一种大规模风电集中直流外送方案

一种大规模风电集中直流外送方案景天;王西田;沈嘉怡【摘要】为了提高风电的消纳能力,提出了一种新的风电直流外送方案。方案利用直流功率调制的方法,降低了对风火打捆模式的依赖,并以下垂控制偏差作为参考,调整直流输电系统的定电流参数值以控制直流输电功率。设计了一套适用于上述技术的控制方案,并详细叙述了方案的流程及具体实现步骤。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证所设计的控制策略的有效性。期刊名称】《电器与能效管理技术》年(卷),期】2015(000)009【总页数】5页(P50-54)【关键词】风力发电;直流输电;频率偏差;下垂偏差控制;直流功率调制【作者】景天;王西田;沈嘉怡【作者单位】;;;【正文语种】中文【中图分类】TM6140引言风力发电是现今最成熟、最具有规模化开发条件的新能源技术之一。我国具有丰富的风力发电资源，但风能基地大多集中在我国的西北、东北等偏远地区，远离京津唐、长三角和珠三角等电力负荷中心。拓宽风电输出渠道，在更大的范围内消纳风电，是解决风力资源和负荷分布不均衡的有效方法［1-3］。在大容量、远距离输电方面，直流输电因具有线路造价低、有功损耗小、调节快速等特点，往往比交流输电更具优势。目前有两种较为成熟的高压直流输电(HighVoltageDCTransmission，HVDC)方式:一种是基于晶闸管的电网换相换流型高压直流输电(LCC-HVDC)技术;另一种是基于绝缘栅双极晶体管或门极可关断元件的电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)技术。前者在技术成熟、造价、电压等级、输电规模等方面都具有明显优势，所以更为广泛地应用在大容量远距离的直流输送当中［4］。由于风能具有间歇性、波动性和随机性等特点，大规模接入电网后，系统可能存在一定程度的频率稳定和电压稳定隐患［5］。为了保证电力系统的稳定性，常用的解决方案是增加其他电源，对风电进行调频、调峰［6-7］。不少学者提出了风火组合的运行模式，目前已在现有工程中得到了广泛应用。但也有研究指出，风火打捆的运行模式可能会造成风火发电权之争。另外，在一些偏远地区，由于资源和地形的限制，也可能不利于火电厂的建设［8-9］。本文在上述研究的基础上，提出了一种基于下垂控制理论的大规模风电集中直流外送系统中换流站功率给定值的计算方法，提高了大规模风电送出的稳定性。风电直流集中外送的模型建立风电出力模拟及风电场模型风电出力的随机性和波动性会给系统造成一定的冲击，影响系统稳定性，而其根本原因在于原动力风速的变化。风电机组输出功率与风速直接相关。风电机组机械功率P和风速vw的关系如下：式中:P 空气密度；Ar——转子叶片扫风面积;Cp——转换效率系数。Cp满足关系：式中:a 常数；b——桨距角；入——转子叶片速度和风速的比例，一般取2v入＜13。目前投运的大型风力发电机组有两种类型:一种是基于异步发电机的固定转速风电机组；一种是采用双馈电机或通过变频器并网的变速风电机组。前者在发出有功功率的同时会吸收无功功率，因此不具备调压能力；而变速恒频风电机组在发出有功功率的同时可以发出无功功率，并且能够根据系统需要在一定范围内调节无功输出本文在研究中考虑双馈风电机组。一般风电场由多台风电机组构成，但用详细的拓扑结构和风电机组模型模拟风电场是非常困难的。文献［10］介绍了两种常用的风电场等值方法。本文采取第一种等值方法，即把风电场等值成1台风力机作为原动机，带动1台发电机，并将所得等值风电机组的容量表示为所有风电机组容量的代数和，其输入为平均风速。直流输电系统的功率调制直流功率调制(DCPowerModulation,DCM)，是指为了提高系统暂态稳定性和动态稳定性，将附加直流调制器加入到直流控制系统中，并从交流系统中读取系统电信号，通过调整直流传输功率的方式快速吸收或补偿其所连接的交流系统的功率过剩或缺额。DCM根据调制幅度的不同，可以划分为大方式调制和小方式调制［11］。