柔性直流輸電技術在風電并網中的應用研究

劉延清

摘要：電力行業是保障民生最基礎最重要的行業，已經為我國經濟發展做出了重大貢獻。輸電系統作為電力行業的重要組成部分，一直是電力行業研究的重要課題。柔性直流輸電（VSC-MTDC）技術采用了電力電子的可控器件以及PWM調控技術，使得它比傳統的輸電方式更具有優勢。本文重要研究了柔性直流輸電技術在風電并網中的應用問題，希望對于相關工作者起到一定的啟示作用。

關鍵詞：電力行業;輸電系統;柔性直流輸電;風電并網中;應用

1.背景

電力經過幾十年地發展，很多技術已經很成熟了，現在中電承接的項目遍及世界上60多個國家和地區，極大地宣傳中國形象和中國實力。另一方面隨著經濟的發展，各行各業對電力的需求越來越大，因此如何進行電力傳輸是電力行業面臨的共同難題，在早些年前一直使用的交流傳輸技術，但是交流傳輸技術存在著很多問題，電力在傳輸的過程中，損失很嚴重，但是直流傳輸并不存在著這些問題，因此這些年直流傳輸技術取得了很大的發展。

同時柔性直流輸電（VSC-MTDC）技術是在高壓直流傳輸的技術的基礎上發展起來的，采用了全控器件，同時有著方便、靈活的優勢，很快在業界得到了廣泛的應用，本文在此基礎上重點研究了柔性直流輸電技術在風電并網中的應用問題，希望為柔性的技術發展貢獻一份力量。

2.VSC-MTDC控制策略概述

2.1 控制方法的分類

在電力行業，根據VSC之間的通信方式不同，可以將VSC-MTDC控制策略概括地分為兩類：第一類基于通信類型的控制系統，第二類基于無通信類型的控制類型。基于通信類型的控制方案一般采用的是主從控制的方式，具體的設計思路是將所有的換流站劃分為主站和從站的方式，其中主站的主要作用是用來當作平衡點，在控制系統中需要維持直流電壓的穩定以及系統中有功功率的平衡。但是當系統出現故障時，主站無法正常工作時，這時候需要從機代替從機來接受通信系統發送的通信信號，來控制系統的穩定性，同時改變系統的控制方式。

無通信的控制策略主要包括了兩種控制策略，第一種控制策略是電壓裕度控制（直流電壓偏差控制），第二類控制策略是直流電壓下垂控制。電壓裕度控制是在主從控制的基礎上進一步擴展得到的，它是采用多點直流電壓控制的控制策略，也就是在多終端柔性直流輸電系統中至少擁有兩個VSC，從而增強系統的直流電呀的控制能力。當系統工作發生故障時或者系統的運行負載得到飽和是，這時候系統能夠迅速切換工作模式，將端子切換到其他的其他的控制模式，同時系統的另一個變流器站能夠自動轉化到直流電壓控制模式。圖1為電壓裕度的外回路控制器的結構。

2.2 電壓裕度控制策略的缺點

電壓裕度的控制策略存在著很多的優勢，但是它在實際的運行過程中還是存在著很大的不足，具體表現在以下幾個方面。在系統實際工作中，只有一個VSC在工作來保證直流供電的電壓恒定，從而維修系統的功率保持平衡，但是在這種模式下，就會導致系統對于外部信號的響應過程會變慢。第二點，當系統的主控制器在開關的過程中，系統的電壓會在開關過程中產生一定的移位，這種移位信號會導致系統發生震蕩，從而影響系統的正常工作，同時當系統的潮流變化不穩定時，也會導致系統電壓等級偏差較大。第三點，如果系統的電壓裕度過大，這樣同樣會導致系統的直流電壓誤差過大，但是如果系統的電壓裕度選擇較小，但是這樣會造成電壓波動劇烈，會造成系統工作不穩定。最后一方面，如果系統的VSC較多時，這時候就會有很多的VSC作為備用，同時也可以選擇更多的裕度電壓，但是這樣會造成設計的復雜性，同時也會增加電壓的偏差程度。

2.3 直流電壓下垂控制

直流電壓下垂控制也是一種被廣泛使用的無通信的控制策略，它是主要應用于電力波動十分頻繁的柔性直流輸電系統。但是在實際工作過程中，它仍然存在著很多固有的缺陷。在使用直流電壓下垂控制策略很難精確控制系統的功率，同時該系統中的操作點也不固定，直流電壓下垂的斜率很大。

另外系統的功率分布特征相對較好，功率幾乎不會發生較大的波動，這樣就會導致電壓很容易發生偏移，導致系統的電壓質量變差，如果直流電壓超過系統的容限時，很容易造成系統發生癱瘓。另一方面，如果直流電壓下垂的斜率很小的話，這時候直流電壓波動相對較少，電力質量變好，但是系統的功率分配能力就會降低。

3.柔性直流輸電技術在風電并網中的應用

3.1 電壓裕度控制的實現

電壓裕度控制的實現過程是可以是通過模擬直流電壓控制和有源功率控制的切換過程。當恒定的直流電壓與控制PI控制器的輸出固定有功功率控制器相等時完成切換過程，這時候控制方式是相互排斥的關系。同時這種這種切換是可以通過一個滯后比較器實現的，因為控制器發生控制指令是在直流電壓超過電壓裕度值一段時間后才進行的，所以在電壓裕度值的兩側設置滯回比較器的兩個開關點。當過渡點達到時，K值通過一個斜率較大的線性函數在0（固定有功功率）和1（固定直流電壓）之間切換，以避免直接開關引起的抖動。

3.2 快速電壓裕度控制

電壓裕度控制包括3PI控制器（兩個固定直流電壓控制器和一個有源功率控制器）。轉換過程主要涉及到兩個階段，當有源功率PI控制器為有源時，將集成其他PI控制器。達到了極限值。為了完成開關，積分步驟從極限值到反向變化，直到它等于主動PI控制器的輸出。這種過慢的開關過程會導致直流電壓波動過大。可以通過快速電壓裕度控制采用雙曲函數實現快速切換來完成。

4.結語

綜上所述，直流輸電技術在未來有著良好的發展前景，同時柔性直流輸電系統以其獨特的優勢一定會在未來得到廣泛的應用。本文主要分析了幾種常用柔性直流輸電技術，希望對于相關工作者有一定的啟示作用。

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