武家輝，王海云，王維慶，張 強(qiáng)

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與

并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心, 新疆 烏魯木齊 830047)

混合三端直流輸電系統(tǒng)在風(fēng)火打捆并網(wǎng)中的應(yīng)用及其控制策略

武家輝1,2，王海云1,2，王維慶1,2，張 強(qiáng)1,2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與

并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心, 新疆 烏魯木齊 830047)

針對大規(guī)模風(fēng)電外送可靠性問題，提出風(fēng)火打捆經(jīng)混合三端直流輸電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并設(shè)計各換流器的控制策略。混合三端直流輸電系統(tǒng)的發(fā)電端由兩個自然換相(LCC)整流器組成，受端由一個電壓源型逆變器(VSC)與外電網(wǎng)相連。風(fēng)電場群側(cè) LCC1 換流器采用定有功功率的控制策略，可以追蹤最大功率；火電廠側(cè) LCC2換流器采用定直流電流控制策略，可以平抑風(fēng)功率波動。受端換流站控制器VSC采用定直流電壓和定無功功率控制策略，能有效應(yīng)對換流站側(cè)交流系統(tǒng)短路故障和負(fù)荷突變等工況。仿真結(jié)果表明所提控制方案的有效性。這種輸電模式能夠綜合利用常規(guī)直流輸電和輕型直流輸電各自的優(yōu)點(diǎn)，有效擴(kuò)展常規(guī)風(fēng)火打捆直流輸電系統(tǒng)的適用范圍。

風(fēng)火打捆；直流輸電；混合多端直流系統(tǒng)；換流站；控制策略

0 引言

有效緩解我國能源供需矛盾，減輕經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中所帶來的環(huán)境問題，大力發(fā)展清潔能源是一項(xiàng)戰(zhàn)略舉措。2014 年中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量 23.351 GW，同比增長 45%[1]，創(chuàng)歷史最高。目前國內(nèi)風(fēng)電基地多建于“三北”地區(qū)，這些地區(qū)由于用電負(fù)荷不高，系統(tǒng)規(guī)模小，導(dǎo)致風(fēng)電必須送到區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，甚至其他電網(wǎng)進(jìn)行消納。采用風(fēng)火打捆直流外送[2-3]是未來大規(guī)模能源基地外送的重要方式之一，但同時也對輸電技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。

傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)(LCC-HVDC)雖然在大容量、遠(yuǎn)距離輸電方面有優(yōu)勢[4]，但同時存在著換流器換相失敗的缺陷[5]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，基 于 電 壓 源 換 流 器 (VSC)的 輕 型 直 流 輸 電 技 術(shù)(VSC-HVDC)能實(shí)現(xiàn)有功、無功獨(dú)立傳輸；不存在換相失敗[6]，甚至可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電等優(yōu)點(diǎn)[7]，具有極大優(yōu)勢。VSC 容量相對于傳統(tǒng)換流器較小，但是隨著更大單體容量、更高電壓等級的模塊化多電平換流器(MMC)的發(fā)展，柔性換流器的容量可以和傳統(tǒng)換流器相比配[8]。文獻(xiàn)[9]提出基于儲能技術(shù)的 VSC-HVDC 系統(tǒng)改善雙饋機(jī)風(fēng)電場的運(yùn)行穩(wěn)定性能力。但假使柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)電端換流器由于故障退出運(yùn)行，風(fēng)電場將無法外送功率。因此多端直流輸電系統(tǒng)(MTDC)能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，是一種可供選擇的有效互聯(lián)模式。

為了獲得最大的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益，充分利用柔性換流器和傳統(tǒng)換流器各自優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[10]于 1994年提出混合 HVDC 的設(shè)想。文獻(xiàn)[11]設(shè)計了一種混合兩端直流輸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能充分發(fā)揮 LCC 與VSC技術(shù)成熟、成本低廉和調(diào)節(jié)性能良好的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]提出將 VSC 應(yīng)用于一個混合雙極直流輸電系統(tǒng)受端，由此可以改善系統(tǒng)逆變側(cè)的性能，降低換相失敗的概率。但以上文獻(xiàn)均是在雙端系統(tǒng)中應(yīng)用混合直流輸電系統(tǒng)，如果通過并聯(lián)或串聯(lián)換流器的方式，將混合兩端HVDC系統(tǒng)擴(kuò)展為混合多端直流輸電系統(tǒng)，必然可以有效擴(kuò)展現(xiàn)有HVDC系統(tǒng)的功能。