利用直流系统的快速调节特性，可以改善交直流互联电网的稳定性。美国西部太平洋直流联络线、印度的Rihand-Delhi直流输电工程、瑞典-芬兰海底电缆直流输电工程都是利用小信号直流功率调制功能，对小干扰下的系统振荡进行有效抑制，从而提高了系统的动态稳定性。我国的华中-华东多回路高压直流输电系统上也加装了功率/频率DCM控制器。频率调制时的控制原理示意图如图1所示。图1频率调制时直流功率控制器控制框图图1中，Afs与Afk分别代表整流侧与逆变侧母线频率与50Hz的偏差，将换流站母线的频率偏差Qfs-Afk）作为控制环节的输入信号，经过微分、滤波、放大和限幅等环节后得到输出信号APDC,从而对直流输送功率进行调节。基于下垂偏差控制的风电直流集中外送方案2.1下垂偏差控制的定义由于在风能实际送出过程中，装置和调度均存在一定滞后和偏差，风能的特性决定了其实际出力总是在随时变化中，因此一定程度的偏差和滞后可能会影响系统的稳定性。另外，频繁的改变系统运行工况也会造成设备可靠性降低。此时可以考虑电力系统的频率特性，利用类似电力系统调频的方法解决这个问题。在风电的集中直流外送系统中，若将送端系统的风电机组考虑为具有虚拟惯量的等值机组，系统受到风速扰动时，由于风电机组转换风能和实际电磁功率的不平衡，将造成送端系统的频率变化。当电力系统处于稳态时，利用功率—频率特性（即下垂特性）可以得到:式中:APG——发电机组出力；Af—系统频率的改变；P——机组调差系数R的倒数。非稳态时，机组输入的功率与负荷要求的功率不匹配，为了保持功率平衡，机组的动能会发生改变（忽略机组内部损耗）。由于本文中将风电场等效为一台原动机和一台发电机，故可考虑为式中:pT——机组的输入功率；PG——机组的输出功率；△PL——负荷变动导致发电机输出功率的增量；WK——机组的动能。在稳态时，可以忽略扰动带来的机组出力增量APL,只考虑频率变化引起的出力差异。但在非稳态时，由式(4)可知，机组动能变化不可忽略，式(3)并不成立。如果将直流系统考虑为负荷，此时有PG=PDC,即机组出力与直流系统功率相匹配。由于直流功率几乎不受频率影响，此时可以定义下垂控制偏差:其中：)是当前运行状态下附近一个可以稳定运行的点;f(0)—般取额定工频;作为直流系统功率参考值，可以根据当日气候、季节及实际运行状态修正。通过式(5)可知，下垂控制偏差e的大小实际反应了系统功率及频率的不平衡度。可以通过设定电流参数来调节直流系统功率，从而减小下垂控制偏差。若此时令e=0,即式(6)中，由于P<0,可知，当f增大时，PDC也增大，故此时若系统频率上升，直流传输功率也因之上升，可以降低由功率不平衡导致的频率变化。由于直流输电功率在一定范围内与定电流参数值Id成正比，即式中:K—比例系数。在系统运行过程当中，系统运行工况发生改变，导致控制偏差e的值高于或低于阀值时，控制Id从而改变送端系统的运行状态。此时有下垂偏差控制策略在实际运行的过程中，由于控制装置的动作及信号传递均有一定延迟，直流功率的调制无法瞬时完成，因此当控制偏差大于触发阀值时发出信号，换流站接到控制偏差的调整指令，直流功率在调制结束后控制偏差会依然存在。由于风速变化是一个持续而不规则的过程，此时需要在一定时间内对控制偏差进行跟随，当系统稳定后，若控制偏差小于另一阀值则退出跟随，具体实现方法如图2所示。图2一定延迟下的控制偏差由图2可见，当t=t1时，控制偏差大于触发阀值Emax，向换流站发出指令并开始跟随，保持跟随触发延迟tO后，直到小于关断阀值emax时退出跟随，即系统在t1vtvt2时处于跟随状态，在t=t2时退出跟随。同样，若风速能够长期维持稳定或较小幅度改变，依然需要通过一定的周期对直流传输功率参考值进行更新，以适应昼夜和气候变化等因素的影响，并减小设备在特定的短时间内频繁改变运行工况带来的负面影响。基于下垂控制偏差的风电集中直流外送控制策略本文基于下垂控制偏差理论，将控制方法运用于直流输电定电流控制器中。其流程图如图3所示。图3基于下垂控制偏差的风电集中直流外送控制策略流程图参数初始化。根据风电场特性、机组类型及规模、直流输电系统容量等参数构建系统模型。