±500kV柔直電網(wǎng)與新能源和常規(guī)發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制研究

張北±500kV四端柔直電網(wǎng)工程的送端張北站和康保站作為新能源外送的匯集站，分別連接大規(guī)模風(fēng)電場群，受端北京站和豐寧站分別作為新能源消納中心和柔直電網(wǎng)的功率平衡節(jié)點與華北地區(qū)交流電網(wǎng)相連接，豐寧站建有抽蓄機(jī)組為系統(tǒng)提供緊急功率支撐。整個工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)電場群出力間歇性、隨機(jī)性大，柔直系統(tǒng)直流電壓對多端有功功率的吞吐平衡量敏感性強，受端負(fù)荷中心對電能質(zhì)量要求高，這為柔直換流器、新能源風(fēng)電機(jī)組和抽蓄機(jī)組的控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對三者的協(xié)調(diào)控制展開研究，為柔直送端換流器設(shè)計了帶頻率附加控制的V-f控制，為風(fēng)電機(jī)組引入了以交流系統(tǒng)頻率波動量為參考信號的P-f下垂附加控制，為抽蓄機(jī)組設(shè)置了以受端交流網(wǎng)線路潮流波動量為參考信號的功率附加RTDS上搭建了硬件在環(huán)仿真模型進(jìn)行了驗證。仿真結(jié)果表明，在風(fēng)電場群發(fā)生超短期總體出力波動的情況下，送端換流器和風(fēng)電機(jī)組協(xié)同控制實現(xiàn)了風(fēng)電場群超短期總體出力的自平抑，同時抽蓄機(jī)組參與控制緩解了受端交流電網(wǎng)潮流的波動，三者協(xié)調(diào)控制促進(jìn)了風(fēng)電場群、柔直電網(wǎng)、受端交流電網(wǎng)三者之間的柔性連接，提高了系統(tǒng)的安力。關(guān)鍵詞:直流輸電；新能源；發(fā)電控制0引言遠(yuǎn)離負(fù)荷中心等客觀特點，為大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)消納和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?；陔妷涸葱蛽Q流器的柔性直流輸電技術(shù)，因采用全控型IGBT(insulatedgatebipolartransistor)元件，無換相失敗風(fēng)險，適應(yīng)性高、可控性良好，可以實現(xiàn)潮流的互聯(lián)提供了可行方案化多電平換流器(modularmultilevelconverter，MMC)的柔直換流站，更是以開關(guān)損11]高電壓大功率多端柔直輸電工程的青睞11]大大提高了中國風(fēng)電資源的利用率。目前在建的張北±500kV四端柔直電網(wǎng)工程，可將奧”貢獻(xiàn)重要力量。然而在柔直電網(wǎng)中，上送的有功功率和下網(wǎng)的有功功率平衡與否將會引起直流電壓的升高或降低，進(jìn)而影響柔直系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此在風(fēng)電經(jīng)柔直電網(wǎng)接入交流電網(wǎng)的電物理隔離而解耦，削弱了系統(tǒng)的慣量和阻尼[3,12-13]，也使得系統(tǒng)在負(fù)荷波動和故障工況下。目前已有專家針對柔直和常規(guī)機(jī)組的控制問題展開研究。文獻(xiàn)[1]表明了具有較強調(diào)峰能力和較快調(diào)節(jié)速度的水電資源在抑制系統(tǒng)功率波動方面的有效性。文獻(xiàn)[12]研究了風(fēng)電經(jīng)柔直上網(wǎng)并經(jīng)傳統(tǒng)直流外送的網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制策略，并在風(fēng)機(jī)中引入一次調(diào)頻特性和慣性控制環(huán)節(jié)的變功率附加控制參與送端電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)[13]通過利用風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)和多端柔直有功功率的協(xié)調(diào)為交流電網(wǎng)頻率變化提供支撐。上述文獻(xiàn)表明了風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的能力，但未考慮風(fēng)電場孤島運行工況和自身頻率波動時系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[14]研究了抽蓄機(jī)組的快速階躍調(diào)節(jié)功率能力能彌補火電機(jī)組爬坡能力的不足，可有效改善電網(wǎng)頻率質(zhì)量。