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、多落點受電的靈活電力系統(tǒng)，適用于大規(guī)模可再生能源的并網(wǎng)與消納。當(dāng)前VSC-MTDC系統(tǒng)對控制策略的要求日益提高。
1）大規(guī)模新能源通過VSC-MTDC系統(tǒng)并網(wǎng)時，一般對大規(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，換流站將失去對所傳輸有功功率的主動控制能力，只能被動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、負荷端功率調(diào)整等正常運行工況，以及可能出現(xiàn)的負荷端交流接地故障、換流站閉鎖等非正常運行工況下，若直流電網(wǎng)無法及時消納并網(wǎng)新能源功率，新能源電網(wǎng)有功功率波動將直接引起直流電壓的波動，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）對于輻射狀VSC-MTDC系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲下輻射中心電壓穩(wěn)定時，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，而并不會對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單。環(huán)狀VSC-MTDC系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)中，若通過調(diào)節(jié)某一端換流站的直流電壓來改變其傳輸?shù)挠泄β剩厝粫ο到y(tǒng)中其他換流站的直流電壓產(chǎn)生影響，進而影響其他換流站所傳輸?shù)挠泄β剩y以獨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，實現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定控制是新形勢下VSC-MTDC系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題之一。
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的電壓裕度控制策略，直流電壓下垂及其改進控制策略。
1）主從控制策略及其改進的電壓裕度控制策略均屬于單點電壓控制策略，任意時刻只有單個換流站參與功率調(diào)節(jié)，對直流系統(tǒng)傳輸功率的動態(tài)調(diào)節(jié)能力不足，直流系統(tǒng)的功率波動容易引起較大的直流電壓波動，直流電壓動態(tài)穩(wěn)定性較差。
2）直流電壓下垂及其改進的控制策略利用多個或者全部換流站承擔(dān)功率平衡及電壓穩(wěn)定的功能，直流電壓動態(tài)特性較好，但存在穩(wěn)態(tài)傳輸功率精度不足和動態(tài)傳輸功率偏差較大的問題。
03、VSC-MTDC主動功率平衡協(xié)調(diào)控制策略
主動功率平衡協(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；對傳輸功率具有強迫要求的換流站，采取定有功功率控制，與無源網(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所示的主動功率平衡模塊計算主平衡站控制中的功率參考值Pbalance，通過調(diào)節(jié)Pbalance，可在保證直流系統(tǒng)具有良好動態(tài)調(diào)節(jié)特性的同時，使穩(wěn)態(tài)時電壓下垂控制站的功率參考值與實際傳輸功率值的總偏差量為零，保證直流系統(tǒng)運行在標(biāo)準電壓，輔功率平衡站按照參考值精確傳輸功率。
04、仿真驗證
在PSCAD環(huán)境下建立了如圖1所示的含孤島風(fēng)場的并聯(lián)環(huán)形四端VSC-MTDC仿真系統(tǒng)，通過仿真進一步分析各類協(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)生故障退出場景下，初始時系統(tǒng)穩(wěn)定運行，2 s時，VSC1因故障閉鎖，仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 VSC1退出時的仿真結(jié)果
由圖2可得，采用所提主動功率平衡協(xié)調(diào)控制策略時，動態(tài)過程中直流電壓波動量極小，功率調(diào)節(jié)時間與主從控制策略相近，且換流站的動態(tài)功率偏差僅為直流電壓下垂控制策略下的50%，穩(wěn)態(tài)時換流站可精確控制傳輸?shù)挠泄β省?
05、結(jié)語
基于對現(xiàn)有的多端協(xié)調(diào)控制策略下VSC-MTDC系統(tǒng)的動態(tài)/穩(wěn)態(tài)運行特性分析，提出了一種多端柔直電網(wǎng)主動功率平衡協(xié)調(diào)控制策略，具有以下優(yōu)勢。
1）主動功率平衡技術(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態(tài)傳輸功率偏差，大幅提高系統(tǒng)動態(tài)過程中以及達到穩(wěn)態(tài)后的傳輸有功功率精度。
2）主動功率平衡技術(shù)實現(xiàn)了在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中主動消除系統(tǒng)的不平衡功率，進而保證了穩(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)級的協(xié)調(diào)控制策略，適用于各種類型以及不同拓撲結(jié)構(gòu)的VSC-MTDC系統(tǒng)。
原文發(fā)表在《電力系統(tǒng)自動化》2019年第43卷第17期，歡迎品讀！
