VSC-MTDC系統(tǒng)的發(fā)展及控制新需求分析
基于電壓源型換流器的多端柔性直流輸電(voltage sourced converter based multi-terminal direct current transmission，VSC-MTDC)技術(shù)可被用于構(gòu)建多電源供電、多落點(diǎn)受電的靈活電力系統(tǒng)，適用于大規(guī)?？稍偕茉吹牟⒕W(wǎng)與消納。當(dāng)前VSC-MTDC系統(tǒng)對(duì)控制策略的要求日益提高。
1）大規(guī)模新能源通過(guò)VSC-MTDC系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，一般對(duì)大規(guī)模新能源接入的換流站采用幅相控制，從而為交流系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流母線電壓。但在幅相控制方式下，換流站將失去對(duì)所傳輸有功功率的主動(dòng)控制能力，只能被動(dòng)地傳輸所連新能源電網(wǎng)的發(fā)電功率。在新能源電網(wǎng)出力波動(dòng)、負(fù)荷端功率調(diào)整等正常運(yùn)行工況，以及可能出現(xiàn)的負(fù)荷端交流接地故障、換流站閉鎖等非正常運(yùn)行工況下，若直流電網(wǎng)無(wú)法及時(shí)消納并網(wǎng)新能源功率，新能源電網(wǎng)有功功率波動(dòng)將直接引起直流電壓的波動(dòng)，影響直流電網(wǎng)穩(wěn)定性。因此，新能源的接入提高了VSC-MTDC系統(tǒng)的直流電壓控制難度。
2）對(duì)于輻射狀VSC-MTDC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)湎螺椛渲行碾妷悍€(wěn)定時(shí)，直流網(wǎng)絡(luò)中某一直流線路潮流的變化僅影響該線路末端換流站的直流電壓，而并不會(huì)對(duì)其他換流站的直流電壓產(chǎn)生影響，因此，相應(yīng)的直流電壓及功率控制方法簡(jiǎn)單。環(huán)狀VSC-MTDC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，若通過(guò)調(diào)節(jié)某一端換流站的直流電壓來(lái)改變其傳輸?shù)挠泄β?，必然?huì)對(duì)系統(tǒng)中其他換流站的直流電壓產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其他換流站所傳輸?shù)挠泄β?，難以獨(dú)立改變單端換流站的直流電壓及其傳輸?shù)挠泄β?。因此，環(huán)狀VSC-MTDC系統(tǒng)的電壓控制難度較高。
綜上所述，實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定控制是新形勢(shì)下VSC-MTDC系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
02、現(xiàn)有多端協(xié)調(diào)控制策略特性分析
目前現(xiàn)有的VSC-MTDC多端協(xié)調(diào)控制策略有主從控制策略其改進(jìn)的電壓裕度控制策略，直流電壓下垂及其改進(jìn)控制策略。
1）主從控制策略及其改進(jìn)的電壓裕度控制策略均屬于單點(diǎn)電壓控制策略，任意時(shí)刻只有單個(gè)換流站參與功率調(diào)節(jié)，對(duì)直流系統(tǒng)傳輸功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力不足，直流系統(tǒng)的功率波動(dòng)容易引起較大的直流電壓波動(dòng)，直流電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差。
2）直流電壓下垂及其改進(jìn)的控制策略利用多個(gè)或者全部換流站承擔(dān)功率平衡及電壓穩(wěn)定的功能，直流電壓動(dòng)態(tài)特性較好，但存在穩(wěn)態(tài)傳輸功率精度不足和動(dòng)態(tài)傳輸功率偏差較大的問(wèn)題。
03、VSC-MTDC主動(dòng)功率平衡協(xié)調(diào)控制策略
主動(dòng)功率平衡協(xié)調(diào)控制總體框架如圖1所示。選取具有較強(qiáng)有功功率調(diào)節(jié)能力的換流站作為主功率平衡站，采用電壓下垂控制方式；選取對(duì)傳輸功率有一定調(diào)節(jié)能力的換流站為輔功率平衡站，采用電壓下垂控制；對(duì)傳輸功率具有強(qiáng)迫要求的換流站，采取定有功功率控制，與無(wú)源網(wǎng)絡(luò)或大規(guī)模新能源電網(wǎng)相連的換流站，采取幅相控制。
圖1 主動(dòng)功率平衡協(xié)調(diào)控制策略框架
當(dāng)直流系統(tǒng)潮流發(fā)生變化，基于圖1所示的主動(dòng)功率平衡模塊計(jì)算主平衡站控制中的功率參考值Pbalance，通過(guò)調(diào)節(jié)Pbalance，可在保證直流系統(tǒng)具有良好動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性的同時(shí)，使穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓下垂控制站的功率參考值與實(shí)際傳輸功率值的總偏差量為零，保證直流系統(tǒng)運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)電壓，輔功率平衡站按照參考值精確傳輸功率。
04、仿真驗(yàn)證
在PSCAD環(huán)境下建立了如圖1所示的含孤島風(fēng)場(chǎng)的并聯(lián)環(huán)形四端VSC-MTDC仿真系統(tǒng)，通過(guò)仿真進(jìn)一步分析各類(lèi)協(xié)調(diào)控制策略在含孤島新能源并網(wǎng)的環(huán)形VSC-MTDC系統(tǒng)中的控制特性。在主站發(fā)生故障退出場(chǎng)景下，初始時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，2 s時(shí)，VSC1因故障閉鎖，仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 VSC1退出時(shí)的仿真結(jié)果
由圖2可得，采用所提主動(dòng)功率平衡協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，動(dòng)態(tài)過(guò)程中直流電壓波動(dòng)量極小，功率調(diào)節(jié)時(shí)間與主從控制策略相近，且換流站的動(dòng)態(tài)功率偏差僅為直流電壓下垂控制策略下的50%，穩(wěn)態(tài)時(shí)換流站可精確控制傳輸?shù)挠泄β省?
05、結(jié)語(yǔ)
基于對(duì)現(xiàn)有的多端協(xié)調(diào)控制策略下VSC-MTDC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)/穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性分析，提出了一種多端柔直電網(wǎng)主動(dòng)功率平衡協(xié)調(diào)控制策略，具有以下優(yōu)勢(shì)。
1）主動(dòng)功率平衡技術(shù)可指定合適的主功率平衡站承擔(dān)系統(tǒng)功率變化，并抑制其他換流站動(dòng)態(tài)傳輸功率偏差，大幅提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中以及達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的傳輸有功功率精度。
2）主動(dòng)功率平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中主動(dòng)消除系統(tǒng)的不平衡功率，進(jìn)而保證了穩(wěn)態(tài)下直流電網(wǎng)的直流電壓控制精度。
3）文中所提控制策略為系統(tǒng)級(jí)的協(xié)調(diào)控制策略，適用于各種類(lèi)型以及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)。
原文發(fā)表在《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》2019年第43卷第17期，歡迎品讀！
