摘要
新型電力系統(tǒng)背景下，未來中國面臨著遠(yuǎn)距離、大容量西電東送的重大需求?；谌嵝灾绷鞯膱F塊狀互聯(lián)大型西部送端直流電網(wǎng)可以實現(xiàn)西部風(fēng)、光、水、火等不同特性電源之間的互補調(diào)節(jié)，解決新能源出力的隨機性和波動性問題。在研究直流電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)模型、電磁暫態(tài)模型和協(xié)調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上，構(gòu)建西部送端直流電網(wǎng)的仿真系統(tǒng)，分析西部送端直流電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運行特性和暫態(tài)運行特性，以及大規(guī)模新能源出力波動對直流電網(wǎng)運行的影響。結(jié)果表明，面對交直流故障擾動引起的新能源換流站功率變化以及天氣原因引起的新能源出力波動，西部送端直流電網(wǎng)換流站之間可以進行功率協(xié)調(diào)，實現(xiàn)各類能源的緊急增援，降低擾動影響。因此，構(gòu)建西部送端直流電網(wǎng)可以實現(xiàn)大規(guī)模新能源的遠(yuǎn)距離、安全穩(wěn)定傳輸。
1 西部送端直流電網(wǎng)
1.1 直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
本文計算目標(biāo)年為2050年，研究邊界條件見文獻[24]。
依據(jù)西部送端電源特性和地理分布，本文構(gòu)建了西部送端直流電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。西部送端直流電網(wǎng)包含119座直流換流站，其中火電電源23座、水電電源16座、風(fēng)電電源23座、光伏電源9座、直流負(fù)荷48個。換流站額定功率均為10 GW，直流電壓等級為±1000 kV。西部送端直流電網(wǎng)共劃分為7個直流子網(wǎng)，直流子網(wǎng)間有通道相連。
1.2 直流組網(wǎng)技術(shù)
西部送端直流電網(wǎng)主要面向匯集和輸送大型新能源基地的能源，無常規(guī)的水電或火電聯(lián)合打捆外送。由于沒有常規(guī)電源提供短路電流，傳統(tǒng)的電流源換流器直流輸電（line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）無法穩(wěn)定運行。近年來，基于電壓源換流器技術(shù)的柔性直流輸電（voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC）可與弱交流電網(wǎng)甚至無源網(wǎng)絡(luò)互連，具有較強的電壓和功率調(diào)控能力，適合用于構(gòu)建直流電網(wǎng)。依托柔性直流輸電技術(shù)，構(gòu)建西部送端直流輸電網(wǎng)，能夠滿足電力由西部向中東部地區(qū)遠(yuǎn)距離和大容量輸送的重大需求。因此，本文采用基于VSC-HVDC的柔性直流技術(shù)進行西部送端直流組網(wǎng)。
2 直流電網(wǎng)模型
2.1 直流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型
VSC換流站是直流電網(wǎng)重要組成設(shè)備，一般包括聯(lián)結(jié)變壓器、無功補償、相阻抗、VSC換流器等，VSC換流站的穩(wěn)態(tài)潮流模型如圖2所示。
在進行潮流計算時，若VSC非平衡站采用定交流功率控制方式，給定的直流功率需要通過計算換流站交流部分得到。由VSC換流站模型可得
式中：Usys和Isys為換流站的交流電壓和注入電流；Psys、Qsys分別為交流系統(tǒng)向換流器輸出的有功功率和無功功率；Rt、Xt分別為聯(lián)結(jié)變壓器的電阻和電抗；Us、Ps、Qs分別為聯(lián)結(jié)變壓器副邊的交流電壓、有功功率和無功功率； Qf 為換流站無功補償容量。
進一步得到換流器側(cè)的電壓與功率分別為
2.2 直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)模型
2.2.1 直流電網(wǎng)模型
本文直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)模型共模擬了5類元件，包括換流器等效電流源、等效電容、直流線路RL串聯(lián)支路、直流線路對地電容、故障短路支路。直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)模型如圖3所示。
2.2.2 換流器模型
換流器等效電流源的電流值isci為注入直流電網(wǎng)的功率 Pdi 與直流母線電壓 Udi 之比，即
換流器等效電容電磁模型為
式中： Ceqi 為第i個換流站的等效電容。
