基于多端柔性直流条件下环塔新能源送出可行性分析

罗勋, 刘新刚, 赵洪峰, 渠敬河

(1.新疆大学电气工程学院， 乌鲁木齐 830047； 2.中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司， 乌鲁木齐 830001)

过去十年间，新能源发电技术发展迅速，其中最为代表的是风能、光伏发电技术。截至2020年，中国的新能源装机容量位居世界第一。中国新疆新能源资源丰富[1]，2020年底，新疆全网新能源装机容量3 561万kW，同比增长20.2%，占新疆全网总装机容量的33.0%，居国网系统第一位[2]。为实现“二氧化碳排放[3]于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和”这一目标，新疆环塔里木盆地地区新建形成大量区域性新能源基地[4]，但目前环塔地区新能源送出方式为高压交流输电方式，存在着损耗高，稳定性低，短路电流大等问题。而柔性直流输电技术VSC-HVDC(voltage source converter based high voltage direct current)拥有输送容量高、可独立控制有功功率和无功功率、损耗低等一系列优点[5]，可利用其优点，大规模开发和输送新疆南疆环塔里木盆地的光伏和风电资源。

针对利用新能源柔性直流输电技术，大量文献对其进行了研究。文献[6]介绍了张北四端柔性直流工程，并详细阐述张北柔直电网的协调控制和各个换流站在不同运行情况下的控制策略。文献[7]针对新能源，采用柔性直流方式交流电网并网，并利用仿真软件搭建风电场的并网，从风速变化，送端系统故障，受端系统故障等方面分析其暂态特性，验证方法的可行性，但没有涉及对光伏新能源并网和多端柔性直流的研究分析。文献[8]为解决光伏能源远距离输送问题，搭建采用基于交流电压、直流电压和有功控制策略的五端柔性直流模型，仿真表明系统具有较好的稳定性和故障穿越能力，但多端系统未涉及风电场。文献[9]介绍了“三北地区”形成的大型新能源基地，通过比较传统直流(line commutate converter high voltage direct current，LCC-HVDC)与柔性直流并网优缺点分析可行性。文献[10]从输送距离、输送容量、直流运行成本、互联设备成本、换流站建设成本等方面进行分析，综合考虑直流电网多种技术和经济因素从而确定直流电压等级。文献[11]针对西北地区大型新能源基地，设计了树枝式五端柔性直流输电系统和协调控制策略，从而实现了新能源的消纳。但仿真建模没有涉及受端交流电网。文献[12]比较了传统交流输电和柔性直流输电的优缺点，提出了可以利用柔性直流有功无功独立控制、响应速度快等优点，在城市电网中可替换传统交流输电，并搭建仿真分析可行性。但没有涉及新能源基地，柔性直流控制方式不适合新疆环塔里木盆地地区。

针对新疆环塔里木盆地地区风电光伏资源丰富，煤电、水电等常规可调节性能源匮乏的特点，对比分析采用柔性直流输电的可行性，将风电、光伏等大型新能源基地与受端750 kV交流电网并网连接，针对风电光伏输出功率波动这一特点[13]，采用适合的控制策略抑制波动，将直流电压控制在合理范围之内。最后在PSCAD/EMTDC上搭建多端柔性直流输电系统(multiterminal voltage source converter based high voltage direct current，VSC-MTDC)，验证环塔里木盆地通过柔性直流将新能源送出的可行性。

1 环塔地区柔性直流可行性分析

2020—2030年全疆电网电力电量需求预测将增长12.00%，达到14 427亿kW·h，最大负荷达到27 291 MW。环塔里木盆地风电、光伏资源丰富，新能源持续规模化开发，以满足负荷增长和碳中和的需求。但新能源基地周边负荷小，难以就地消纳。需将盈余功率输送到远离新能源基地的城市中消纳。柔性直流输电具有可独立控制有功功率和无功功率、损耗低等一系列优点。可选用柔直方式替换现有的交流输送方式。

