流线路的电气连接断开的运行方式。5个换流站完全独立时换流站VSC1、VSC2、VSC4、VSC5运行在STATCOM方式，主要用来调节系统无功。

4 控制方式

4.1 控制模式分析

柔性直流系统稳定运行的基础是保证直流电压的稳定，直流网络功率大幅波动引起的直流电压异常会导致换流站过流闭锁，情况比较严重的可能会因单个换流站引起整个直流系统的故障和瘫痪。多端柔性直流系统受端电网侧为有源交流网络，通常采用定直流电压控制方式，能提高交流系统的电压稳定性。定直流电压控制的具体控制框图如图4所示，首先是电压的参考值与实际电压的测量值进行比较得到一个偏差量，然后PI控制器对偏差量进行调节后再通过对电流的限幅产生一个电流的参考值idref。此参考电流作为内环电流控制的参考值。在多端柔性系统正常运行时换流站中必须有一个采用定直流电压控制的换流站，该多端柔性直流系统是以换流站VSC5、VSC1、VSC2、VSC4、VSC3的依次顺序优先选择定直流电压控制方式。

图4 定直流电压控制

当多端柔性系统中五端换流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4、VSC5独立运行时，换流站VSC1、VSC2、VSC4、VSC5运行于STATCOM方式，系统换流站亦采用定直流电压控制。除定直流电压控制的换流站之外的换流站采用定有功控制。

4.2 静态真分析

所研究的多端系统中，风电建模选取容量为5 MW的双馈风机，各个换流站之间的距离选取为100 km，其他建模参数如表2所示。以最复杂的五端运行方式为例进行仿真分析。

表2 系统设备参数

五端柔性直流输电系统正常运行时的特性曲线如图1所示。在没有故障情况下，最大容量的风光基地1风场风速在10 s时减小至8 m/s，持续6 s后风速恢复到11 m/s，系统有功功率下降如图4(b)所示。系统采用定直流电压控制，送端换流站VSC1、VSC2、VSC3、VSC4进行无功补偿保证系统功率的平衡如图4(c)所示，进而稳定直流电压、电流，如图4(d)、图4(e)所示，避免风电场风电机组脱网。在风速波动时，系统定频率控制让各直流通道的运行频率稳定在50 Hz左右，如图4(a)所示。综上仿真分析，验证了所提出的控制策略可以有效地控制新能源的波动对系统稳定性的影响，保证系统电压和功率的稳定。

(a) 直流通道输电频率

(b) 直流通道输电功率

(c) 系统送端有功功率

(d) 直流通道时序电流

(e) 直流通道时序电压图5 系统正常情况动态特性

4.3 故障扰动仿真分析

多端柔性直流输电系统输出功率和输入功率是否平衡是系统运行的重要因素，当输入功率和输出功率不平衡时，就会直接影响直流电压的波动，使系统不能正常运行。同样，以最复杂的五端运行方式为例进行仿真分析。

由于换流站VSC1是在五端柔性直流系统中4个送端VSC1、VSC2、VSC3、VSC4中容量最大的一个，潮流对整个系统的影响相对较大。选在能源基地1公共连接点汇流母线处设置三相故障，来研究系统在故障扰动下的运行特性。设置在0.2 s时刻发生故障，然后在0.5 s时刻清除故障，故障持续0.3 s，在1 s时刻仿真结束。在发生故障后风电基地功率无法正常输送功率，送端换流站VSC1输出的功率也随之减少，进而导致了受端换流站接受的功率也也减少，如图5(c)所示。换流站VSC1与VSC5之间的直流通道DC15_line在故障时刻，功率发生大幅下降，如图5(d)所示。与此同时，故障也造成五端直流系统的电压、电流发生如图5(a)、5(b)所示的振荡，当电压振荡幅度超过系统稳定运行时的电压范围，风电场侧的换流站将采用恒压变频控制，通过调节输入功率来达到对系统功率波动的调节。到0.5 s时将故障完全切除，系统中送端换流站容量最大的VSC1，采用定直流电压控制来保证系统直流电压的稳定，剩下其他的送端换流站采用定有功功率控制来保证系统有功功率的平衡。

(a)直流通道时序电压

(b) 直流通道时序电流

(c) 系统各端功率

(d) 直流通道输电功率图6 系统故障情况下动态特性

5 结 语

前面结合了新能源基地分布的形态，研究能源基地采用VSC并网、LCC通道外送的系统结构，并根据拓扑结构对系统的运行方式和控制策略进行了研究分析，通过DIgSILENT建模仿真系统在五端运行时的情况，验证了所提的控制策略在系统五端运行方式下仍然可以保证系统的稳定运行。系统稳态运行时，系统各节点电压波动不大，维持在1.0 pu附近，当能源基地1公共连接点发生故障，系统电压跌落近0.25 pu，系统定直流电压控制和定有功功率控制来保证系统电压和有功功率的平衡。