2.2.3 直流線路串聯(lián)RL支路模型
將直流輸電線路分解為RL串聯(lián)支路和對地電容支路（見圖4），并建立電磁暫態(tài)模型，其他元件的電磁暫態(tài)模型與直流輸電線路類似。
直流線路串聯(lián)RL支路的電磁模型可表示為
式中：Rl、Ll分別為直流輸電線路的電阻、電感。
直流線路對地電容電磁模型可表示為
式中： Cl 為直流線路對地電容。
2.2.4 直流線路短路支路模型
直流線路經(jīng)過RL支路短路的模型如圖5所示，故障點將原線路分割成2條，短路支路的模型和直流線路串聯(lián)RL支路的模型相同。
2.3 直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制
2.3.1 直流子網(wǎng)-網(wǎng)內(nèi)協(xié)調(diào)控制
換流器控制系統(tǒng)是直流電網(wǎng)控制的執(zhí)行者，直流子網(wǎng)控制策略需要考慮多個換流站之間的直流電壓協(xié)調(diào)穩(wěn)定，非常復(fù)雜。直流電網(wǎng)系統(tǒng)控制方式主要包括主從控制、電壓下垂控制、主從式裕度控制和自適應(yīng)控制。
1）主從控制。主從控制是指柔性直流輸電系統(tǒng)中只有一個換流站控制直流電壓恒定，其余換流站通過控制有功進行功率分配。
2）電壓下垂控制。電壓下垂控制實質(zhì)上是定直流電壓控制和定有功功率控制的結(jié)合。當(dāng)系統(tǒng)有功功率出現(xiàn)不平衡時，直流電壓會發(fā)生變化，各個換流器根據(jù)自身的下垂系數(shù)進行功率調(diào)節(jié)，平衡系統(tǒng)有功功率，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當(dāng)任一換流站故障退出運行時，其余換流站仍具有獨立控制功率和穩(wěn)定直流電壓的能力。
3）主從式裕度控制。主從式裕度控制指主（從）站設(shè)置一定裕量的恒定電流（電壓）控制。當(dāng)定直流電壓控制端切出時，系統(tǒng)有功功率發(fā)生缺額，直流電壓變化，直流電壓裕度小的即優(yōu)先級高的定功率控制端將會切換成新的定直流電壓控制端，平衡功率變化，達到新的穩(wěn)定。
4）自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制方式下，各換流器負(fù)責(zé)自己的功率目標(biāo)，沒有換流器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的電壓。與交流系統(tǒng)的發(fā)電機出力和負(fù)荷自動調(diào)節(jié)類似，采用自適應(yīng)控制的換流器不能準(zhǔn)確定義功率的傳輸點，只能設(shè)定電壓-電流特性曲線，每一個換流器都需要給定一個負(fù)荷參考點。
2.3.2 直流電網(wǎng)網(wǎng)間協(xié)調(diào)控制
西部直流電網(wǎng)將多個換流站并入同一電網(wǎng)運行，實現(xiàn)其靈活調(diào)控、協(xié)調(diào)運行，發(fā)揮其功率匯集、轉(zhuǎn)運、外送功能優(yōu)勢，高度依賴直流電網(wǎng)的控制系統(tǒng)，需面向各級控制構(gòu)建多層級協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。多層級協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)共包括3個層級，功能架構(gòu)如圖6所示。各層級主要功能如下。
1）換流站本站控制?？刂齐妷涸磽Q流器與交流電網(wǎng)的有功、無功、直流側(cè)電壓等。
2）直流子網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)協(xié)調(diào)控制。協(xié)調(diào)子網(wǎng)各換流站，合理分配送電功率或負(fù)荷；優(yōu)化子網(wǎng)內(nèi)部潮流分布；改善子網(wǎng)受擾動態(tài)響應(yīng)特性；執(zhí)行局部交直流協(xié)調(diào)控制。
3）直流子網(wǎng)網(wǎng)間協(xié)調(diào)控制。實現(xiàn)統(tǒng)計各子網(wǎng)外送需求與送電能力；優(yōu)化分配子網(wǎng)互濟容量，提升外送通道利用效率，實現(xiàn)風(fēng)、光、水、火多源廣域互濟；子網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線潮流控制；全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與潮流優(yōu)化控制；子網(wǎng)故障的緊急支援控制；嚴(yán)重受擾子網(wǎng)的阻隔控制（解列聯(lián)絡(luò)線）。
3 西部送端直流電網(wǎng)系統(tǒng)運行特性
