一種大規(guī)模風(fēng)電集中直流外送方案

一種大規(guī)模風(fēng)電集中直流外送方案景天;王西田;沈嘉怡【摘要】為了提高風(fēng)電的消納能力,提出了一種新的風(fēng)電直流外送方案。方案利用直流功率調(diào)制的方法,降低了對風(fēng)火打捆模式的依賴,并以下垂控制偏差作為參考,調(diào)整直流輸電系統(tǒng)的定電流參數(shù)值以控制直流輸電功率。設(shè)計了一套適用于上述技術(shù)的控制方案,并詳細(xì)敘述了方案的流程及具體實現(xiàn)步驟。最后通過PSCAD/EMTDC仿真驗證所設(shè)計的控制策略的有效性。期刊名稱】《電器與能效管理技術(shù)》年(卷),期】2015(000)009【總頁數(shù)】5頁(P50-54)【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電;直流輸電;頻率偏差;下垂偏差控制;直流功率調(diào)制【作者】景天;王西田;沈嘉怡【作者單位】;;;【正文語種】中文【中圖分類】TM6140引言風(fēng)力發(fā)電是現(xiàn)今最成熟、最具有規(guī)模化開發(fā)條件的新能源技術(shù)之一。我國具有豐富的風(fēng)力發(fā)電資源，但風(fēng)能基地大多集中在我國的西北、東北等偏遠(yuǎn)地區(qū)，遠(yuǎn)離京津唐、長三角和珠三角等電力負(fù)荷中心。拓寬風(fēng)電輸出渠道，在更大的范圍內(nèi)消納風(fēng)電，是解決風(fēng)力資源和負(fù)荷分布不均衡的有效方法［1-3］。在大容量、遠(yuǎn)距離輸電方面，直流輸電因具有線路造價低、有功損耗小、調(diào)節(jié)快速等特點，往往比交流輸電更具優(yōu)勢。目前有兩種較為成熟的高壓直流輸電(HighVoltageDCTransmission，HVDC)方式:一種是基于晶閘管的電網(wǎng)換相換流型高壓直流輸電(LCC-HVDC)技術(shù);另一種是基于絕緣柵雙極晶體管或門極可關(guān)斷元件的電壓源換流器型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)。前者在技術(shù)成熟、造價、電壓等級、輸電規(guī)模等方面都具有明顯優(yōu)勢，所以更為廣泛地應(yīng)用在大容量遠(yuǎn)距離的直流輸送當(dāng)中［4］。由于風(fēng)能具有間歇性、波動性和隨機(jī)性等特點，大規(guī)模接入電網(wǎng)后，系統(tǒng)可能存在一定程度的頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定隱患［5］。為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常用的解決方案是增加其他電源，對風(fēng)電進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)峰［6-7］。不少學(xué)者提出了風(fēng)火組合的運(yùn)行模式，目前已在現(xiàn)有工程中得到了廣泛應(yīng)用。但也有研究指出，風(fēng)火打捆的運(yùn)行模式可能會造成風(fēng)火發(fā)電權(quán)之爭。另外，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于資源和地形的限制，也可能不利于火電廠的建設(shè)［8-9］。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于下垂控制理論的大規(guī)模風(fēng)電集中直流外送系統(tǒng)中換流站功率給定值的計算方法，提高了大規(guī)模風(fēng)電送出的穩(wěn)定性。風(fēng)電直流集中外送的模型建立風(fēng)電出力模擬及風(fēng)電場模型風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動性會給系統(tǒng)造成一定的沖擊，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，而其根本原因在于原動力風(fēng)速的變化。風(fēng)電機(jī)組輸出功率與風(fēng)速直接相關(guān)。風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率P和風(fēng)速vw的關(guān)系如下：式中:P 空氣密度；Ar——轉(zhuǎn)子葉片掃風(fēng)面積;Cp——轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。Cp滿足關(guān)系：式中:a 常數(shù)；b——槳距角；入——轉(zhuǎn)子葉片速度和風(fēng)速的比例，一般取2v入＜13。目前投運(yùn)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有兩種類型:一種是基于異步發(fā)電機(jī)的固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組；一種是采用雙饋電機(jī)或通過變頻器并網(wǎng)的變速風(fēng)電機(jī)組。