張北±500kV柔直電網(wǎng)工程構(gòu)成了包含大規(guī)模風(fēng)電、抽蓄等多種能源的多端柔直環(huán)機(jī)組的快速調(diào)節(jié)功率能力和三者的協(xié)調(diào)控制平抑大規(guī)模純新能源風(fēng)電基地功率波動對系地區(qū)交流電網(wǎng)的柔性連接。1柔直電網(wǎng)與新能源和常規(guī)發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制作為世界上首個±500kV多端柔性直流電網(wǎng)工程[11]，張北柔直電網(wǎng)工程包含的張華北地區(qū)交流電網(wǎng)的潮流調(diào)節(jié)和豐寧地區(qū)的水能資源抑制柔直送端大規(guī)模風(fēng)電功率波動對柔直電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的擾動和沖擊。圖圖1張北±500kV四端柔直電網(wǎng)工程示意圖leDCpower1.2柔直電網(wǎng)控制技術(shù)柔性直流電網(wǎng)常常采用系統(tǒng)級、換流器級和觸發(fā)級分層控制的方法提高系統(tǒng)的可靠系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流電壓和頻率參考信號，全額匯集純新能源風(fēng)電基地上送的功率。在換流器級控制上，北京站、豐寧站換流器均采用常見的外環(huán)控制功率、內(nèi)環(huán)控制鑒于目前注入交流電網(wǎng)的無功控制多采用零無功控制方式，本文也暫不考慮柔直電鑒于目前注入交流電網(wǎng)的無功控制多采用零無功控制方式，本文也暫不考慮柔直電網(wǎng)與交流電網(wǎng)之間的無功電壓調(diào)節(jié)控制。對于送端張北站和康保站的換流器控制，由于要為孤島系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流電壓和頻率參考信號，因此張北站和康保站換流器均采用定交流電壓和定頻率控制(即V-f控制)。為考慮張北地區(qū)和康保地區(qū)風(fēng)電場群出力波動對系統(tǒng)的影響，在其V-f控制基礎(chǔ)上，分別引入變頻率附加控制環(huán)節(jié)，通過感知風(fēng)電場群整體出力的變化而調(diào)節(jié)V-f控制圖圖2柔直電網(wǎng)受端換流器控制策略treceivingendofflexibleDCpowergridl。圖3柔直電網(wǎng)送端換流器變頻率附加控制技術(shù)ntarycontroltechnologyofconverteratlexibleDCpowergridwind_refwwind_ref分別為風(fēng)電場群上送柔直電網(wǎng)總體出力的windTotal目標(biāo)值、實際值以及二者之間的偏差量；K為送端換流器頻率控制的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)；ff、?f、fMMC_refMMCMMC_set1.3風(fēng)電機(jī)組附加頻率控制風(fēng)機(jī)可通過自身的功率—頻率下垂特性和慣性特性為系統(tǒng)頻率變化提供阻尼[12,16]但鑒于風(fēng)機(jī)慣性調(diào)頻能力的短時性和有限性[13]，本文考慮只將功率—頻率的下垂特性風(fēng)電場群在具備一定的平抑系統(tǒng)頻率波動水平的同時減少不必要的棄風(fēng)，按照出力相關(guān)性將風(fēng)電場群中一部分機(jī)組(A區(qū)域)設(shè)置運行在最大功率跟蹤(maximumpowerpointf控制環(huán)節(jié)，其參與P-f下垂控制時通過預(yù)留機(jī)組容量運行。當(dāng)A區(qū)域風(fēng)機(jī)出力變化造成系統(tǒng)頻率波動達(dá)到一定程度時，B區(qū)域風(fēng)機(jī)啟動P-f下垂附加控制響應(yīng)系統(tǒng)頻整個風(fēng)電場群總體出力的波動，具體控制框圖如圖4所示。