1.1 直流电压等级的选取

针对中国已经建成、在建和规划在建的直流输电工程，建立了输电距离、输电容量和直流电压等级关系表(表1)，虽然表中大部分直流工程是传统直流输电工程，但柔性直流相对于传统直流，是换流技术的不同，这会对换流器设备选择和换流站的造价等有影响。而从直流电压等级的角度，主要考虑线路损耗和与之对应的输送距离、容量大小关系，无论是传统高压直流还是柔性直流，当直流电压一致时，其直流线路的损耗是一致的，所以表1中所示关系对柔性直流的电压等级选取也适用。

柔性直流的电压等级与输送容量密切相关，一般状况下，实际工程输送容量的大小是最优先确定的，可根据表1选择最接近的输送范围和输送距离从而确定直流电压等级。

表1 直流输电距离、容量与电压等级的关系Table 1 Relationship between DC transmission distance, capacity and voltage level

1.2 柔性直流与高压交流、传统直流的对比

新能源并网主要采取3种方法：高压交流输电(HVAC)、传统高压直流输电(LCC-HVDC)、柔性直流输电(VSC-HVDC)。3种输电方式的特性对比如表2所示。

表2 三种并网方式的特性对比Table 2 Characteristics comparison of three grid connected modes

新能源并网采用高压交流输电方式时，具有造价低，技术成熟等优点。但是对于远离城市负荷中心的新能源基地，通过交流并网会产生大量容性充电功率，抬高线路电压。而且风电、光伏新能源电站可以看成是一种间歇性、随机性的不稳定电源，功率会随着风速，光照强度变化而改变。当新能源端有功出现波动时，电网频率会受到影响。对于新疆环塔这种新能源渗透比率较高的地区，送端新能源出现有功波动，会直接威胁系统的稳定运行。

传统高压直流输电基于晶闸管相控换流，交流系统需要提供一个稳定的换相电压，否则将会出现换相失败。系统运行过程中消耗大量的无功功率，需要装设无功补偿装置，还存在谐波大的问题。对于环塔地区新能源基地，送端属于弱交流，无法提供稳定的换相电压，容易造成换相失败。

柔性直流输电基于可控性器件，电流能够自关断，不存在换相失败的问题，没有交流提供换相电压也能向无源网络够供电，有利于新能源的送出。当系统潮流反转时，直流电压不发生变化，有利于组建多端直流。有功无功解耦，可以独立控制。

通过对比以上三种输电方式，传统直流输电明显不适合环塔地区新能源送出，对比高压交流输电随着柔性直流容量的提升，更适合新能源大规模并网，方便后期建设新能源直流电网。结合以上分析得出新疆环塔地区新能源送出采用柔性直流最为合适。

2 环塔盆地交直流建模和控制

2.1 柔性直流的数学模型

柔性直流系统中每个换流站均保持一致，拓扑结构如图1所示。

图1 VSC换流站拓扑结构图Fig.1 Topology of VSC converter station

usa、usb、usc为系统三相相电压；L、R为变压器和输送线上的等效阻抗；ia、ib、ic为三相的每相电流；uca、ucb、ucc为换流器的交流输出端相电压。C为支撑电容器，支撑回路中的直流电压。Udc为两条直流线路间的直流电压。每个换流站通过直流线路与其他段换流站相连接，进行直流功率Pdc的输送。

dq0坐标系下的VSC数学模型是一个多输入多输出的耦合系统，id、iq互相耦合，为了消除耦合，采用前馈解耦技术[14]得

(1)

式(1)中：usd、usq分别为交流侧电压的d轴分量和q轴分量；id、iq分别为交流侧输送电流d轴分量和q轴分量；ucd、ucq分别为换流器交流输出端相电压的d轴分量和q轴分量ω为电网的角频率。

根据式(1),内环电流控制器结构图如图2所示。

id，ref、iq，ref分别为d轴分量和q轴分量的电流参考值；kp和ki分别为比例、积分系数图2 内环电流控制器结构图Fig.2 Structure diagram of inner loop current controller

