多端柔性直流输电系统中换流站退出运行时直流功率再分配策略

面对化石能源的急剧消耗与环境治理的日益严峻,以风电为代表的新能源是实现能源与环境可持续发展的关键举措,近年来海上风电开发与应用取得重要进展,海上风电已成为风电发展的重要方向[1-4]。基于电压源型换流器的多端直流输电系统具有海底输电、黑启动、连接弱交流电网、可实现多电源供电等优势,是大规模海上风电接入陆上交流系统的有效并网方式[1,5-6]。基于电压源型换流器的多端直流输电系统(voltagesourceconverterbasedmulti-terminalHVDC,VSC-MTDC)规划应用于大西洋风电与欧洲离岸风场10GW级海上风电并网工程[7-8]。

随着低惯量的新能源电场在电网中规模逐步扩大,以及采用VSC-HVDC系统实现交流电网分区的普及,交流系统的惯性水平正在不断降低[9]。文献[10]表明,美国西部联网系统的惯量水平已经连续10a降低,电力系统将面临低惯量带来的频率稳定问题。为此,合理设计VSC-HVDC系统,提升交直流系统频率稳定性是未来研究方向。作为一个极低惯量的电力设备,VSC本身并不具备系统调频能力。然而,VSC可以作为系统之间功率支援的媒介。当采用VSC-HVDC系统连接两个异步互联系统时,VSC-HVDC系统可以在外环加入恰当的频率附加控制器,使得在一端交流系统频率发生波动时,另一端交流系统的机组可通过VSC-HVDC系统传递或消纳有功功率,从而增大频率波动端系统的惯量,提升频率波动端系统的频率稳定性[11-14]。文献[11]利用VSC-HVDC系统的可控性提高电网在故障恢复阶段的频率稳定性。文献[12]提出可以协调配合VSC-HVDC系统与发电机的调速器,从而增强送端系统的频率稳定性。文献[13]提出一种无需通信的互联系统附加频率控制策略,实现送受端系统在故障下的功率相互支援。在文献[14]中,作者将两端的相互功率支援拓展到了多端直流输电系统之间的功率相互支援,以维持多端直流输电系统各端交流系统的频率稳定。

目前大多数文献都仅关注交流系统发生有功功率波动的情况下,通过VSC的频率控制提升交流系统的频率稳定性能,而鲜有文献提及VSC发生故障退出运行对交直流系统安全稳定性能的影响。在VSC的传输功率较大并且交流系统惯量较小时,VSC发生故障退出运行同样会对交流系统产生严重影响,此时合理地将故障端VSC的功率分配至健全受端VSC能够有效地减小VSC故障退出对交流系统的影响。文献[15]对此种故障做了研究,并基于奇异值分解提出了最优的故障功率分配方法。然而这种方法在系统规模较大时,其计算将十分复杂,实施的可行性较低。

本文将基于大容量海上风电场通过多端柔直接入岸上交流电网结构,研究岸上VSC换流站故障退出后,MTDC系统直流功率优化再分配策略。本文考虑转移功率能否被故障端VSC所在交流电网消纳2种不同情景,通过合理地重新配置各受端VSC控制器的参数与利用风电场的桨距角控制以及虚拟惯量控制,减小换流站退出功率冲击对岸上电网频率稳定的影响。最后通过39节点系统仿真验证直流功率再分配策略的有效性。

1、含风电场的VSC-MTDC模型介绍

含海上风电场的典型VSC-MTDC输电系统如图1所示。海上风电场群由多个海上风电场构成,

每个风电场装设有多个风力发电机来进行风力发电,下文以双馈感应电机(double-fedinductiongenerators,DFIG)为例。风电场产生的总电功率Pw通过N个岸上受端换流站将风电馈入M个相互之间异步的交流电网。

对于所研究的海上风电场接入交流电网的情景,较为合理的控制方法是,所有的岸上受端换流站均参与直流电网的功率稳定,因此本文中N个岸上的换流站均采用有功-电压的(P-U)下垂控制[5]。这样,直流功率在换流站间的分配由下垂曲线决定。图2为换流站中P-U下垂控制器,下标i代表与换流站i有关的量,其中：erri为PI控制模块的输入;kpi为下垂控制中的斜率系数;P∗dciPdci∗和U∗dciUdci∗分

别为换流站i设定的直流功率、直流电压参考值;Pdci和Udci分别为对应换流站i直流功率和直流电压的实测值。

2、换流站退出时直流功率重分配策略

2.1 功率重分配的情景分类及优化目标

对于图1所示的VSC-MTDC系统,当某个岸上换流站x发生故障退出运行时,由于其余N-1个岸上换流站均采用了下垂控制,原先换流站x传输给交流系统的有功功率Pdcx将在N-1个岸上换流站内自动地进行重新分配,本文称这种分配机制为下垂控制的自然分配。然而实际上,换流站x故障退出,对惯量水平较低交流系统的频率稳定性影响较大,这种自然分配机制存在着优化的空间。图1中受端交流系统由M个相互异步的交流电网构成,为缩小故障的影响范围,需保证相互异步的受端电网之间的交互影响尽可能地小。因此在发生换流站退出故障后,其余岸上换流站的下垂控制参数进行重配置,以保证转移功率能够由换流站x所在受端交流系统内的其余换流站进行消纳,而异步电网中的其余换流站输出功率尽量保持不变。

按照上述的优化要求,对直流功率重分配可能发生的情景可分为如图3所示的2种情景。

情景1。同受端系统的其余换流站能够完全消纳,即换流站x的转移功率能够被其本身所在受端交流系统内的其余换流站完全消纳。在此情况下,本文提出在保证转移功率被换流站x所在受端交流系统完全吸纳的前提下,以提升受端交流系统频率稳定性为目标,优化其余换流站的分配比例。如图3(a)所示,下文简称为自消纳情景。