圖圖4風(fēng)機(jī)附加頻率控制技術(shù)roltechnologyofwindturbines圖4中，f、f、?f分別為孤島系統(tǒng)頻率的參考值(即50Hz)、實際值和二者refh分別為P-f下垂附加控制動作死區(qū)的上下限閾值，為避免lctrlwindB、?P0、?P0windB_realwindBwindB_realwindA_real值得注意的是，上述過程中各區(qū)域風(fēng)電機(jī)組出力不超過其當(dāng)前時刻理論上能發(fā)出的1.4抽蓄機(jī)組功率附加控制當(dāng)風(fēng)電場群總體出力波動時，由于北京站采用定有功控制，因此風(fēng)電功率的波動情況通過豐寧站全部實時反饋到豐寧—金山嶺線路，即豐寧—金山嶺線路潮流將隨著風(fēng)電場群出力的增減而波動。豐寧站的抽蓄機(jī)組在平抑華北地區(qū)交流網(wǎng)潮流波動、為柔直系統(tǒng)提供緊急功率支撐抽蓄機(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力平抑豐寧—金山嶺線路潮流的波動，維持交流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行?？紤]到抽蓄機(jī)組發(fā)電工況下調(diào)節(jié)出力時水門連續(xù)頻繁開啟會對機(jī)組本身造成一定損耗以及由此帶來的經(jīng)濟(jì)性的影響，本文利用豐寧抽蓄機(jī)組的階躍調(diào)節(jié)能力響應(yīng)豐寧—圖圖5抽蓄機(jī)組功率附加控制技術(shù)ltechnologyofpumpingunitsload_l為抽蓄機(jī)組功ctrl為抽蓄機(jī)組功hydro率附加控制的功率調(diào)節(jié)系數(shù)，當(dāng)?P為正值時取-1，當(dāng)?P為負(fù)值時取1，即抽蓄loadloadctrl波動量；?P、?Pload_h機(jī)組對?Ploadhydro分別為響應(yīng)風(fēng)電場群總體出hydro力波動前后抽蓄機(jī)組的功率以及該過程中的階躍調(diào)節(jié)量，并且P需滿足其在發(fā)電工hydro功率約束：2仿真研究kV四端柔直工程模型，包含風(fēng)電機(jī)組控制器、抽蓄機(jī)組控制器的硬件在環(huán)仿真模型，對風(fēng)電場群出力總體波動工況下的柔直換流器、風(fēng)電機(jī)組和抽蓄機(jī)組的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行分析RTDS調(diào)節(jié)向孤島系統(tǒng)提供的交流頻率，寧—金山嶺線路初始潮流信號，當(dāng)波動量?P達(dá)到上下限閾值時，啟動功率附加控制load調(diào)節(jié)抽蓄機(jī)組功率以抑制豐寧—金山嶺線路潮流的波動。圖6張北±500kV四端柔直工程協(xié)調(diào)控制總框圖terminalflexible圖7張北±500kV四端柔直工程硬件在環(huán)仿真模型cludinghardwareofZhangbeikVfouralflexibleDCpowergridproject電場群B區(qū)域參與P-f控制時按裝機(jī)容量10%預(yù)留出力。在張北A區(qū)域風(fēng)電場群超短期 (0~4h)輸出功率波動情形下，分別針對張北風(fēng)電場群B區(qū)域風(fēng)電機(jī)組和豐寧常規(guī)張北風(fēng)電場群B區(qū)域風(fēng)電機(jī)組和豐寧常規(guī)抽蓄機(jī)組同時引入附加控制技術(shù)3種工況進(jìn)行12由圖8可知，在張北風(fēng)電場群超短期總體出力隨著A區(qū)域風(fēng)電機(jī)組出力降低(或增加)而降低(或增加)時，引入了P-f下垂附加控制的B區(qū)域風(fēng)電機(jī)組和張北站換流器均能夠協(xié)同控制相應(yīng)增加(或降低)B區(qū)域風(fēng)電機(jī)組的輸出功率，從而平抑了張北風(fēng)電場群超短期總體出力的波動程度。圖圖8不同工況下的張北風(fēng)電場群總體出力erdifferentoperating圖圖9不同工況下的豐寧—金山嶺線路潮流lineunderdifferentoperating由圖9可知，豐寧—金山嶺線路潮流隨張北風(fēng)電場群總體出力波動而變化。當(dāng)張北風(fēng)電場群超短期總體出力波動時，引入了P-f下垂附加控制的B區(qū)域風(fēng)電機(jī)組通過調(diào)節(jié)其機(jī)組功率有效緩解了豐寧—金山嶺線路潮流的波動程度；當(dāng)同時為豐寧常規(guī)抽蓄機(jī)組引入功率附加控制后，抽蓄機(jī)組在豐寧—金山嶺線路潮流波動達(dá)到其功率控制動作上下限門檻值時啟動附加控制迅速降低或增加出力，進(jìn)一步抑制豐寧—金山嶺線路潮流的波了華北交流電網(wǎng)潮流的調(diào)節(jié)，大大提高了受端交流系統(tǒng)的供電質(zhì)量和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運3結(jié)論本文以張北