基于LCC-MTDC的風電并網研究

耿秀明 李永軍

摘要：我國風能資源呈區域化分布，大型風電基地一般都遠離電力負荷中心，多端直流輸電系統MTDC是電網規模化、集約化的有效方法。現對多端直流輸電技術進行分析，構建了基于相控換流技術的多端直流供電系統LCC-MTDC，并建立相應的數學模型，利用PSCAD建立系統模型并在風速波動情況下進行仿真研究，驗證所構建系統及其控制的有效性。

關鍵詞：風電并網;多端直流;MTDC

0? ? 引言

高壓直流輸電HVDC技術能夠實現單個風電場與單個交流電網的并網，隨著電力系統規模化、集約化發展，各電網之間的交互連接已成為發展的必然趨勢。目前國內電力能源呈現區域性分布且大多遠離用電中心，多端直流輸電系統MTDC能夠實現多個電力能源與多個用電負荷的互聯，極大程度地降低因電力能源故障所造成的電能短缺問題，為社會生產生活提供更高質量的電力保障。

多端直流輸電系統由多個換流站及中間連接的高壓直流輸電線路構成，其連接方式有并聯、串聯及串并聯混合式等。并聯式MTDC直流電壓等級相同，各站的功率輸送通過電流控制實現;串聯式MTDC直流電流等級相同，各站的功率輸送通過電壓控制實現;串并聯混合式MTDC連接形式靈活，但相對控制復雜。相比較來說，并聯式MTDC的線路損耗小，調節范圍大，擴建方便，人們更傾向于并聯式多端直流輸電。

1? ? LCC-MTDC風電技術

1.1? ? LCC-MTDC結構

多端直流輸電系統一般是依托現有交流電網構建的，這樣可以節約成本，縮短建設周期。目前，我國的風電場已超大規模化，容量高達數千兆瓦級。基于晶閘管的相控換流技術LCC能夠解決超大容量風電場的并網運行問題。依托現有800 kV直流輸電線路，構建四端直流輸電系統，結構如圖1所示。

雖然基于雙饋電機的風電并網能夠實現有無功的解耦控制，但因相控換流器對換相角的要求較嚴格，這里每個風電場接入一穩定交流系統保證換流器正常工作。

1.2? ? LCC-MTDC數學模型

系統采用12脈波換流器，以一階慣性環節表示，時間常數T1，增益G1，則換流器的表達式為：

反饋環節測量直流網絡電流Id并給出相應的換流器對應電流值Im，表達式為：

以定電流控制的換流器控制框圖如圖2所示。

直流網絡用T型等效電路來代替，等效電路如圖3所示。

則直流網絡數學模型可表示為：

由此可推導出基于LCC-MTDC的四端直流輸電系統的空間模型如圖4所示。

2? ? 仿真驗證

為驗證所建模型和控制器能否正常工作，利用PSCAD對系統進行建模仿真。風電場1和風電場2利用系統自帶風機模型，功率為1 GW;整流換流器1和逆變換流器采用定功率控制，功率分別為2 GW、1.8 GW、3.2 GW，相應的電流指令計算值為0.404 p.u.、0.398 8 p.u.、0.72 p.u.，電流裕度取0.1 p.u.;整流換流器2用來實現電壓控制功能，采用電流裕度控制。

設置風電場風速在1 s時刻出現陣風干擾，2 s后恢復正常風速10 m/s，系統仿真結果如圖5所示。

由圖5（a）（b）可知，隨著風速1的減小，風電場1輸出功率減小。風速2在增大到大于額定風速后，因槳距角的調節作用，風電場輸出功率基本限定在最大額定功率。隨著風速的恢復，輸出功率趨近原輸出功率。由圖5（b）（c）（d）可知，在風電場輸出功率發生變化時，對應的交流等效電源會發生功率波動，補償因風電場輸出功率變換而引起的換流器直流功率變化，使換流器直流功率基本保持不變。

3? ? 結語

本文對多端直流輸電技術MTDC進行研究，構建了依托800 kV直流輸電線路的四端直流輸電的LCC-MTDC結構，并進行建模分析，利用PSCAD建立系統模型并在風速波動情況下進行仿真研究，驗證了所構建系統的有效性，為后續研究大型風電的多端直流并網提供了依據。

[參考文獻]

[1] 周雙喜，魯宗相.風力發電與電力系統[M].北京：中國電力出版化，2011.

[2] 羅承先.世界風力發電現狀與前景預測[J].中外能源，2012，17（3）：24-31.

[3] 張凱，李庚銀，梁海峰，等.基于電壓源換流器HVDC系統穩態控制及仿真[J].電力自動化設備，2005，25（3）：79-82.

[4] 裴哲義，董存，辛耀中.我國風電并網運行最新進展[J].中國電力，2010，43（11）：78-82.

[5] 陳霞，林衛星，孫海順，等.基于多端直流輸電的風電并網技術[J].電工技術學報，2011，26（7）：60-67.

收稿日期：2020-01-02

作者簡介：耿秀明（1982—），女，內蒙古赤峰人，副教授，工程師，主要從事電氣控制、機械控制及教學研究工作。