2.2 受端750 kV换流站控制

柔性直流系统中必须有一个换流站采用定直流电压控制，使整个系统的直流电压运行稳定。如果电压波动较大，严重时将会引起系统瘫痪。在上述的三端柔性直流系统中，受端换流站VSC3与环塔盆地750 kV交流电网并网，受端属于有源交流网络，可以提供稳定的交流电压，选择VSC3换流站采用定直流电压控制维持直流电压稳定。

VSC3换流站外环采用定直流电压、定无功控制，控制框图如图3所示。系统的当前的直流电压Udc和无功功率Q与设定的直流电压参考值Udc，ref和无功功率参考值Qref相减生成误差值，经过比例kp积分ki控制消除静态误差，生成d轴电流参考值id，ref和q轴电流参考值iq，ref，送入图2的内环电流控制器经park反变换生成abc三相调制波，与载波比较生成控制IGBT(insulated gate bipolar transistor)开关的触发脉冲信号。

2.3 送端换流站控制

图3所示的风电场(wind farm,WF)和光伏电站(photovoltaic，PV)都为孤岛新能源基地，可以看成无源网络。为保证功率的送出，新能源端需要有稳定的交流电压和频率支撑。换流站VSC1和VSC2需采用孤岛控制，将风、光并网点的交流电压和频率稳定在一定范围内，控制框图如图4所示。

图3 定直流电压定无功控制系统Fig.3 Constant DC voltage and reactive power control system

图4 送端换流站控制系统Fig.4 Control system of converter station at sending end

送端换流站VSC1、VSC2交流侧母线电压Us与设定参考值Us,ref相减，经过比例kp积分ki控制消除静态误差，实现追踪控制，生成d轴控制信号Ucd，ref经park反变换得到abc三相调制波，Ucd，ref控制调制波的幅值。交流侧母线电压的频率Uf，req减去有功功率Ps与Droop下垂系数(有功-频率下垂特性)的乘积，通过电压振荡器生成角度θ，经park反变换获得abc三相调制波的频率。可通过d轴控制信号Ucd，ref和角度θ，实现控制三相调制波的幅值和频率。生成的三相调制波经过SPWM(sinusoidal pulse width modulation)控制与载波比较生成触发脉冲控制IGBT开通和关断。

2.4 受端环塔750 kV交流电网构架与建模

环塔里木盆地地区风能光伏资源丰富，已形成区域性大规模新能源发电站，可将这些分布式新能源过柔性直流输电方式组网送往远端城市负荷中心，可降低外送成本，提高新能源输送能力。环塔里木盆地750 kV网架如图5所示。

图5 环塔里木盆地750 kV交流网架Fig.5 750 kV AC power grid around Tarim Basin

由于机电暂态仿真软件无法对电磁暂态仿真，为研究柔性直流接入环塔750 kV交流电网的特性，需要通过机电暂态仿真软件PSASP，将所涉及的750 kV节点各变压器、线路、发电机、负荷等参数进行转化，填入电磁暂态仿真软件PSCAD中，将每个节点的220 kV及以下和环塔外部网络进行等值，减小计算，缩短仿真所消耗的时间。750 kV节点的等效图如图6所示。

图6 750 kV节点等效结构Fig.6 Equivalent structure of 750 kV node

3 环塔柔直系统的构想和仿真分析

3.1 环塔柔性直流系统构想

图7是所设计的三端柔性直流系统拓扑图，风电场(WF)和光伏电站(PV)汇集风光功率，分别通过换流站VSC1、VSC2将交流电整流成直流，再通过直流线路输送到远方城市的负荷中心换流站VSC3，将直流逆变成交流与环塔750 kV电网并网进行消纳。环里木盆地的库车750 kV变电站北通伊犁变，西联阿克苏变，东联巴州变，为枢纽变电站，新能源接入库车变后缓解当地供电压力，更利于消纳，适合VSC3换流站交流电网侧接入。

