一種大規(guī)模風電集中直流外送方案

一種大規(guī)模風電集中直流外送方案景天;王西田;沈嘉怡【摘要】為了提高風電的消納能力,提出了一種新的風電直流外送方案。方案利用直流功率調制的方法,降低了對風火打捆模式的依賴,并以下垂控制偏差作為參考,調整直流輸電系統(tǒng)的定電流參數(shù)值以控制直流輸電功率。設計了一套適用于上述技術的控制方案,并詳細敘述了方案的流程及具體實現(xiàn)步驟。最后通過PSCAD/EMTDC仿真驗證所設計的控制策略的有效性。期刊名稱】《電器與能效管理技術》年(卷),期】2015(000)009【總頁數(shù)】5頁(P50-54)【關鍵詞】風力發(fā)電;直流輸電;頻率偏差;下垂偏差控制;直流功率調制【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)條件的新能源技術之一。我國具有豐富的風力發(fā)電資源，但風能基地大多集中在我國的西北、東北等偏遠地區(qū)，遠離京津唐、長三角和珠三角等電力負荷中心。拓寬風電輸出渠道，在更大的范圍內消納風電，是解決風力資源和負荷分布不均衡的有效方法［1-3］。在大容量、遠距離輸電方面，直流輸電因具有線路造價低、有功損耗小、調節(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;另一種是基于絕緣柵雙極晶體管或門極可關斷元件的電壓源換流器型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術。前者在技術成熟、造價、電壓等級、輸電規(guī)模等方面都具有明顯優(yōu)勢，所以更為廣泛地應用在大容量遠距離的直流輸送當中［4］。由于風能具有間歇性、波動性和隨機性等特點，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，對風電進行調頻、調峰［6-7］。不少學者提出了風火組合的運行模式，目前已在現(xiàn)有工程中得到了廣泛應用。但也有研究指出，風火打捆的運行模式可能會造成風火發(fā)電權之爭。另外，在一些偏遠地區(qū)，由于資源和地形的限制，也可能不利于火電廠的建設［8-9］。本文在上述研究的基礎上，提出了一種基于下垂控制理論的大規(guī)模風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)模風電送出的穩(wěn)定性。風電直流集中外送的模型建立風電出力模擬及風電場模型風電出力的隨機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速的變化。風電機組輸出功率與風速直接相關。風電機組機械功率P和風速vw的關系如下：式中:P 空氣密度；Ar——轉子葉片掃風面積;Cp——轉換效率系數(shù)。Cp滿足關系：式中:a 常數(shù)；b——槳距角；入——轉子葉片速度和風速的比例，一般取2v入＜13。目前投運的大型風力發(fā)電機組有兩種類型:一種是基于異步發(fā)電機的固定轉速風電機組；一種是采用雙饋電機或通過變頻器并網(wǎng)的變速風電機組。前者在發(fā)出有功功率的同時會吸收無功功率，因此不具備調壓能力；而變速恒頻風電機組在發(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)需要在一定范圍內調節(jié)無功輸出本文在研究中考慮雙饋風電機組。一般風電場由多臺風電機組構成，但用詳細的拓撲結構和風電機組模型模擬風電場是非常困難的。文獻［10］介紹了兩種常用的風電場等值方法。本文采取第一種等值方法，即把風電場等值成1臺風力機作為原動機，帶動1臺發(fā)電機，并將所得等值風電機組的容量表示為所有風電機組容量的代數(shù)和，其輸入為平均風速。直流輸電系統(tǒng)的功率調制直流功率調制(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，通過調整直流傳輸功率的方式快速吸收或補償其所連接的交流系統(tǒng)的功率過剩或缺額。DCM根據(jù)調制幅度的不同，可以劃分為大方式調制和小方式調制［11］。利用直流系統(tǒng)的快速調節(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制功能，對小干擾下的系統(tǒng)振蕩進行有效抑制，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。頻率調制時的控制原理示意圖如圖1所示。圖1頻率調制時直流功率控制器控制框圖圖1中，Afs與Afk分別代表整流側與逆變側母線頻率與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行調節(jié)。基于下垂偏差控制的風電直流集中外送方案2.1下垂偏差控制的定義由于在風能實際送出過程中，裝置和調度均存在一定滯后和偏差，風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)運行工況也會造成設備可靠性降低。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)調頻的方法解決這個問題。在風電的集中直流外送系統(tǒng)中，若將送端系統(tǒng)的風電機組考慮為具有虛擬慣量的等值機組，系統(tǒng)受到風速擾動時，由于風電機組轉換風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)電機組出力；Af—系統(tǒng)頻率的改變；P——機組調差系數(shù)R的倒數(shù)。非穩(wěn)態(tài)時，機組輸入的功率與負荷要求的功率不匹配，為了保持功率平衡，機組的動能會發(fā)生改變（忽略機組內部損耗）。由于本文中將風電場等效為一臺原動機和一臺發(fā)電機，故可考慮為式中:pT——機組的輸入功率；PG——機組的輸出功率；△PL——負荷變動導致發(fā)電機輸出功率的增量；WK——機組的動能。在穩(wěn)態(tài)時，可以忽略擾動帶來的機組出力增量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)考慮為負荷，此時有PG=PDC,即機組出力與直流系統(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：)是當前運行狀態(tài)下附近一個可以穩(wěn)定運行的點;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)當日氣候、季節(jié)及實際運行狀態(tài)修正。