綜上所述，為了提高HVDC系統(tǒng)輸電能力，拓展常規(guī)風(fēng)火打捆直流輸電的應(yīng)用范圍，本文在DIgSILENT 軟件中設(shè)計了一個混合三端風(fēng)火打捆直流輸電并網(wǎng)模型，并為每個換流器設(shè)計了相應(yīng)的控制策略。詳細(xì)分析了不同工況下系統(tǒng)送、受兩端風(fēng)功率波動、故障穿越、負(fù)荷突變等特性。研究結(jié)果驗(yàn)證了所建立系統(tǒng)可行性及其控制方案的有效性。

1 基于風(fēng)火打捆直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)模型

遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)有兩個特點(diǎn)：一是潮流方向單一，不需要考慮潮流反向問題；二是當(dāng)受端系統(tǒng)某點(diǎn)發(fā)生短路故障時，可能引起多回直流線路同時發(fā)生換相失敗，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性造成威脅[13]。針對以上特點(diǎn)，本文設(shè)計了一個混合三端風(fēng)火打捆經(jīng)直流輸電外送系統(tǒng)，如圖1所示。在送端側(cè)，風(fēng)電場與火電廠分別與由兩個串聯(lián)組成的 12 脈波動換流器 LCC1、LCC2 相連。受端逆變站則采用電壓源換流器 VSC 并入電網(wǎng)。風(fēng)電場與火電廠捆綁為負(fù)荷中心供電，承擔(dān)電力外送職能。

圖1 混合三端風(fēng)火打捆直流輸電系統(tǒng)Fig. 1 Bundling diagram of a hybrid MTDC system with three terminals

目前變速恒頻技術(shù)是風(fēng)電場的發(fā)展方向。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的解耦，以此降低電網(wǎng)之間與風(fēng)力發(fā)電的相互影響。特別是雙饋機(jī)(DFIG)，變頻器容量較小，在經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)勢，不僅能實(shí)現(xiàn)有功與無功的解耦控制，而且改善了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性，是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的主要選擇。因此，本文以雙饋機(jī)的輸出特性作為風(fēng)電場群的輸出特性，并以此研究與火電廠的協(xié)調(diào)特性。

火電機(jī)組可作為外送系統(tǒng)抵御嚴(yán)重故障擾動最重要的保證，因此在實(shí)際系統(tǒng)中，常規(guī)火電機(jī)組往往在風(fēng)火打捆能源基地外送電源結(jié)構(gòu)中占據(jù)較大的比例。在仿真中，規(guī)定火電機(jī)組的有功出力調(diào)節(jié)范圍為 50%~100%，最大容性無功出力為有功出力的50%，最大感性無功出力為有功出力的 30%。本文為了克服三相短路和負(fù)荷驟變等工況，風(fēng)火打捆的比例根據(jù)文獻(xiàn)[14]設(shè)定為 1︰3.5。

1.2 風(fēng)速模型

風(fēng)速的間歇性和波動性造成了風(fēng)電機(jī)組原動機(jī)功率的不可控性，這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同于火電等傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組最突出的地方。風(fēng)速狀況對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能有著重要的影響，也使得風(fēng)速模型成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的重要部分。本文采用的風(fēng)速模型是由陣風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)、漸變風(fēng)三個分量疊加在平均風(fēng)速上組成的組合風(fēng)速模型。

(1) 陣風(fēng)：描述風(fēng)速突然變化的特性一般用陣風(fēng)來表示，其數(shù)學(xué)模型為：

(2) 漸變風(fēng)：對風(fēng)速的漸變特性可以用漸變風(fēng)成分來表示，其數(shù)學(xué)模型為：

(3) 隨機(jī)風(fēng)：風(fēng)速的隨機(jī)性一般用隨機(jī)噪聲風(fēng)分量來表示，其數(shù)學(xué)模型為

式中： KN是指地表粗糙系數(shù)；N指頻譜取樣點(diǎn)；F指擾動范圍(m2)；m是相對高度的平均風(fēng)速(m/s)；Δv指各個頻率段的頻率數(shù)；指 0~2π 之間均勻分布的隨機(jī)變量。

2 控制系統(tǒng)

