柔性直流输电网的电压控制原理研究论文_史文娟

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摘要: 基于电压源换流器( VSC) 的柔性直流输电技术出现以后,由于直流电流可以反向,直流电网的优势可以充分发挥,因而发展柔性直流电网技术已成为电力工业界的一个新的期望。但发展柔性直流电网除了在设备制造方面还存在瓶颈之外,在控制策略方面同样存在挑战。基于此,本文对柔性直流输电网的电压控制原理进行了探讨。

关键词:柔性直流输电网;电压控制;

1直流电网电压控制的基本原理

直流电网功率平衡的指标是直流电网的电压。当注入直流电网的功率大于流出直流电网的功率时,直流电网电压就会上升;当注入直流电网的功率小于流出直流电网的功率时,直流电网电压就会下降。因此,直流电网的电压与交流电网中的频率具有相似的特性,都是指示功率是否平衡的指标。但直流电网电压与交流电网频率在时间和空间特性上具有显著的差别。在时间响应特性上,直流电网电压比交流电网频率快3个数量级,即直流电网电压的响应时间一般在毫秒级。而交流电网中的能量储存在发电机转子上,交流电网的频率直接与发电机转子的转速即动能相关,频率响应的时间与发电机的惯性时间常数相当,在秒级。在空间响应特性上,交流电网频率稳态下是全网一致的;而直流电网中各个节点的电压是不一致的,随运行方式的改变而改变。因此,为了定义直流电网的电压偏差,首先得设定一个直流电网电压的基准节点,直流电网的电压偏差就定义为基准节点上的电压偏差。一般将某个容量较大且对全网电压有决定性作用的换流站节点设为电压基准节点。

采用直流电压下斜控制策略时,需要对直流电网中的换流站节点进行分类。按照输出功率是否能够根据电网运行的需要进行调整,可以将直流电网中的换流站节点分为可调功率节点与不可调节功率节点。一般接入大电网的换流站节点为可调功率节点;而直接联接负荷的换流站节点以及直接联接风力发电和光伏发电的换流站节点为不可调功率节点。直流电网若采用电压下斜控制作为一次调压的控制方式,那么除电压基准节点外,功率可调的换流站节点都应设置为电压下斜控制节点,而功率不可调的换流站节点应设置为定功率控制节点。

由于直流电网电压与交流电网频率在表征能量平衡方面的相似性,直流电网中负荷的分摊方法完全可以借鉴交流电网中的负荷分摊方法。交流电网采用一次调频和二次调频来实现负荷分摊和频率控制,直流电网也可以采用一次调压和二次调压来实现负荷分摊和电压控制。因此,直流电网的电压控制也可以分两层来实现,底层的是电压下斜控制,上层的是与交流电网二次调频(目前称为自动发电控制AGC,也称负荷频率控制)类似的二次调压系统(本文也称其为负荷电压控制)。

直流电网一次调压是直流电网遭受扰动后换流器所配置的电压下斜控制器的固有响应。通常,扰动结束后0.5s左右的时间段,属于一次调压起作用的时间段。扰动结束后0.5s之后的时间段,二次调压或称负荷电压控制系统会起作用。本文假定二次调压系统会根据直流电网电压控制的要求,每隔0.5s刷新一次各功率可调换流站的功率指令值,就如同交流电网中的二次调频每隔若干秒刷新一次AGC电厂的功率指令值一样。

2带电压死区的电压下斜控制特性及其实现方法

带电压死区的电压下斜控制特性如图1所示,其中,Udcmax和Udcmin分别为电压死区的上限值和下限值,是直流电网正常运行时,考虑所有运行方式后对应换流站稳态直流电压的最大值和最小值;P*dc,P*1,P*2和P*3为电压二次调节系统每隔0.5s下发的功率指令值;K为电压下斜曲线的斜率。在一次调压起作用的时间段内,认为功率指令值P*dc,P*1,P*2和P*3为不变量。而控制策略中的其他几个参数,Udcmax、Udcmin和K,对于特定的换流站可以认为是固定不变的。这类似于交流电网中的AGC,其频率死区和调差率等参数在运行中是不变的,可变的仅仅是AGC机组的功率指令值。