前者在發(fā)出有功功率的同時會吸收無功功率，因此不具備調(diào)壓能力；而變速恒頻風(fēng)電機(jī)組在發(fā)出有功功率的同時可以發(fā)出無功功率，并且能夠根據(jù)系統(tǒng)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)無功輸出本文在研究中考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組。一般風(fēng)電場由多臺風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，但用詳細(xì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和風(fēng)電機(jī)組模型模擬風(fēng)電場是非常困難的。文獻(xiàn)［10］介紹了兩種常用的風(fēng)電場等值方法。本文采取第一種等值方法，即把風(fēng)電場等值成1臺風(fēng)力機(jī)作為原動機(jī)，帶動1臺發(fā)電機(jī)，并將所得等值風(fēng)電機(jī)組的容量表示為所有風(fēng)電機(jī)組容量的代數(shù)和，其輸入為平均風(fēng)速。直流輸電系統(tǒng)的功率調(diào)制直流功率調(diào)制(DCPowerModulation,DCM)，是指為了提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性，將附加直流調(diào)制器加入到直流控制系統(tǒng)中，并從交流系統(tǒng)中讀取系統(tǒng)電信號，通過調(diào)整直流傳輸功率的方式快速吸收或補(bǔ)償其所連接的交流系統(tǒng)的功率過剩或缺額。DCM根據(jù)調(diào)制幅度的不同，可以劃分為大方式調(diào)制和小方式調(diào)制［11］。利用直流系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)特性，可以改善交直流互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。美國西部太平洋直流聯(lián)絡(luò)線、印度的Rihand-Delhi直流輸電工程、瑞典-芬蘭海底電纜直流輸電工程都是利用小信號直流功率調(diào)制功能，對小干擾下的系統(tǒng)振蕩進(jìn)行有效抑制，從而提高了系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。我國的華中-華東多回路高壓直流輸電系統(tǒng)上也加裝了功率/頻率DCM控制器。頻率調(diào)制時的控制原理示意圖如圖1所示。圖1頻率調(diào)制時直流功率控制器控制框圖圖1中，Afs與Afk分別代表整流側(cè)與逆變側(cè)母線頻率與50Hz的偏差，將換流站母線的頻率偏差Qfs-Afk）作為控制環(huán)節(jié)的輸入信號，經(jīng)過微分、濾波、放大和限幅等環(huán)節(jié)后得到輸出信號APDC,從而對直流輸送功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。基于下垂偏差控制的風(fēng)電直流集中外送方案2.1下垂偏差控制的定義由于在風(fēng)能實際送出過程中，裝置和調(diào)度均存在一定滯后和偏差，風(fēng)能的特性決定了其實際出力總是在隨時變化中，因此一定程度的偏差和滯后可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，頻繁的改變系統(tǒng)運(yùn)行工況也會造成設(shè)備可靠性降低。此時可以考慮電力系統(tǒng)的頻率特性，利用類似電力系統(tǒng)調(diào)頻的方法解決這個問題。在風(fēng)電的集中直流外送系統(tǒng)中，若將送端系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組考慮為具有虛擬慣量的等值機(jī)組，系統(tǒng)受到風(fēng)速擾動時，由于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)換風(fēng)能和實際電磁功率的不平衡，將造成送端系統(tǒng)的頻率變化。當(dāng)電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，利用功率—頻率特性（即下垂特性）可以得到:式中:APG——發(fā)電機(jī)組出力；Af—系統(tǒng)頻率的改變；P——機(jī)組調(diào)差系數(shù)R的倒數(shù)。非穩(wěn)態(tài)時，機(jī)組輸入的功率與負(fù)荷要求的功率不匹配，為了保持功率平衡，機(jī)組的動能會發(fā)生改變（忽略機(jī)組內(nèi)部損耗）。由于本文中將風(fēng)電場等效為一臺原動機(jī)和一臺發(fā)電機(jī)，故可考慮為式中:pT——機(jī)組的輸入功率；PG——機(jī)組的輸出功率；△PL——負(fù)荷變動導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率的增量；WK——機(jī)組的動能。