混合多端直流輸電系統(tǒng)的控制方法源于雙端系統(tǒng)[15]。本文采用單點(diǎn)電壓控制法，在并聯(lián) MTDC輸電系統(tǒng)中，設(shè)定一個換流站為主導(dǎo)換流站，控制系統(tǒng)直流電壓保持穩(wěn)定，并維持整個 MTDC 系統(tǒng)的功率平衡，其他換流站則按給定的電流(或功率)運(yùn)行。本文選定 VSC 為主導(dǎo)換流站，在 VSC 側(cè)采用定直流電壓、定無功功率控制方式，以實(shí)現(xiàn)受端系統(tǒng)靈活控制。整流器 LCC1控制并跟蹤風(fēng)電場發(fā)出的有功功率，將其送至高壓直流母線。當(dāng)風(fēng)速波動時，會導(dǎo)致火電廠交流母線電壓的波動，因此火電廠側(cè)整流器 LCC2采用定電流控制，保證系統(tǒng)電壓頻率和幅值的穩(wěn)定。系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.1 送端 LCC 控制策略

送端 LCC-HVDC，本文采用 CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)測試模型的控制策略，即正常情況下整流側(cè)采用定直流電流(功率)控制策略，為了避免各種工況引起的電流不穩(wěn)定，整流側(cè)還配備了低壓限流控制(VDCL)。

圖2 混合多端直流輸電系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Overall control structure of hybrid MTDC system

風(fēng)電場側(cè)整流器 LCC1的控制是由內(nèi)環(huán)定電流控制器和外環(huán)定功率控制器構(gòu)成的雙環(huán)控制，見圖3。直流輸電系統(tǒng)通常按預(yù)定的功率輸送功率，因此風(fēng)電場用外環(huán)功率控制器精確控制直流功率，并通過定電流調(diào)節(jié)器參與換流器觸發(fā)角的調(diào)節(jié)。定電流控制環(huán)響應(yīng)速度比定功率控制環(huán)路快，直流系統(tǒng)發(fā)生擾動時，電流環(huán)可以迅速限制暫態(tài)故障電流值以保護(hù)晶閘管換流閥。

圖3 送端換流器 LCC1 雙環(huán)控制方案Fig. 3 Double-loop controller for wind farm side converter LCC1

火電廠側(cè)整流器 LCC2采用定直流電流的控制方式。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障工況時，LCC2 側(cè)配置低壓限流控制器(VDCL)防止系統(tǒng)出現(xiàn)換相失敗并改善故障后直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性，如圖4。在控制器設(shè)計上，LCC1 與 LCC2 均采用基于 PI的一種復(fù)合控制器。其中是風(fēng)電場有功功率和火電廠側(cè)的直流電流，是它們的參考值。

圖4 送端換流站 LCC2 控制方案Fig. 4 Controller for thermal power plants side converter LCC2

2.2 受端 VSC 控制策略

電壓源換流器 VSC 采用全控型開關(guān)器件構(gòu)成的雙橋式結(jié)構(gòu)，并采用 CIGRE 標(biāo)準(zhǔn)直流輸電測試系統(tǒng)的逆變側(cè)交流系統(tǒng)進(jìn)行等效。其控制策略如圖5所示，由于電壓源換流器具有兩個自由控制變量，可以獨(dú)立控制系統(tǒng)的兩個輸出變量。本文選擇直流電壓和無功功率作為控制目標(biāo)。其中，分別代表系統(tǒng)直流電壓和無功功率，是直流電壓參考值。分別將受端交流系統(tǒng)電流d軸分量參考值與受端交流系統(tǒng)電流d軸分量實(shí)測值以及受端交流系統(tǒng)電流q軸分量參考值與受端交流系統(tǒng)電流q軸分量實(shí)測值 iq相比較，將誤差信號送入至PI控制器，最終達(dá)到獨(dú)立系統(tǒng)直流電壓以及無功功率Q的目的。

圖5 逆變(受端)換流站 VSC 控制方案Fig. 5 Controller for the receiving end converter VSC

3 仿真

為了分析風(fēng)火打捆經(jīng)混合多端直流并網(wǎng)在不同運(yùn)行條件下送端和受端的響應(yīng)過程，驗(yàn)證所提出的混合多端直流系統(tǒng)控制策略的有效性，本文在DIgSILENT 中所建立算例具體數(shù)據(jù)如下：