西部送端直流電網(wǎng)換流站多，輸送容量大，且新能源電源出力間歇性強，運行復(fù)雜，協(xié)調(diào)控制非常困難。
基于在ADPSS仿真系統(tǒng)開發(fā)的直流電網(wǎng)仿真模型，本文搭建了西部送端直流電網(wǎng)的仿真系統(tǒng)。
西部送端直流電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)控制系統(tǒng)中，火電和水電等有源換流站交流側(cè)采用定無功、定有功控制，直流側(cè)采用電壓下垂控制；連接風(fēng)電和光伏等新能源基地的換流站交流側(cè)采用定電壓、定頻率控制，直流側(cè)采用電壓下垂控制。
3.1 穩(wěn)態(tài)運行特性
本文針對西部送端直流電網(wǎng)北電南送方式進行研究。穩(wěn)態(tài)運行直流母線電壓如圖7所示。由圖7可以看出，西部送端直流電網(wǎng)母線電壓均運行在額定電壓附近，最高電壓1009.6 kV，最低電壓999.1 kV，平均電壓1003.4 kV，滿足直流電網(wǎng)電壓運行要求。
直流子網(wǎng)通過重要直流通道互聯(lián)，西部送端直流電網(wǎng)共包含5個重要斷面通道，各斷面通道支路組成及斷面通道功率如表1所示。由表1可以看出，斷面1和斷面5交換功率較大，其中斷面1功率達到10920 MW，斷面5次之，約為7208 MW。南北互濟斷面共包含7條直流線路，潮流北電南送方式下，斷面交換功率為504 MW。
北電南送方式下，西部直流電網(wǎng)內(nèi)潮流較重的直流線路有：XJ8—XJ12（10920 MW）、NM15—NM16（9739 MW）、XZ01—XZ04（9140 MW）、XJ1—XJ8（8456 MW），均未超過導(dǎo)線熱穩(wěn)極限。其中，XJ8—XJ12為直流子網(wǎng)間傳輸通道，潮流輸送較大。對于潮流傳輸較重的直流通道，可架設(shè)多回直流線路，減輕單回線路的輸送壓力。
南電北送方式下，南部電網(wǎng)大量功率可穿越南北互濟斷面支援北部電網(wǎng)，南北互濟斷面交換總功率為46289 MW。通過南北互濟方式，可實現(xiàn)區(qū)域能源的靈活調(diào)度，減輕新能源季節(jié)性波動引起的區(qū)域電力緊張。
3.2 暫態(tài)運行特性
由于直流電網(wǎng)內(nèi)部慣性遠(yuǎn)小于交流電網(wǎng)的機械慣性，直流電網(wǎng)易受交直流電網(wǎng)故障及以及新能源出力波動而發(fā)生變化。從交流電網(wǎng)故障、直流電網(wǎng)故障和新能源出力波動這3類典型擾動角度，分析西部送端直流電網(wǎng)的暫態(tài)運行特性。
3.2.1 交流電網(wǎng)故障
交流電網(wǎng)故障是常見的直流網(wǎng)外故障，故障擾動將直接快速傳遞到與之相連的換流站，并影響近區(qū)局部直流電網(wǎng)的運行。以XJ3換流站送端交流電網(wǎng)短路故障為例，分析交流電網(wǎng)故障對直流電網(wǎng)的影響。XJ3換流站上送交流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示，故障近區(qū)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程如圖9所示。
圖9 交流故障西部直流電網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)特性
Fig.9 Dynamic response characteristics of western DC grid under AC short circuit fault
0.1 s時，XJ3G—XJ3S交流線路發(fā)生三永N–1故障，XJ3換流站交流電壓跌落，換流閥有功輸出也快速下跌。由于交流網(wǎng)內(nèi)有功輸出受阻，XJ3交流電網(wǎng)頻率最高上升到50.06 Hz。受故障影響，故障點近區(qū)直流母線電壓下降，對于采用電壓下垂控制的換流站，直流電壓上升，同時換流閥有功輸出增加，以彌補故障點所在換流站的上送功率損失。0.2 s時XJ3G—XJ3S交流故障線路切除，XJ3換流站交流母線電壓和直流母線電壓恢復(fù)，近區(qū)直流母線電壓和換流閥輸出功率也隨之恢復(fù)正常。因此，交流線路XJ3G—XJ3S發(fā)生三永N–1短路故障，西部送端交直流電網(wǎng)均可保持穩(wěn)定運行。
3.2.2 直流電網(wǎng)故障