在穩(wěn)態(tài)時，可以忽略擾動帶來的機(jī)組出力增量APL,只考慮頻率變化引起的出力差異。但在非穩(wěn)態(tài)時，由式(4)可知，機(jī)組動能變化不可忽略，式(3)并不成立。如果將直流系統(tǒng)考慮為負(fù)荷，此時有PG=PDC,即機(jī)組出力與直流系統(tǒng)功率相匹配。由于直流功率幾乎不受頻率影響，此時可以定義下垂控制偏差:其中：)是當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下附近一個可以穩(wěn)定運(yùn)行的點;f(0)—般取額定工頻;作為直流系統(tǒng)功率參考值，可以根據(jù)當(dāng)日氣候、季節(jié)及實際運(yùn)行狀態(tài)修正。通過式(5)可知，下垂控制偏差e的大小實際反應(yīng)了系統(tǒng)功率及頻率的不平衡度?？梢酝ㄟ^設(shè)定電流參數(shù)來調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)功率，從而減小下垂控制偏差。若此時令e=0,即式(6)中，由于P<0,可知，當(dāng)f增大時，PDC也增大，故此時若系統(tǒng)頻率上升，直流傳輸功率也因之上升，可以降低由功率不平衡導(dǎo)致的頻率變化。由于直流輸電功率在一定范圍內(nèi)與定電流參數(shù)值Id成正比，即式中:K—比例系數(shù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中，系統(tǒng)運(yùn)行工況發(fā)生改變，導(dǎo)致控制偏差e的值高于或低于閥值時，控制Id從而改變送端系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。此時有下垂偏差控制策略在實際運(yùn)行的過程中，由于控制裝置的動作及信號傳遞均有一定延遲，直流功率的調(diào)制無法瞬時完成，因此當(dāng)控制偏差大于觸發(fā)閥值時發(fā)出信號，換流站接到控制偏差的調(diào)整指令，直流功率在調(diào)制結(jié)束后控制偏差會依然存在。由于風(fēng)速變化是一個持續(xù)而不規(guī)則的過程，此時需要在一定時間內(nèi)對控制偏差進(jìn)行跟隨，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，若控制偏差小于另一閥值則退出跟隨，具體實現(xiàn)方法如圖2所示。圖2一定延遲下的控制偏差由圖2可見，當(dāng)t=t1時，控制偏差大于觸發(fā)閥值Emax，向換流站發(fā)出指令并開始跟隨，保持跟隨觸發(fā)延遲tO后，直到小于關(guān)斷閥值emax時退出跟隨，即系統(tǒng)在t1vtvt2時處于跟隨狀態(tài)，在t=t2時退出跟隨。同樣，若風(fēng)速能夠長期維持穩(wěn)定或較小幅度改變，依然需要通過一定的周期對直流傳輸功率參考值進(jìn)行更新，以適應(yīng)晝夜和氣候變化等因素的影響，并減小設(shè)備在特定的短時間內(nèi)頻繁改變運(yùn)行工況帶來的負(fù)面影響。基于下垂控制偏差的風(fēng)電集中直流外送控制策略本文基于下垂控制偏差理論，將控制方法運(yùn)用于直流輸電定電流控制器中。其流程圖如圖3所示。圖3基于下垂控制偏差的風(fēng)電集中直流外送控制策略流程圖參數(shù)初始化。根據(jù)風(fēng)電場特性、機(jī)組類型及規(guī)模、直流輸電系統(tǒng)容量等參數(shù)構(gòu)建系統(tǒng)模型。閥值及下垂控制偏差模型建立。根據(jù)送端系統(tǒng)耐受能力、系統(tǒng)靜態(tài)特性確定控制偏差的計算公式及確定觸發(fā)閥值和關(guān)斷閥值、延遲時間。實時監(jiān)測等值風(fēng)電場風(fēng)速，直流輸電系統(tǒng)換流母線電壓頻率和直流傳輸功率，計算控制偏差數(shù)值。判斷控制偏差是否越限。若計算值未超過觸發(fā)閥值，則系統(tǒng)正常運(yùn)行，并以一定周期更新直流系統(tǒng)功率參考值;若計算值大于觸發(fā)閥值，則直接通過改變定電流參數(shù)值將控制偏差歸零，并在觸發(fā)延遲to內(nèi)跟隨直流傳輸功率，直到控制偏差小于關(guān)斷閥值。檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)(3)。算例分析為了驗證本文中利用下垂控制偏差的直流孤島系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制策略的正確性，選取CIGREHVDCBenchmark測試系統(tǒng)為研究對象，直流系統(tǒng)參數(shù)見文獻(xiàn)[12-13];自動調(diào)整無功補(bǔ)償投切及變壓器變比，保持系統(tǒng)交流側(cè)電壓基本不變。在算例中取p=20(MW/0.1Hz);Emax=25MW、emax=5MW;觸發(fā)延遲t0設(shè)定為7s。為方便參考，假設(shè)直流系統(tǒng)已在單極模式運(yùn)行。