風(fēng)電場由 30 個單機(jī)容量 2 MW 且額定電壓為0.69 kV 的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，總裝機(jī)容量為60 MW。風(fēng)電場群通過兩級升壓變壓器連接至混合MTDC 系統(tǒng) LCC1 換流站，因此，LCC1換流站的容 量 設(shè) 計 為 60 MW 。 常 規(guī) 火 電 廠 設(shè) 計 容 量 為220 MW，相應(yīng)的 LCC2 的額定功率為 220 MW。受端換流站 VSC 額定容量設(shè)計為 300 MW?；痣姀S與風(fēng)電場打捆通過一條直流電纜傳送至外電網(wǎng)。系統(tǒng)簡化圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)簡化圖Fig. 6 Simplified diagram of simulation circuit

3.1 風(fēng)電場功率波動工況驗(yàn)證仿真

圖7 為 20 s 內(nèi)，式(1)—式(5)疊加在基本風(fēng)速為11 m/s 的噪聲風(fēng)波動的情況，系統(tǒng)響應(yīng)過程如圖8所示。

圖7 風(fēng)速波動情況Fig.7 Variation of wind

圖8 風(fēng)功率波動時系統(tǒng)響應(yīng)過程Fig. 8 System response during wind power variation

本文采用的雙饋風(fēng)力機(jī)，當(dāng)風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速頻繁波動時，雙饋機(jī)轉(zhuǎn)速基本維持在 1.2 p.u.，頻率在50 Hz，上下波動不超過±(2%~5%)?；痣姀S轉(zhuǎn)速維持在 1.0 p.u.，見圖8(a)、圖8(b)。通過對轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制使輸出風(fēng)電功率維持在定值 0.85 p.u.附近。相應(yīng)的，常規(guī)火電廠側(cè)功率隨風(fēng)功率而反向變化,見圖8(c)、圖8(d)。圖8(e)說明系統(tǒng)換流側(cè)的直流電壓值基本維持在額定值附近，風(fēng)功率波動不會對直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性造成影響。調(diào)節(jié)火電廠側(cè)換流器的有功出力可以平抑風(fēng)功率波動，系統(tǒng)響應(yīng)波形驗(yàn)證了所建立模型的有效性。

3.2 換流站 VSC 側(cè)交流母線側(cè)發(fā)生三相短路故障

為了驗(yàn)證本文提出的受端交流系統(tǒng)故障，逆變站不存在換相失敗的觀點(diǎn)，設(shè)定2 s時在逆變器VSC交流母線側(cè)發(fā)生持續(xù) 0.1 s 的三相短路故障。系統(tǒng)響應(yīng)如圖9 所示。故障發(fā)生后，圖9(a)逆變側(cè)換流器VSC 交流母線降低至 0，導(dǎo)致圖9(b)整流側(cè)換流器直流電壓的降低，但不為 0。由圖9(c)、圖9(d)可以看出火電廠換流器發(fā)出的有功功率從 0.74 p.u.上升至 4.6 p.u.進(jìn)行緊急功率支撐，同時風(fēng)電場側(cè)有功功率幾乎降為 0。一般情況下若風(fēng)電場交流接入配電網(wǎng)中，系統(tǒng)發(fā)生大擾動時，并網(wǎng)風(fēng)電場會發(fā)生失穩(wěn)及風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子失速的現(xiàn)象。但本文采用的混合直流輸電使得風(fēng)電場機(jī)組轉(zhuǎn)子電流只有較小影響，見圖8(e)，切除故障能迅速恢復(fù)之前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖9 受端站 VSC 交流側(cè)故障系統(tǒng)響應(yīng)Fig. 9 System response during AC fault at VSC side

