論大容量風電高壓直流輸電系統功率外送仿真技術

張柳艷

摘 要：在下面文章里，我們簡單了解多端柔性特高壓直流輸電系統，并重點以其為基礎對大容量風電基地與系統并網實現功率外送仿真技術作為探討。

關鍵詞：大容量風電基地；直流輸電系統；VSC-MDTC

前言

目前風電單機容量已達到兆瓦級，風能利用率越來越高。國內風電基地的數量和規模都在與日俱增。將風電系統滲入整個電力系統對于改善電網系統結構、降低環境污染、減少資源消耗都有著重要的意義。但是由于風能具有方向、大小不確定性，經常導致風電機組瞬時負荷劇烈波動，在并網運行時對系統造成擾動影響，所以成為限制風電進一步發展壯大的難題。在下面文章里，我們通過對特高壓柔性直流輸電新技術進行了解，并對基于柔性直流輸電系統的大容量風電基地與系統并網實現功率外送仿真技術進行探討。

1 多端柔性特高壓直流輸電系統

多端柔性直流輸電系統VSC-MDTC是由兩端柔性直流輸電系統VSC-HTDC發展而來，通過VSC換流站與多條直流輸電線路將區域內多個用電負荷中心和電源連接在一起，在送電端與受電端均設置了換流站，由其實現功率的輸送、分配。VSC-MDTC系統即有柔性直流輸電的優點，又能將多個分布式電源聯網，很好的解決了如風電、光伏發電等新能源并網問題。對于拓寬電網負荷類型、綜合利用資源有著重要的意義。

在VSC-MDTC系統運行過程中直流電壓的穩定性直接決定著系統的運行特性和可靠性，所以會選擇一個換流站作為功率平衡節點對直流電壓進行穩定控制，而其余換流站則在整流或逆變狀態完成功率分配。SC-MDTC系統雖然在運行靈活性、可靠性等方面比雙端系統更具有技術優勢，但是由于拓撲結構更為復雜，所以保證運行穩定的控制策略非常復雜。[1]

2 不同擾動下系統的控制策略

功率擾動對系統的影響：

VSC-MDTC系統利用閉合環路直流線路構成中心呈環狀的拓撲結構，將直流環路設置在風電場附近，即縮短了直流線路長度，又降低了容量冗余造成的成本，同時可有效提高系統運行可靠性。在這里我們用W-VSC代表風電場換流站；G-VSC代表送端換流站；L-VSC代表受端換流站。在正常的運行過程中風電場換流站對匯集的風電場功率進行整流并輸送至直流環網，與本地電網換流站共同組成送端換流站，通過直流網絡將功率輸送至遠方負荷中心。為了保證系統直流電壓穩定性，我們選取功率調節能力強的換流站對直流電壓進行控制，在風電場端換流站通過恒壓恒頻控制策略來保證本端電網的電能質量；而剩余換流站則按照相關發電計劃，通過定功率控制策略實現功率合理分配。通過綜合考慮本地電網換流站功率裕量及交流電網電能質量，按照發生擾動后系統電網頻率變化情況，可將系統語系模式分為三類，分別是自由運行、下垂運行和限流運行，下面我們對三種運行模式的區分進行簡單了解。

（1）自由運行模式下，系統在控制范圍內可向用戶持續提供優質電能，當擾動發生時，系統默認的直流電壓控制換流站即可全部承擔不平衡功率并維持直流電壓穩定。當換流站功率調節能力無法滿足需求時，將進入下垂運行模式。

（2）下垂運行模式下，G-VSC控制策略發生改變，由定直流電壓控制變為直流電壓直流電流下垂控制，同時由各端換流站共同承擔功率調節壓力。

（3）限流運行模式下，系統默認進行電壓控制的換流站其功率調節能力達到極限，直流電壓發生劇烈波動。此時，系統需要重新選擇具有較大功率裕量的L-VSC換流站對直流電壓進行控制，維持系統功率平衡。[2]

3 系統仿真分析

為了對前面文章中探討的基于柔性直流系統實現風電基地的功率外送問題進行深入分析，我們可以利用Matlab/simulink仿真系統。在建立的仿真系統中，可將火電廠和風電場視為等值機組。下面我們對不同位置的擾動情況進行仿真：

3.1 G-VSC端負荷發生擾動

在仿真過程中，人為的在G-SVC端L1三秒時負荷由300MW下降200MW，在11秒時再下降100MW。造成系統嚴重不平衡，進行限流運行模式。

通過對仿真系統采集處理獲取的動態響應圖進行分析發現，在3s時，由于G-SVC端負荷L1出現快速下滑，導致系統頻率大幅上升，系統無法維持在自由運行模式，進而進入下垂運行階段，為了維持送端電網頻率質量，需要其余端換流站進行功率支援。系統直流電壓在進行下垂運行階段時會出現提升，而L-VSC1和L-VSC2在檢測到直流電壓上升信號后，根據下垂控制策略增大受電需求，而W-VSC則根據下垂控制策略降低饋入系統的功率。最終結果是G-VSC將電網中多余的電能釋放至直流網絡并實現消納，有效緩解了擾動對送端電網正常運行造成的影響。

在11s時，負荷L1進一步下降，VSC-MDTC系統的功率不平衡情況惡化，雖然由多端換流站共同進行功率協調，但G-VSC換流站自身功率容量仍然無法滿足直流電壓的控制需求。所以VSC-MDTC系統只能進入限流運行狀態，系統中L-VSC1換流站根據直流電壓/有功功率下垂控制策略進行快速切換。

3.2 W-VSC端的風速變化

人為調整風電場初始風速為8m/s，在3秒時，人為調整風速為9m/s，在13秒時降為7m/s。兩次調整都造成了風電功率的突變，致使系統內功率波動。在風速變化時采取相應調整策略，當風速突增時，風電場功率上升，為保持系統穩定，G-VSC換流站需要進行功率支援來維持電壓穩定，但由于系統頻率上升達到進入下垂運行模式條件，根據相關策略需要由各端換流站對不平衡功率進行分擔。G-VSC根據下垂策略升高直流系統電壓，而L-VSC在直流電壓/有功功率下垂策略控制下，增加部分功率輸出，降低了直流電壓波動，緩解了G-VSC的功率調節壓力，同時也有效遏制了G-VSC側頻率的上升。

3.3 L-VSC端的負荷發生變化

在仿真系統運行過程中人為調整負荷，先于3s時增加至400MW，再于13s時降低至200MW，造成本端電網的功率擾動及頻率變化。采用相應控制策略后系統，在3s時，由于負荷增大導致L-VSC端電網負荷波動，超出承受能力，造成該端頻率下滑，在采取相應控制措施后，L-VSC端增大受電需求，由G-VSC提供功率支持，但直流電網電壓快速下滑，而L-VSC和風電機組根據電壓變化，在下垂策略控制下調整有功輸出，進而分擔了G-VSC的功率調節壓力，提高了L-VSC端的頻率。

4 結束語

在上面文章里，我們對大容量風電基地通過多端柔性特高壓直流輸電系統實現功率外送的仿真問題進行了深入探討，受篇幅限制只是對在擾動情況下系統的協調控制進行了分析，實際應用過程中，還存在很多問題需要深入研究，諸如風電場的功率協調控制策略、交直流混聯系統的應用等。

參考文獻

[1]杜培東，王維洲，劉福潮.大容量風電基地通過多端柔性特高壓直流輸電系統實現功率外送的仿真分析[C].甘肅省電機工程學會學術年會，2014：10-15.

[2]朱藝穎.大規模風電直流外送系統的仿真與協調控制策略研究

[D].華北電力大學，2014：20-34.