含风电接入多端直流输电系统的建模仿真

第39卷第2期㊀

东北电力大学学报Vol.39,No.2

2019年4月Journal Of Northeast Electric Power University Apr,2019

收稿日期:2018-12-15

基金项目:国家自然科学基金联合项目(U186601);吉林省教育厅科技项目(JJKH20180444KJ)

第一作者:李㊀硕(1985-),男,在读硕士研究生,主要研究方向:多端柔性直流输电

通讯作者:钟㊀诚(1985-),男,博士,副教授,主要研究方向:电力电子化电网稳定性分析与柔性控制

电子邮箱:610535466@(李硕);zhongcheng@(钟诚);1393836527@(黄路恒);25875222904@ (郑雷);2506809648@(高玉喜)DOI:10.19718/j.issn.1005-2992.2019-02-0039-08

含风电接入多端直流输电系统的建模仿真

李㊀硕,钟㊀诚,黄路恒,郑㊀雷,高玉喜

(1.东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012;2.南京南瑞继电保护有限责任公司,江苏南京211100)

摘㊀㊀㊀要:阐述了风电入网的多端柔性直流输电系统的运行及建模,介绍了如何运用闭环控制器实

现多端直流输电系统的稳定运行,功率输出端接入风电机组,加入了风速变化及功率补偿研究系统波动

时的稳定性.在PSCAD /EMTDC 平台上建立了四端的柔性直流系统,其中两端为发送端,由一个电压源

端口以及一个风电机组端口组成,两端为受端电网,每个端口通过模块化多电平变流器完成电流交直流

的转换,汇入直流电网.各个换流站接收站级控制和系统控制的调控指令实现整个电网的协调运行,达

到风电接入电网稳态运行的目的.

关键词:双馈风机;模块化多电平变流器;多端直流;新能源并网

中图分类号:TM721㊀㊀㊀㊀文献标识码:A

基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)的多端高压直流输电(Multi -High Voltage Direct Current,HVDC)技术凭借其全控器件发展,体现出了传统输电模式所不具备的优点[1~2].各个端口可以独立控制有功功率和无功功率的输出,达到实时维持电网电压功率稳定的效果.在故障穿越能力上,多端柔性直流输电系统也可依靠灵活和经济的特点,完成各端口的互动,保证可靠输出以及可靠供电.随着技术的进步,VSC -MTDC 系统被广泛认可为最具潜力的电力传输方式[3].对于风电接入多端柔性直流输电的研究已经有二十余年的成果积累.文献[4~5]通过模块化多电平换流器的结构及组成研究其并入大规模电网的可行性;文献[6~7]研究了VSC -MTDC 通过监控直流电压偏差控制电压,维护电网电压稳定的方法;文献[8~9]研究了将风电场当作无源网络,将电压设为定值来解决多端柔性支流的波动问题;文献[10~14]提出了分布式控制的方法,基于并网模式获得控制信息,综合调节下垂控制,提高系统稳定性;文献[15]通过高斯-赛德尔法修正参数,然后利用蒙特卡洛算法对风力发电的随机风速进行模拟,建立WTG 的出力模型.采用以自动隔离装置与手动隔离装置为边界的分块算法对IEEE RTS BUS 6系统的主馈线F4分块,然后对其进行可靠性评估,同时考虑了开关可靠性和风机的穿透率对配电网可靠性的影响,并采用全概率公式对接入风电机组后孤岛内负荷点的可靠性指标进行计算.在多能源供电以及多落点受电中,接入风电能源后对系统造成的影响,这种影响通过何种方式解决,是本文的研究重点.

根据国家对风力发电的要求,近年来对于柔性支流多端输电技术(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current System,VSC -HVDC)的研究已经投入试验研究阶段,包括广东南澳三端直流输电工程,浙江舟山海岛多端柔性直流工程,大连跨海柔性直流输电工程等建设投运的工程等.

本文构建了四端MMC -MTDC 多端柔性直流输电系统,共两个功率发送站,一端为风机电站,另一

端为稳定交流源,两个功率接收站为模拟的交流负荷电网.每个端口通过站级控制的MMC 换流站,根据参考值提升功率接入电网.在PSCAD /EMTDC 上设计并仿真系统,在稳态运行的同时模拟了风机输出波动时系统的状态及加入功率补偿后系统的运行情况,验证了风电并网的多端柔性直流输电系统的稳定性.