阀值及下垂控制偏差模型建立。根据送端系统耐受能力、系统静态特性确定控制偏差的计算公式及确定触发阀值和关断阀值、延迟时间。实时监测等值风电场风速，直流输电系统换流母线电压频率和直流传输功率，计算控制偏差数值。判断控制偏差是否越限。若计算值未超过触发阀值，则系统正常运行，并以一定周期更新直流系统功率参考值;若计算值大于触发阀值，则直接通过改变定电流参数值将控制偏差归零，并在触发延迟to内跟随直流传输功率，直到控制偏差小于关断阀值。检测系统运行状态，跳转环节(3)。算例分析为了验证本文中利用下垂控制偏差的直流孤岛系统进行闭环控制策略的正确性，选取CIGREHVDCBenchmark测试系统为研究对象，直流系统参数见文献[12-13];自动调整无功补偿投切及变压器变比，保持系统交流侧电压基本不变。在算例中取p=20(MW/0.1Hz);Emax=25MW、emax=5MW;触发延迟t0设定为7s。为方便参考，假设直流系统已在单极模式运行。下垂控制偏差信号如图4所示，系统在t=4.0s左右时已进入稳定运行状态，t=9.5s时孤岛系统受到风速扰动影响，根据仿真计算e<-25MW,改变直流定电流参数并在t0=7s内跟随，系统在t=17.3s左右时控制偏差小于关断值，退出跟随，并在t=18.5s左右进入新的稳态。图4下垂控制偏差信号有功出力曲线如图5所示。由图5可见，在t=9.5~18.0s期间系统有功受风速扰动持续变化。图5有功功率输出曲线整流侧与逆变侧交流电压如图6所示，整流侧与逆变侧的交流电压均在较短时间内恢复稳定，且稳定值与原稳定值相差不大。图6整流侧与逆变侧交流电压由仿真结果可以得出结论，在t=9.5s时，系统受到扰动后根据计算下垂控制偏差的方式确定新的直流定电流参数，并按照控制策略以一定的短周期改变直流定电流参数，实现了直流输送功率的跟随。系统在小扰动下保持原有运行方式达到新的稳态，并且能够保持长期运行。该系统实现了直流孤岛系统在小扰动下的稳定运行。4结语(1)为了克服孤岛运行方式下风能的直流外送受扰动响应明显的问题，本文采用了直流功率调制的方法，利用电力系统的功率-频率静态特性(下垂特性)构造了送端系统的下垂控制偏差，形成了一种新的孤岛运行控制方案。将下垂控制和直流功率调制运用于风力发电孤岛系统的直流外送中，可以实现直流孤岛系统在一定范围内的扰动下保持稳定运行并进入新的稳态。(2)在下垂控制偏差的环节中，考虑了偏差越限和不越限两种运行情况。在越限时由于受设备延迟和风速波动影响，需留有一定时间跟随直流功率，直到控制偏差小于关断值;在不越限时以一定周期更新直流功率参考值。两种运行方式充分考虑了风速突变时的特性和昼夜天气变化对风速变化的影响。该方案可行性较好，对直流输电工程有应用参考价值。【参考文献】[1]Globalwindenergyoutlook2010[R].Belgium:GlobalWindEnergyCouncil，Brussels，2010:1-10.[2]方创琳•中国风电发展目标分析与展望[J].中国能源，2007,29(12):30-34.[3]雷亚洲•与风电并网相关的研究课题[J].电力系统自动化，2003，27(8):84-89.[4]周宏林，杨耕•大型DFIG风电场的LCC-HVDC并网及控制[J].电力自动化设备，2009，29(7):8-12.[5]肖创英，汪宁渤，陟晶，等•甘肃酒泉风电出力特性分析[J].电力系统自动化，2010,34(17):64-67.张宁，周天睿，段长刚，等•大规模风电接入对电力系统调峰的影响[J].电网技术，2010，34(1):152-158.郭小江，马世英，申洪，等•大规模风电直流外送方案与系统稳定控制策略[J].电力系统自动化，2012,36(15):107-115.[8]王云鹏•风电消纳能力分析评估系统的设计与应用[D]•北京:华北电力大学，2014.[9]代明，陈得治，严凤，等•规模化风电直流孤岛外送的安全稳定特性分析[J]•电网与清洁能源，2012,28(4):91-97.[10]苏勋文，米增强，王毅•风电场常用等值方法的适用性及其改进研