图7 三端VSC拓扑结构图Fig.7 Topology of three terminal VSC

3.2 仿真系统说明

在PSCAD/EMTDC平台搭建三端柔性直流系统，系统拓扑结构图如图7所示。风电场(WF)额定容量450 MW，采用直驱风电机组，单机容量5 MW，机侧变流器采用定有功功率定无功率控制，网侧变流器采用定直流电压定无功控制。光伏电站额定容量350 MW，光伏逆变器采用定直流电压定无功控制，直流电压环引入MPPT(maximum power point tracking)控制实现最大功率追踪。

VSC3换流站额定接受总功率为800 MW。根据表1的容量、距离与直流电压等级的关系，确定出多端柔性直流电压等级为±320 kV最为合适。各端参数如表3所示。

表3 各端系统仿真参数Table 3 System simulation parameters at each end

3.3 稳态仿真分析

考虑到风速、辐射强度的变化会影响到风电场和光伏电站的有功出力，光伏电站额定辐射强度为1 100 W/m2，风电场额定风速为11 m/s。对风电场和光伏电站的风速和光照辐射设置了一段波动变化曲线，如图8所示，仿真各端参数变化，仿真时长24 s。

从图8可知所设置的风速在初始0时刻为11 m/s，当3 s时刻风速突然降低，当5.8 s时刻风速降低至9 m/s，随后风速开始升高至10.2 m/s，到10 s时刻风速降低，18 s时刻风速降低至9.1 m/s，随后升高，到22 s时刻风速升高至12.2 m/s，随后降低，24 s时刻风速降低至11.7 m/s。光伏电站的辐射强度曲线变化同理。对三端柔性直流系统进行仿真，各端换流站的参数波形如图9所示。研究风速和辐射强度变化的扰动对各端系统的影响，仿真时长24 s。

图8 送端辐射强度和风速变化Fig.8 Variation of radiation intensity and wind speed at sending end

三端柔性直流系统各端换流站0.1 s解除闭锁状态，光伏站(PV)在0.2 s时刻启动，1.8 s输送功率达到额定350 MW，风电场(WF)在0.6 s时刻启动，在2.8 s时刻输送功率达到额定450 MW。由图9(c)、图9(e)可知当三端柔直系统受到光照和辐射强度变化小扰动时候，风电场WF和光伏电站

图9 风速和辐射强度扰动下的各端动态特性Fig.9 Dynamic characteristics of wind speed and radiation intensity disturbance on each terminal

PV的有功出力和各端电流将会受到影响，例如，当6 s时刻风速降至低点时，风电场输出有功降低至260 MW左右。由图9(a)、图9(f)可知由于送端换流站采用孤岛控制，能够保证风电和光伏站并网点的交流母线电压值和频率追踪参考值恒定，有效地维持了送端交流侧电压和频率的稳定，使其不受因为风速光照变化而造成功率波动的影响。各并网点频率和交流电压波动均符合标准。图9(b)为各输送线路的直流电压，由于受端750 kV换流站为主站采用定直流电压控制，直流电压追踪设定的参考值恒定，并未受到因风速辐射强度扰动造成功率波动的影响，稳定维持在设定的640 kV左右。图9(d)为各换流站的无功功率，可以看出由于受端750 kV换流站交流侧采用定无功控制，无功功率保持恒定不受扰动影响。

3.4 暂态仿真分析

3.4.1 风电场脱网并网仿真

为研究风电脱网和并网对整个系统的暂态影响，设置各端2.8 s时刻额定运行，当3.1 s时刻风电场脱网，3.45 s时刻重新并网，各端的暂态特性如图10所示，仿真时长共1.2 s。

图10 风电场脱网并网暂态特性Fig.10 Dynamic characteristics of wind farm before and after grid connection

