论大容量风电高压直流输电系统功率外送仿真技术

张柳艳

摘 要：在下面文章里，我们简单了解多端柔性特高压直流输电系统，并重点以其为基础对大容量风电基地与系统并网实现功率外送仿真技术作为探讨。

关键词：大容量风电基地；直流输电系统；VSC-MDTC

前言

目前风电单机容量已达到兆瓦级，风能利用率越来越高。国内风电基地的数量和规模都在与日俱增。将风电系统渗入整个电力系统对于改善电网系统结构、降低环境污染、减少资源消耗都有着重要的意义。但是由于风能具有方向、大小不确定性，经常导致风电机组瞬时负荷剧烈波动，在并网运行时对系统造成扰动影响，所以成为限制风电进一步发展壮大的难题。在下面文章里，我们通过对特高压柔性直流输电新技术进行了解，并对基于柔性直流输电系统的大容量风电基地与系统并网实现功率外送仿真技术进行探讨。

1 多端柔性特高压直流输电系统

多端柔性直流输电系统VSC-MDTC是由两端柔性直流输电系统VSC-HTDC发展而来，通过VSC换流站与多条直流输电线路将区域内多个用电负荷中心和电源连接在一起，在送电端与受电端均设置了换流站，由其实现功率的输送、分配。VSC-MDTC系统即有柔性直流输电的优点，又能将多个分布式电源联网，很好的解决了如风电、光伏发电等新能源并网问题。对于拓宽电网负荷类型、综合利用资源有着重要的意义。

在VSC-MDTC系统运行过程中直流电压的稳定性直接决定着系统的运行特性和可靠性，所以会选择一个换流站作为功率平衡节点对直流电压进行稳定控制，而其余换流站则在整流或逆变状态完成功率分配。SC-MDTC系统虽然在运行灵活性、可靠性等方面比双端系统更具有技术优势，但是由于拓扑结构更为复杂，所以保证运行稳定的控制策略非常复杂。[1]

2 不同扰动下系统的控制策略

功率扰动对系统的影响：

VSC-MDTC系统利用闭合环路直流线路构成中心呈环状的拓扑结构，将直流环路设置在风电场附近，即缩短了直流线路长度，又降低了容量冗余造成的成本，同时可有效提高系统运行可靠性。在这里我们用W-VSC代表风电场换流站；G-VSC代表送端换流站；L-VSC代表受端换流站。在正常的运行过程中风电场换流站对汇集的风电场功率进行整流并输送至直流环网，与本地电网换流站共同组成送端换流站，通过直流网络将功率输送至远方负荷中心。为了保证系统直流电压稳定性，我们选取功率调节能力强的换流站对直流电压进行控制，在风电场端换流站通过恒压恒频控制策略来保证本端电网的电能质量；而剩余换流站则按照相关发电计划，通过定功率控制策略实现功率合理分配。通过综合考虑本地电网换流站功率裕量及交流电网电能质量，按照发生扰动后系统电网频率变化情况，可将系统语系模式分为三类，分别是自由运行、下垂运行和限流运行，下面我们对三种运行模式的区分进行简单了解。

（1）自由运行模式下，系统在控制范围内可向用户持续提供优质电能，当扰动发生时，系统默认的直流电压控制换流站即可全部承担不平衡功率并维持直流电压稳定。当换流站功率调节能力无法满足需求时，将进入下垂运行模式。

（2）下垂运行模式下，G-VSC控制策略发生改变，由定直流电压控制变为直流电压直流电流下垂控制，同时由各端换流站共同承担功率调节压力。

（3）限流运行模式下，系统默认进行电压控制的换流站其功率调节能力达到极限，直流电压发生剧烈波动。此时，系统需要重新选择具有较大功率裕量的L-VSC换流站对直流电压进行控制，维持系统功率平衡。[2]

3 系统仿真分析

为了对前面文章中探讨的基于柔性直流系统实现风电基地的功率外送问题进行深入分析，我们可以利用Matlab/simulink仿真系统。在建立的仿真系统中，可将火电厂和风电场视为等值机组。下面我们对不同位置的扰动情况进行仿真：

3.1 G-VSC端负荷发生扰动

在仿真过程中，人为的在G-SVC端L1三秒时负荷由300MW下降200MW，在11秒时再下降100MW。造成系统严重不平衡，进行限流运行模式。

通过对仿真系统采集处理获取的动态响应图进行分析发现，在3s时，由于G-SVC端负荷L1出现快速下滑，导致系统频率大幅上升，系统无法维持在自由运行模式，进而进入下垂运行阶段，为了维持送端电网频率质量，需要其余端换流站进行功率支援。系统直流电压在进行下垂运行阶段时会出现提升，而L-VSC1和L-VSC2在检测到直流电压上升信号后，根据下垂控制策略增大受电需求，而W-VSC则根据下垂控制策略降低馈入系统的功率。最终结果是G-VSC将电网中多余的电能释放至直流网络并实现消纳，有效缓解了扰动对送端电网正常运行造成的影响。

在11s时，负荷L1进一步下降，VSC-MDTC系统的功率不平衡情况恶化，虽然由多端换流站共同进行功率协调，但G-VSC换流站自身功率容量仍然无法满足直流电压的控制需求。所以VSC-MDTC系统只能进入限流运行状态，系统中L-VSC1换流站根据直流电压/有功功率下垂控制策略进行快速切换。

3.2 W-VSC端的风速变化

人为调整风电场初始风速为8m/s，在3秒时，人为调整风速为9m/s，在13秒时降为7m/s。两次调整都造成了风电功率的突变，致使系统内功率波动。在风速变化时采取相应调整策略，当风速突增时，风电场功率上升，为保持系统稳定，G-VSC换流站需要进行功率支援来维持电压稳定，但由于系统频率上升达到进入下垂运行模式条件，根据相关策略需要由各端换流站对不平衡功率进行分担。G-VSC根据下垂策略升高直流系统电压，而L-VSC在直流电压/有功功率下垂策略控制下，增加部分功率输出，降低了直流电压波动，缓解了G-VSC的功率调节压力，同时也有效遏制了G-VSC侧频率的上升。

3.3 L-VSC端的负荷发生变化

在仿真系统运行过程中人为调整负荷，先于3s时增加至400MW，再于13s时降低至200MW，造成本端电网的功率扰动及频率变化。采用相应控制策略后系统，在3s时，由于负荷增大导致L-VSC端电网负荷波动，超出承受能力，造成该端频率下滑，在采取相应控制措施后，L-VSC端增大受电需求，由G-VSC提供功率支持，但直流电网电压快速下滑，而L-VSC和风电机组根据电压变化，在下垂策略控制下调整有功输出，进而分担了G-VSC的功率调节压力，提高了L-VSC端的频率。

4 结束语

在上面文章里，我们对大容量风电基地通过多端柔性特高压直流输电系统实现功率外送的仿真问题进行了深入探讨，受篇幅限制只是对在扰动情况下系统的协调控制进行了分析，实际应用过程中，还存在很多问题需要深入研究，诸如风电場的功率协调控制策略、交直流混联系统的应用等。

参考文献

[1]杜培东，王维洲，刘福潮.大容量风电基地通过多端柔性特高压直流输电系统实现功率外送的仿真分析[C].甘肃省电机工程学会学术年会，2014：10-15.

[2]朱艺颖.大规模风电直流外送系统的仿真与协调控制策略研究

[D].华北电力大学，2014：20-34.