1㊀四端MMC -MTDC 整体结构

本文使用的多端直流输电系统结构,如图1所示.风机端由双馈风力发电机模型组成,产生的能量由双馈风机中的变流器调控加载到额定有功标准后导通启动传输,经过端级控制的模块调制出额定的有功功率后在MMC 换流站进行变流,变为直流电后进入系统传输至交流电网侧.每个MMC 换流站的输出根据输入的参考值做出调整后连入电网.每个端级接口都连接两个MMC 换流器,是为了保证电网连接的真双极特性,有助于换流站出现故障时维持端口运行

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图1㊀风机并网多端柔性直流输电系统结构图

对于图1的多端系统,为维持系统稳定,需要对各个端口进行控制量的选择,使得每个端口可以根据运行的特点制定控制方式,本文应用端级控制中的闭环控制器对端口的输出进行控制.闭环控制器的原理,如图2所示

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图2㊀端级闭环控制原理图

闭环控制器由两部分组成,外环控制器和内环控制器.其中外环控制器根据端口的功能选择参考值,通过控制参考量控制该端口的常量稳定.外环控制器根据控制量的不同分为有功类控制与无功类控制,每个端口控制一个有功量和一个无功量.在本文的VSC -MTDC 中,外环控制器控制原理为将控制参

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考量与被控制量输入PI 调节器,将参考值与实际值的偏差量通过比例积分组合成控制量,从而控制实际值逼近参考值.在VSC -MTDC 输电系统中出于维持系统直流电压稳定性的考虑,必须有一个换流站采用定直流电压控制,起到维持系统电压稳定,承担系统波动的作用.风机电站应用的是定频率控制,风机电站作为功率输出,需提供稳定的交流输出和频率,使得传输功率稳定,因此定频率控制可以维持全网频率稳定.交流电网端采用定有功功率控制,保证端口有功功率稳定.

各端口根据控制方式的不同将相应的整合值输入内环控制器,内环控制器的作用为将传入的带有

耦合效应的交流电流参考值解耦.由图2可得根据控制方法的不同,通过解耦实现i d ,i q 对输入的有功量㊁无功量的分离控制,从而实现对输入的参考量的直接控制,将解耦后得到的直流电压数据转化为对MMC 控制的调制比和相移角,从而实现控制端级系统的功能.2㊀风电机组模型

双馈风力发电机通过其输出平稳,控制灵活的优点广泛使用,本文选择双馈风力发电机作为风机模型.双馈风力发电机经由定子侧,转子侧与电网相连,其中定子侧直接与电网相连,转子侧通过两个变流器连接电网.通过控制转子侧变流器的转差频率实现发电机的运行同时不影响定子侧的恒频输出

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图3㊀双馈风力发电机结构图

双馈风机主要由风力机部分,变流器部分和发电机部分构成.模型框架如图3所示.风力机以风速㊁风轮㊁传动系统为运行的主要模块.风力机的主要功能为实现能量转换,通过从叶片提取的风能转换为机械能,经传动系统输送至电机中.通过风机的研究可以得出风力机的输出功率与环境风速立方为正比关系,转速与风速成正比,风力机产生的风能随风速变化而改变.风力机的输出主要由风速㊁桨距角和风力机叶尖速度比决定.风力机输出功率与风速的关系为

P W =0.5ρπR 2C P (β,λ)V 3,(1)λ=ω㊃R /V .

(2)对应的输入机械转矩方程为T w =0.5ρπR 3C P (β,λ)V 2,

(3)公式中:ρ为空气密度;R 为风机叶片半径;β为风机桨距角;λ为风机叶尖速度比;ω为风机旋转角速度;V 为实际作用在叶片的风速;C P 为风机的风能利用系数.

风力机的输出功率与风速㊁风力发电机的机械参数㊁风力机旋转角速度和风能利用系数有关.其中桨距角,风机叶尖速度比与风能利用系数C P 的关系为

C P (β,λ)=0.22116λi -0.4β-5æèöøe -12.5λi .(4)

传动系统的作用为将发电机的机械转矩传输至发电机,由三阶电机提供机械能并入电网.

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