單極短路故障是直流網(wǎng)內(nèi)典型故障，由于直流電網(wǎng)阻抗較小，故障將迅速在直流網(wǎng)內(nèi)傳導(dǎo)。以XJ3—XJ4直流單極短路故障為例分析該類故障下交直流系統(tǒng)的交互影響。故障后交直流電網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)特性如圖10所示。0.1 s故障發(fā)生，直流網(wǎng)內(nèi)短路電流激增，直流線路保護動作快速開斷故障極線路。潮流大量轉(zhuǎn)移至XJ4—XJ5—XJ6，XJ5—XJ6潮流增加至7572 MW。受直流故障影響，和該直流電網(wǎng)相連的換流站交流母線電壓亦發(fā)生不同程度的跌落，導(dǎo)致各交流電網(wǎng)上送功率受阻，引起交流電網(wǎng)頻率升高。其中，離故障點最近的XJ04交流電網(wǎng)頻率最高上升到50.28 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)到50.07 Hz，滿足交流電網(wǎng)系統(tǒng)頻率要求。因此，直流線路XJ3—XJ4發(fā)生單極短路故障，若直流保護快速動作，西部送端交直流電網(wǎng)均可保持穩(wěn)定運行。
3.2.3 新能源出力波動
受自然因素影響，新能源機組出力極易發(fā)生波動。對于接入直流電網(wǎng)的大型新能源基地，出力波動將傳導(dǎo)到直流電網(wǎng)，由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，網(wǎng)內(nèi)換流站共同承擔(dān)功率波動。以西部直流電網(wǎng)中XJ4換流站為例，分析新能源波動時直流電網(wǎng)換流站間的功率協(xié)調(diào)。
XJ4為風(fēng)電換流站，XJ2、XJ3為火電換流站。假設(shè)XJ4下接風(fēng)場風(fēng)速從1 s開始發(fā)生漸變，風(fēng)電出力逐漸減弱，在6.5 s時達到最小值8078 MW；6.5 s后，風(fēng)速逐漸增強，風(fēng)電恢復(fù)正常出力，風(fēng)電出力變化如圖11所示。
風(fēng)電出力變化過程中，直流電網(wǎng)換流站功率、交流母線電壓及直流母線電壓如圖12所示。
正常運行時，XJ4換流站交流母線電壓0.9958 p.u.，有功功率9900 MW。由圖12 a）可以看出，1.0~6.5 s風(fēng)速逐漸下降，XJ4風(fēng)電基地外送功率逐步降低，XJ4換流站有功功率最低下降到7850 MW。風(fēng)電出力減小過程中，XJ4交流電網(wǎng)無功消耗減少，再加上換流站功率降低，盈余無功流向交流電網(wǎng)，引起XJ4換流站交流母線電壓上升，最高達0.997 p.u.，見圖12 b）。XJ2和XJ3換流站采用電壓下垂控制方式，直流電壓分別下降到1.0223 p.u.和1.0233 p.u.，見圖12 c）；XJ2和XJ3換流站有功功率調(diào)制分別提升到10040 MW和10060 MW，以補償XJ4風(fēng)電產(chǎn)生的功率缺額，見圖12 a）。
因此，通過直流電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，換流站間可以實現(xiàn)功率互動，降低新能源出力波動的不利影響。
4 結(jié)論
在新型電力系統(tǒng)背景下，未來中國面臨著電力由西部向中東部地區(qū)遠(yuǎn)距離和大容量輸送的重大需求。面對此需求，本文提出了基于柔性直流的西部送端直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將地域相鄰的風(fēng)、光、火大型能源基地互連，形成局部多能源直流子網(wǎng)，利用直流線路連接各直流子網(wǎng)，實現(xiàn)風(fēng)、光、水、火等不同特性電源之間的互補調(diào)節(jié)，解決新能源出力的隨機性和波動性問題。
西部送端直流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行特性表明，遠(yuǎn)端能源基地可以通過直流子網(wǎng)進行能源遠(yuǎn)距離和大容量的安全傳輸。典型的交、直流電網(wǎng)故障擾動表明：基于VSC-HVDC技術(shù)的西部直流電網(wǎng)，在交流電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障，引起新能源上送換流站功率下降后，換流站間可以進行功率協(xié)調(diào)，降低大擾動引起的功率缺額；在直流電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障后，由于直流輸電通道功率可以雙向傳輸，換流站間可以協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)功率的緊急轉(zhuǎn)移和增援。在面對新能源出力波動時，直流電網(wǎng)亦可發(fā)揮其協(xié)調(diào)特長，平抑整個直流電網(wǎng)的功率波動。
隨著直流電網(wǎng)和仿真技術(shù)的發(fā)展，需要建立更加完整和精細(xì)的直流設(shè)備和保護控制等模型，如潮流控制器、DC/DC變換器、短路電流控制器；針對制約直流電網(wǎng)運行的關(guān)鍵問題開展深入研究，如大規(guī)模新能源并網(wǎng)引起的寬頻振蕩問題，以獲得更加全面深入的直流電網(wǎng)系統(tǒng)運行特性。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