通過式(5)可知，下垂控制偏差e的大小實際反應了系統(tǒng)功率及頻率的不平衡度?？梢酝ㄟ^設定電流參數(shù)來調節(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致的頻率變化。由于直流輸電功率在一定范圍內與定電流參數(shù)值Id成正比，即式中:K—比例系數(shù)。在系統(tǒng)運行過程當中，系統(tǒng)運行工況發(fā)生改變，導致控制偏差e的值高于或低于閥值時，控制Id從而改變送端系統(tǒng)的運行狀態(tài)。此時有下垂偏差控制策略在實際運行的過程中，由于控制裝置的動作及信號傳遞均有一定延遲，直流功率的調制無法瞬時完成，因此當控制偏差大于觸發(fā)閥值時發(fā)出信號，換流站接到控制偏差的調整指令，直流功率在調制結束后控制偏差會依然存在。由于風速變化是一個持續(xù)而不規(guī)則的過程，此時需要在一定時間內對控制偏差進行跟隨，當系統(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行更新，以適應晝夜和氣候變化等因素的影響，并減小設備在特定的短時間內頻繁改變運行工況帶來的負面影響。基于下垂控制偏差的風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電集中直流外送控制策略流程圖參數(shù)初始化。根據(jù)風電場特性、機組類型及規(guī)模、直流輸電系統(tǒng)容量等參數(shù)構建系統(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)閥值和關斷閥值、延遲時間。實時監(jiān)測等值風電場風速，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內跟隨直流傳輸功率，直到控制偏差小于關斷閥值。檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，跳轉環(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[12-13];自動調整無功補償投切及變壓器變比，保持系統(tǒng)交流側電壓基本不變。在算例中取p=20(MW/0.1Hz);Emax=25MW、emax=5MW;觸發(fā)延遲t0設定為7s。為方便參考，假設直流系統(tǒng)已在單極模式運行。下垂控制偏差信號如圖4所示，系統(tǒng)在t=4.0s左右時已進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，t=9.5s時孤島系統(tǒng)受到風速擾動影響，根據(jù)仿真計算e<-25MW,改變直流定電流參數(shù)并在t0=7s內跟隨，系統(tǒng)在t=17.3s左右時控制偏差小于關斷值，退出跟隨，并在t=18.5s左右進入新的穩(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)有功受風速擾動持續(xù)變化。圖5有功功率輸出曲線整流側與逆變側交流電壓如圖6所示，整流側與逆變側的交流電壓均在較短時間內恢復穩(wěn)定，且穩(wěn)定值與原穩(wěn)定值相差不大。圖6整流側與逆變側交流電壓由仿真結果可以得出結論，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行方式達到新的穩(wěn)態(tài)，并且能夠保持長期運行。該系統(tǒng)實現(xiàn)了直流孤島系統(tǒng)在小擾動下的穩(wěn)定運行。4結語(1)為了克服孤島運行方式下風能的直流外送受擾動響應明顯的問題，本文采用了直流功率調制的方法，利用電力系統(tǒng)的功率-頻率靜態(tài)特性(下垂特性)構造了送端系統(tǒng)的下垂控制偏差，形成了一種新的孤島運行控制方案。將下垂控制和直流功率調制運用于風力發(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)在一定范圍內的擾動下保持穩(wěn)定運行并進入新的穩(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行情況。在越限時由于受設備延遲和風速波動影響，需留有一定時間跟隨直流功率，直到控制偏差小于關斷值;在不越限時以一定周期更新直流功率參考值。兩種運行方式充分考慮了風速突變時的特性和晝夜天氣變化對風速變化的影響。該方案可行性較好，對直流輸電工程有應用參考價值?！緟⒖嘉墨I】[1]Globalwindenergyoutlook2010[R].Belgium:GlobalWindEnergyCouncil，Brussels，2010:1-10.[2]方創(chuàng)琳?中國風電發(fā)展目標分析與展望[J].中國能源，2007,29(12):30-34.[3]雷亞洲?與風電并網(wǎng)相關的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(8):84-89.[4]周宏林，楊耕?大型DFIG風電場的LCC-HVDC并網(wǎng)及控制[J].電力自動化設備，2009，29(7):8-12.[5]肖創(chuàng)英，汪寧渤，陟晶，等?甘肅酒泉風電出力特性分析[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)模風電接入對電力系統(tǒng)調峰的影響[J].電網(wǎng)技術，2010，34(1):152-158.郭小江，馬世英，申洪，等?大規(guī)模風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?風電消納能力分析評估系統(tǒng)的設計與應用[D]?北京:華北電力大學，2014.[9]代明，陳得治，嚴鳳，等?規(guī)模化風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，王毅?風電場常用等值方法的適用性及其改進研