3.3 負(fù)荷驟變對系統(tǒng)的影響

并網(wǎng)時發(fā)生負(fù)荷突變會影響電場和電網(wǎng)之間的功率交換，引起風(fēng)電場母線和地區(qū)電網(wǎng)母線電壓的波動。本節(jié)交流系統(tǒng)處的負(fù)荷采用靜態(tài)負(fù)荷模型，其 P=300 MW，Q=60 Mvar。設(shè)定在 2 s 時負(fù)荷驟減30%，0.5 s 后恢復(fù)。負(fù)荷驟減削弱系統(tǒng)有功功率需求，引起 VSC 側(cè)直流電壓升高，但是由于 VSC 的直流電壓控制策略使得其余端口電壓只有微小變化，不存在換相失敗的問題，見圖10(a)、圖10(b)?；痣姀S發(fā)出的有功功率減少了 0.2 p.u.，同時風(fēng)電場只減少了 0.05 p.u.，見圖10(c)。由圖10(d)可以看出風(fēng)電場群側(cè)等效轉(zhuǎn)速保持在 1.2 p.u.附近，這說明負(fù)荷驟變擾動主要由火力發(fā)電機(jī)組來消除，風(fēng)電場基本不承擔(dān)負(fù)荷擾動的不利影響，充分體現(xiàn)了風(fēng)火打捆的優(yōu)越性，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 負(fù)荷驟變對系統(tǒng)響應(yīng)Fig. 10 System response during load changes

4 結(jié)語

本文探討了混合多端直流輸電技術(shù)用于風(fēng)火打捆輸電并網(wǎng)的可能性。通過分析系統(tǒng)送、受兩端風(fēng)功率波動、故障穿越、負(fù)荷突變等特性可以得出以下結(jié)論與展望：

(1) 當(dāng)風(fēng)火打捆外送系統(tǒng)送端發(fā)生風(fēng)速頻繁波動擾動時，通過火電廠及混合直流輸電系統(tǒng)可以消弱風(fēng)速波動帶來的不利影響，保證輸入至受端電網(wǎng)交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

(2) 當(dāng)風(fēng)火打捆外送系統(tǒng)受端電網(wǎng)交流母線發(fā)生三相短路或者負(fù)荷突變時，該系統(tǒng)受端柔性換流器 VSC 的定電壓控制模式能夠保證電網(wǎng)受干擾后的穩(wěn)定，使得風(fēng)電場、火電廠均能“穿越”故障，運(yùn)行狀況基本不受電網(wǎng)受端故障影響。

(3) 火電廠調(diào)峰能力有限，文中火電的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度難以完全滿足風(fēng)電波動功率實(shí)時調(diào)節(jié)的需求，下一步作者準(zhǔn)備在受端加上儲能裝置對所建系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

(4) 由于 VSC 的容量相對較小，因此拉低了整個混合直流輸電系統(tǒng)的容量。但是隨著電力電子的發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來，柔性直流輸電也會采用特高壓電壓等級，其輸送容量會與傳統(tǒng)特高壓直流輸電相當(dāng)。

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(編輯 周金梅)

A bundling system of wind-coal power plants and its control strategies based on hybrid MTDC transmissions

WU Jiahui1,2, WANG Haiyun1,2, WANG Weiqing1,2, ZHANG Qiang1,2
(1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China; 2. Engineering Research Center for Renewable Energy Generation & Grid Control, Urumqi 830047, China)

The wind-thermal bundling system based on a hybrid three-terminal HVDC transmission and the control strategies for each converter are raised to deliver large scale wind power to load center. This hybrid MTDC system consists of two line-communicated converters (LCC) which are connected to sending side, and one voltage source converter (VSC) at the grid side. The LCC1 controller at the wind farm side is designed to control active power and track maximum power while the LCC2 controller at the thermal power plant side, which is in DC current control mode, can compensate power fluctuation. VSC controller at the receiving end is proposed to control DC bus voltage and reactive power so it can operate the fault at the AC bus and the local load mutation. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed control strategies. The proposed scheme combines advantages of both LCC and VSC HVDC systems and provides a new way to transmit long distance wind power to the main grid.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51267017), Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (No. 20126501130001), and National High-tech R & D Program of China (No. 2013AA050604).

wind-thermal bundling system; HVDC; hybrid MTDC; converter station; control strategy

TM77

1674-3415(2016)02-0049-07

2015-04-08；

2015-08-01

武家輝(1988-)，女，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)火打捆直流輸電與并網(wǎng)技術(shù)；E-mail: wjha29@sina.com

王海云(1973-)，女，碩導(dǎo)，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)；E-mail: 327028229@qq.com

王維慶(1959-)，男，博導(dǎo)，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動化和風(fēng)電機(jī)組智能控制。E-mail: wwq59@xju.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(51267017)；博士點(diǎn)專項(xiàng)基金(20126501130001)；國家 863 計劃(2013AA050604)