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含有弱交流电网的电压源换流站直流电网分级控制策略
点击次数:890  更新时间:2019-07-04  【打印此页】  【关闭
国网天津市电力公司蓟州分公司、南京理工大学能源与动力工程学院的研究人员于永生、冯延晖、邱颖宁、贾建华、肖建超,在2019年第3期《电气技术》杂志上撰文,对含多个VSC的直流输电系统进行了讨论,对于VSC直流电网中含弱交流系统的复杂控制情况,本文提出了一种VSC直流电网协同分级控制策略。该控制策略根据交流强电网与换流站中间所隔输变电系统的数量将换流站的控制策略分级,所提控制策略在不同层级的控制中控制不同的变量。

本文对不同层级间的控制变量与系统动态响应的关系进行了讨论;然后对该控制策略的设计进行了比较优化,并对连接弱电网的不同VSC换流站承担电压和功率的控制进行了比较分析;最后在该控制策略中增加了直流侧稳压控制电路,该稳压电路能够提高整个直流系统和中间弱交流系统的稳定。

随着电力电子元器件应用技术的提高,直流输电以及直流电网已成为交流电网的重要补充。直流输电已在中国成功运行了多年,将中西部多余的电能输送到东部沿海地区。同时特高压直流输电正与特高压交流输电一起,将西部和北部的风电以及太阳能发电,源源不断的输送到东部的负荷中心,为国家的节能减排做出重要贡献。

在城市配电网中,由于空间有限,大部分的输电都采用电缆作为媒介。在较长距离的交流电缆输电中,采用直流输电的经济性更好一些,且直流输电比交流输电占用的空间小。电压源换流站(voltage source converter, VSC)的直流电网在整合风能与太阳能方面有较大优势,可以使风能太阳能平滑接入,独立控制有功和无功。鉴于此,基于VSC的直流电网能够作为城市能源互联网的重要组成部分。

随着直流电网的发展,直流电网与交流电网的联接和控制逐渐成为研究热点。唐欣等人分析了在VSC连接到弱电网的情况下,基于小信号稳定分析了影响无源网络传输容量的因素,并引入前馈控制增大线路电阻,提高了系统传输容量。

文献[4]提出采用虚拟母线的方式来提高VSC连接到弱电网的动态稳定性和响应能力,在电网与公共连接点(PCC)设置一条虚拟母线,该母线将弱电网和PCC之间的阻抗分为两个部分,使得VSC向一个类似于强电网的虚拟小阻抗的网络供电。Middlebrook稳定性判据也应用于分析了柔性直流输电直流侧稳定性和交直流互联时的稳定性,并用于设计了控制参数。

郭玥等人采用PSCAD/EMTDC对柔性直流输电在城市配电网中的应用进行了仿真分析。文献[7]建立了含有多端柔性直流输电的交直流混合输电模型。文献[8]研究了VSC-HVDC(high-voltage direct current, HVDC)系统参与交流电网的黑起动能力。

文献[9]考虑了控制变量的调整,建立了一个VSC-HVDC向弱电网供电的线性模型,文献[10]基于文献[9],建立了VSC-HVDC两端均连接弱电网的模型。文献[9]和文献[10]建立了VSC和弱电网连接的同步联接算法模型,但该模型中仅考虑一条VSC-HVDC直流输电系统,没有考虑到弱电网连接多条VSC-HVDC系统的情况。

文献[11]所述的卸荷电路不仅可以在系统故障时消耗多余的功率,防止电力系统发生过电流和过电压,同时也可以用于直流系统起动时系统的超调量及过电压控制。目前的柔性直流输电大都采用前馈解耦控制,特别是在与弱交流电网连接中,前馈解耦控制中q轴电流和d轴电流与系统的稳定性紧密相关,文献[12]研究了当VSC连接弱电网时有功功率和无功功率与q轴电流和d轴电流的关系。

目前的关于柔性直流输电和弱电网相连接的文献大都针对单条柔性直流输电向弱电网供电的情况,弱电网向柔性支流输电的情况少有研究。当柔性直流输电向弱电网供电,并且该弱电网又同时向柔性直流输电供电的情况下,即两条柔性直流输电中间有一个交流弱电网,涉及该种情况的相关文献相对较少。

对于弱交流系统与多换流站的连接情况少有研究。本文讨论了VSC直流电网中两个换流站与弱电网进行能量交换的情况。以无源网络连接两条VSC-HVDC输电系统的模型为例,考虑了直流电网中弱交流电网的动态特性,对直流电网中多换流站运行特性进行了仿真分析,提出了一种分级控制策略。

1 含多个VSC的直流输电系统运行特性对VSC直流电网可以采用两种方式构成
1)第一种为所有换流站之间均由直流联络线连接,即VSC-HVDC中直流输电线通过扩展(并联和串连)组成。该种连接方式中,整个电力网络系统中均为直流输电。因交流输电与直流输电采用的输电线路参数型号不同,所以该种网络系统需要重新建设系统网络,该种输电系统适用于新城区的规划建设。

2)另外一种是基于现有的交流系统,在已有的交流系统中,接入若干直流输电线路,该种方式适用于当前技术的改造升级,不需要拆除原有交流输电线路,仅当现有交流输电系统输电容量不满足使用需求的情况下,增加若干条直流输电线路馈入交流输电系统,这种情况在目前的技术应用中较容易实现,尤其是在城市能源互联网配电系统中可以较容易实现。

随着负荷的增大,直流输电系统会逐渐增多,若整个系统中直流输电占较大部分,则可以称该网络为直流输电网络。随着系统的逐渐复杂,系统中会出现VSC换流站通过交流系统连接的情况:①若用于联结换流站的交流系统为强电网时,则可将整个直流电网看成由多个两端VSC-HVDC输电系统组成的直流输电网;②若用于连接VSC换流站的中间交流系统为弱电网,如图1和图2所示情景,则VSC换流站的控制方法有别于两端VSC-HVDC输电系统中的控制,需要重新进行设计。

在目前城市能源互联网的情况下,采用风能、光能以及其他形式的能源供电时,在系统中由于天气情况变化,旋转机组无法出力,就会出现图1和图2所示场景。在该种网络供电情景中,中间交流系统为交流弱电网,该电网电源均由VSC换流站提供。同时,基于电网的N1准则,该交流弱电网会由两条VSC-HVDC来进行供电,该弱交流电网联接换流站数量大于1。

鉴于VSC-HVDC是允许能量双向流通的,该系统也存在这样一种情况,弱交流电网向某个VSC换流站供电的情况,即连接换流站的两个换流站中一个受电一个供电。在含有交流弱电网中间联络点的VSC直流电网,每个VSC之间互相影响,不能用单独考虑一条VSC-HVDC的运行情况来设计控制方法和控制策略。
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