设置各端在2.8～3.1 s按额定工况运行，风电场在3.1 s时刻脱网，风电场所连接的换流器VSC1闭锁，交流断路器打开，由图10(a)～图10(c)所示，风电传输的功率、电流和并网点的交流母线电压都迅速降低，接近降为0，VSC3换流站接收功率也受到影响迅速降低，但是并未影响到和光伏站相连接的VSC2换流站，VSC3接收功剩余功率由光伏站提供。图10(d)所示，由于功率缺额，造成3.1 s时刻直流电压受到扰动下降，VSC3换流站定直流电压控制器迅速调节稳定直流电压。由图10(a)～图10(c)所示，3.45 s时刻，风电场重新并网，电压电流和功率逐渐恢复，3.8 s时刻整个系统恢复稳定运行。由于VSC1换流站3.45 s解锁，风电重新并网，瞬间造成功率的冲击，如图10(d)所示，受冲击后直流电压抬升，经过控制器调节后，快速趋向平稳，直流电压最终稳定在设定值640 kV附近。过程对各端直流电压产生不超过0.1 p.u.的波动，符合合理范围之内，三端系统在3.8 s时刻各端恢复稳定运行。

3.4.2 750 kV交流电网发生三相短路对柔直的影响

为分析受端交流电网发生短路故障对多端柔性直流系统的影响，在图3所示的网架结构图中，库车变电站与轮台变电站输电线路发生三相接地短路故障，故障距离库车变电站54 km处，持续时长0.1 s，仿真时长1 s。各端动态特性如图11所示。

图11 环塔交流线路故障下各端的动态特性Fig.11 dynamic characteristics of each terminal under AC line fault around Tarim Basin

设置各端系统在2.8 s到故障时刻前按额定工况运行，由图11(g)所示，测量点在库车变一侧，线路稳态运行下往库车变送300 MW有功，3 s时刻发生三相接地故障，线路出现对故障点返送功率。图11(a)、图11(c)所示由于故障影响了库车变交流母线，使换流站与变电站相连接的并网点电压大幅下降至0.34 p.u.，受端接受功率也大幅减少。图11(b)短路故障导致功率无法完全被换流站吸收，功率的聚积使得多端柔直系统的直流电压抬高，程度与故障时长成正比。VSC3换流站失去了对直流电压的控制，外环控制器限幅运行，并网点交流电流被限制无法抬升，如图11(e)所示。各端并网点的有功、无功、交流电流、电压和频率都出现了不同程度的波动，VSC3换流站波动最为严重。3.1 s时刻线路故障解除，交流电压快速恢复额定，输送功率被换流站吸收，聚积功率的减少使得系统的直流电压降低，VSC3换流站恢复对直流电压的控制，外环电流控制器不再限幅运行，经过调节稳定在640 kV左右。各端有功、无功、交流电流、电压、频率和线路输送功率在3.6 s恢复故障前运行工况。

4 结论

利用新疆环塔里木盆地地区新能源资源丰富的特点，可新建风电光伏基地用于满足新疆电网电力和负荷的增长需求。对比高压交流、传统直流和柔性直流3种输电方式的利弊，分析得出柔性直流输电方式最适合环塔新能源送出，方便后期组建新能源直流电网。对受端750 kV网架进行等值建模，对风电场和光伏电站进行聚合等效建模，针对各换流并网点对象不同，设计适合各端稳定运行的控制方式，根据输送容量大小和输送距离确定直流电压等级。最后，在PSCAD/EMTDC对搭建的三端柔性直流输电系统进行仿真，得到如下结论。

(1)当新能源电站受风速、光照辐射影响时，柔性直流系统的直流电压，新能源并网点的交流电压和频率维持稳定，整个系统能够稳定运行，不受扰动影响。

(2)当风电脱网后，VSC1换流站闭锁，剩下两端柔性直流系统依然可以继续运行，风电并网对直流电压产生冲击，其间电压会产生0.15 p.u.的波动，经过控制器调节系统能够快速恢复稳定。

(3)VSC3换流站交流侧故障对多端柔性直流系统影响较大，作为系统的主站，发生故障影响功率的输送，严重时导致系统失稳，多端系统停运。

(4)当故障清除后，系统能够快速恢复稳定运行。仿真结果表明了多端柔直系统条件下的新能源送出与环塔750 kV电网之间积极地交互影响。为新能源资源丰富且煤电、水电等常规可调节性能源匮乏的地区新能源外送方式选择提供新思路。