带电压死区的电压下斜控制器的实现框图如图2所示。在一次调压起作用的过程中,该控制器根据实测的换流站输出功率Pdc(以图1中功率为Pdc的换流站为例)及直流电压Udc计算出换流站定功率控制器的新的功率指令值P*dc+ΔP*dc。当Udc落在死去范围内时,换流站定功率控制器的功率指令值修正量ΔP*dc=0,P*dc保持原来的值不变;当Udc越出死去范围时,ΔP*dc≠0,P*dc按照图1中的电压下斜特性取值。由带电压死区的电压下斜控制器确定的功率指令值P*dc+ΔP*dc与实际功率Pdc的偏差作为PI控制器的输入,PI控制器的输出为i*d,是换流站内环控制器的有功(d轴)电流指令值。

图1带电压死区的电压下斜控制特性

3二次调压原理

直流电网正常运行时,全网设置一个电压基准节点,该基准节点对应的换流器采用定电压控制。因此,基准节点注入直流电网的功率不是恒定的,会随负荷的变化而变化。为了使基准节点注入直流电网的功率基本保持恒定值,需采用二次调压,也称负荷电压控制。其控制原理与交流电网的负荷频率控制类似。

图2带电压死区的电压下斜控制器实现框图

负荷电压控制器的输入由两部分组成,第一部分为功率偏差值,是电压基准节点的功率指令值P*dcmark与实测功率Pdcmark之间的偏差;第二部分是电压偏差值,是电压基准节点的电压指令值U*dcmark与实测电压Udcmark之间的偏差。负荷电压控制器框图如图3所示。其中ΔP*grid为整个直流电网需要增加的有功功率,将ΔP*grid按照一定的比例分配给直流电网中的功率可调节点,本文假定每隔0.5s向各功率可调节点发送一次新的功率增量指令值。

图3负荷电压控制器的原理

4一次调压与二次调压相互协调的仿真验证

采用图4所示的四端柔性直流测试系统来展示本文所述电压控制原理的特性。图4所示的测试系统是一个具有大地回线的±500kV双极直流电网(图中只画出了其中的一个极),每个换流站由正极换流器和负极换流器构成,接地极引线从正极换流器与负极换流器在直流侧的联接点引出。

换流站1的容量为1500MW,所联接的是一个新能源基地,且该新能源基地没有与交流同步电网相联接,其功率送出完全依靠换流站1,即换流站1所联接的交流系统是一个没有同步电源的孤立电网。因此,换流站1采用定换流站交流母线电压幅值和频率控制策略,换流站1注入直流系统的功率等于新能源基地输出的功率(不计换流站损耗)。换流站2的容量为3000MW,所联接的也是一个新能源基地,但该新能源基地与交流同步电网相联接,其功率送出存在2条路径,其一是通过换流站2送入直流系统,其二是直接送入交流同步电网。因此,换流站2的控制方式比较灵活,可以采用直流侧定有功功率类(包括定有功功率和定直流电压2种情况)、交流侧定无功功率类(包括定无功功率和定交流电压2种情况)的控制策略。

换流站3的容量为1500MW,接入交流同步电网,其功率可以双向流动,即换流站3既可以作为整流站运行,也可以作为逆变站运行。正常运行方式下换流站3的功率流向是确定的,因此换流站3也可以采用直流侧定有功功率类(包括定有功功率和定直流电压2种情况)、交流侧定无功功率类(包括定无功功率和定交流电压2种情况)的控制策略。换流站4的容量为3000MW,接入交流受端电网。由于交流受端电网容量足够大,因此正常运行方式下换流站4作为功率平衡站。

测试系统中的所有直流线路采用4×LGJ-720线路,基本电气参数为电阻0.009735Ω/km,电感0.8489mH/km,电容0.01367mF/km。测试系统各换流站的主回路参数如表1所示。

5结束语

本文提出了一种一次调压与二次调压相协调的直流电网电压控制策略,其中一次调压采用带死区的直流电压下斜控制律,二次调压采用基于电压基准节点电压恒定的控制准则。

参考文献

[1]胡兆庆,董云龙,田杰,等.基于模块化多电平换流器结构的柔性直流控制策略[J].江苏电机工程,2013,32(1):5-12.

[2]尹寿垚,翟毅,吴昊,等.基于柔性直流输电技术的分布式发电在城市电网中的应用[J].江苏电机工程,2013,32(4):9-12.

论文作者:史文娟

论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期

论文发表时间:2017/9/7

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