下垂控制偏差信號如圖4所示，系統(tǒng)在t=4.0s左右時已進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，t=9.5s時孤島系統(tǒng)受到風(fēng)速擾動影響，根據(jù)仿真計算e<-25MW,改變直流定電流參數(shù)并在t0=7s內(nèi)跟隨，系統(tǒng)在t=17.3s左右時控制偏差小于關(guān)斷值，退出跟隨，并在t=18.5s左右進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。圖4下垂控制偏差信號有功出力曲線如圖5所示。由圖5可見，在t=9.5~18.0s期間系統(tǒng)有功受風(fēng)速擾動持續(xù)變化。圖5有功功率輸出曲線整流側(cè)與逆變側(cè)交流電壓如圖6所示，整流側(cè)與逆變側(cè)的交流電壓均在較短時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，且穩(wěn)定值與原穩(wěn)定值相差不大。圖6整流側(cè)與逆變側(cè)交流電壓由仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，在t=9.5s時，系統(tǒng)受到擾動后根據(jù)計算下垂控制偏差的方式確定新的直流定電流參數(shù)，并按照控制策略以一定的短周期改變直流定電流參數(shù)，實現(xiàn)了直流輸送功率的跟隨。系統(tǒng)在小擾動下保持原有運(yùn)行方式達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，并且能夠保持長期運(yùn)行。該系統(tǒng)實現(xiàn)了直流孤島系統(tǒng)在小擾動下的穩(wěn)定運(yùn)行。4結(jié)語(1)為了克服孤島運(yùn)行方式下風(fēng)能的直流外送受擾動響應(yīng)明顯的問題，本文采用了直流功率調(diào)制的方法，利用電力系統(tǒng)的功率-頻率靜態(tài)特性(下垂特性)構(gòu)造了送端系統(tǒng)的下垂控制偏差，形成了一種新的孤島運(yùn)行控制方案。將下垂控制和直流功率調(diào)制運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電孤島系統(tǒng)的直流外送中，可以實現(xiàn)直流孤島系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)的擾動下保持穩(wěn)定運(yùn)行并進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。(2)在下垂控制偏差的環(huán)節(jié)中，考慮了偏差越限和不越限兩種運(yùn)行情況。在越限時由于受設(shè)備延遲和風(fēng)速波動影響，需留有一定時間跟隨直流功率，直到控制偏差小于關(guān)斷值;在不越限時以一定周期更新直流功率參考值。兩種運(yùn)行方式充分考慮了風(fēng)速突變時的特性和晝夜天氣變化對風(fēng)速變化的影響。該方案可行性較好，對直流輸電工程有應(yīng)用參考價值?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】[1]Globalwindenergyoutlook2010[R].Belgium:GlobalWindEnergyCouncil，Brussels，2010:1-10.[2]方創(chuàng)琳?中國風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)分析與展望[J].中國能源，2007,29(12):30-34.[3]雷亞洲?與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(8):84-89.[4]周宏林，楊耕?大型DFIG風(fēng)電場的LCC-HVDC并網(wǎng)及控制[J].電力自動化設(shè)備，2009，29(7):8-12.[5]肖創(chuàng)英，汪寧渤，陟晶，等?甘肅酒泉風(fēng)電出力特性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2010,34(17):64-67.張寧，周天睿，段長剛，等?大規(guī)模風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)調(diào)峰的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(1):152-158.郭小江，馬世英，申洪，等?大規(guī)模風(fēng)電直流外送方案與系統(tǒng)穩(wěn)定控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2012,36(15):107-115.[8]王云鵬?風(fēng)電消納能力分析評估系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[D]?北京:華北電力大學(xué)，2014.[9]代明，陳得治，嚴(yán)鳳，等?規(guī)?；L(fēng)電直流孤島外送的安全穩(wěn)定特性分析[J]?電網(wǎng)與清潔能源，2012,28(4):91-97.[10]蘇勛文，米增強(qiáng)，王毅?風(fēng)電場常用等值方法的適用性及其改進(jìn)研