基于LCC-MTDC的风电并网研究

耿秀明 李永军

摘要：我国风能资源呈区域化分布，大型风电基地一般都远离电力负荷中心，多端直流输电系统MTDC是电网规模化、集约化的有效方法。现对多端直流输电技术进行分析，构建了基于相控换流技术的多端直流供电系统LCC-MTDC，并建立相应的数学模型，利用PSCAD建立系统模型并在风速波动情况下进行仿真研究，验证所构建系统及其控制的有效性。

关键词：风电并网;多端直流;MTDC

0    引言

高压直流输电HVDC技术能够实现单个风电场与单个交流电网的并网，随着电力系统规模化、集约化发展，各电网之间的交互连接已成为发展的必然趋势。目前国内电力能源呈现区域性分布且大多远离用电中心，多端直流输电系统MTDC能够实现多个电力能源与多个用电负荷的互联，极大程度地降低因电力能源故障所造成的电能短缺问题，为社会生产生活提供更高质量的电力保障。

多端直流输电系统由多个换流站及中间连接的高压直流输电线路构成，其连接方式有并联、串联及串并联混合式等。并联式MTDC直流电压等级相同，各站的功率输送通过电流控制实现;串联式MTDC直流电流等级相同，各站的功率输送通过电压控制实现;串并联混合式MTDC连接形式灵活，但相对控制复杂。相比较来说，并联式MTDC的线路损耗小，调节范围大，扩建方便，人们更倾向于并联式多端直流输电。

1    LCC-MTDC风电技术

1.1    LCC-MTDC结构

多端直流输电系统一般是依托现有交流电网构建的，这样可以节约成本，缩短建设周期。目前，我国的风电场已超大规模化，容量高达数千兆瓦级。基于晶闸管的相控换流技术LCC能够解决超大容量风电场的并网运行问题。依托现有800 kV直流输电线路，构建四端直流输电系统，结构如图1所示。

虽然基于双馈电机的风电并网能够实现有无功的解耦控制，但因相控换流器对换相角的要求较严格，这里每个风电场接入一稳定交流系统保证换流器正常工作。

1.2    LCC-MTDC数学模型

系统采用12脉波换流器，以一阶惯性环节表示，时间常数T1，增益G1，则换流器的表达式为：

反馈环節测量直流网络电流Id并给出相应的换流器对应电流值Im，表达式为：

以定电流控制的换流器控制框图如图2所示。

直流网络用T型等效电路来代替，等效电路如图3所示。

则直流网络数学模型可表示为：

由此可推导出基于LCC-MTDC的四端直流输电系统的空间模型如图4所示。

2    仿真验证

为验证所建模型和控制器能否正常工作，利用PSCAD对系统进行建模仿真。风电场1和风电场2利用系统自带风机模型，功率为1 GW;整流换流器1和逆变换流器采用定功率控制，功率分别为2 GW、1.8 GW、3.2 GW，相应的电流指令计算值为0.404 p.u.、0.398 8 p.u.、0.72 p.u.，电流裕度取0.1 p.u.;整流换流器2用来实现电压控制功能，采用电流裕度控制。

设置风电场风速在1 s时刻出现阵风干扰，2 s后恢复正常风速10 m/s，系统仿真结果如图5所示。

由图5（a）（b）可知，随着风速1的减小，风电场1输出功率减小。风速2在增大到大于额定风速后，因桨距角的调节作用，风电场输出功率基本限定在最大额定功率。随着风速的恢复，输出功率趋近原输出功率。由图5（b）（c）（d）可知，在风电场输出功率发生变化时，对应的交流等效电源会发生功率波动，补偿因风电场输出功率变换而引起的换流器直流功率变化，使换流器直流功率基本保持不变。

3    结语

本文对多端直流输电技术MTDC进行研究，构建了依托800 kV直流输电线路的四端直流输电的LCC-MTDC结构，并进行建模分析，利用PSCAD建立系统模型并在风速波动情况下进行仿真研究，验证了所构建系统的有效性，为后续研究大型风电的多端直流并网提供了依据。

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收稿日期：2020-01-02

作者简介：耿秀明（1982—），女，内蒙古赤峰人，副教授，工程师，主要从事电气控制、机械控制及教学研究工作。