蘇寅生，趙利剛，姚海成，王長(zhǎng)香，李豹，甄鴻越，高琴，周挺輝，黃冠標(biāo)

(1. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510663；2. 直流輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司)，廣東 廣州 510663)

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是貫徹落實(shí)我國能源安全新戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)“30·60”碳中和氣候應(yīng)對(duì)目標(biāo)的重大需要。大力發(fā)展以風(fēng)能、太陽能為代表的新能源電力，促進(jìn)高比例可再生能源全額消納，成為我國構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急。我國西部沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)有極其豐富的風(fēng)、光資源，擁有巨大的可再生能源發(fā)電開發(fā)潛力，但這些地區(qū)通常無負(fù)荷、無就地大型常規(guī)水火電電源、無消納能力，風(fēng)電、光伏等純新能源發(fā)電組網(wǎng)經(jīng)柔性直流送出是該類型新能源基地送出的有效途徑[1]。

風(fēng)電、光伏等純新能源發(fā)電組網(wǎng)經(jīng)柔性直流送出是一種全新形態(tài)的獨(dú)立電網(wǎng)，建模仿真是研究分析這種新形態(tài)電網(wǎng)的基礎(chǔ)。針對(duì)含大量電力電子開關(guān)器件的風(fēng)力光伏發(fā)電和柔性直流輸電系統(tǒng)，電磁暫態(tài)仿真雖具有很好的準(zhǔn)確性，但其求解的規(guī)模和速度受到限制[2]。機(jī)電暫態(tài)仿真與電磁暫態(tài)仿真相比，對(duì)于相同規(guī)模電網(wǎng)的仿真所需計(jì)算資源較少，是大電網(wǎng)安全分析的主要手段[3]。現(xiàn)有機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)主要基于同步電機(jī)理論構(gòu)建，對(duì)于僅包含直流、風(fēng)電、光伏的電力電子系統(tǒng)，已有建模仿真方法不能完全適應(yīng)，需開展相關(guān)研究提出新的建模仿真方法。

針對(duì)新能源經(jīng)柔性直流送出的建模仿真問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[4]提出了電網(wǎng)換相換流器(line-commuted converter，LCC)-模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)型混合多端直流輸電系統(tǒng)的潮流計(jì)算和機(jī)電暫態(tài)建模方法。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于單電壓環(huán)的柔性直流換流器機(jī)電暫態(tài)仿真模型，將基于電壓源轉(zhuǎn)換器的多端高壓直流系統(tǒng)納入電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定型仿真。文獻(xiàn)[6]分析了向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，基于PSCAD建立了MMC型柔性直流輸電系統(tǒng)通用的換流系統(tǒng)和受端交流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。上述文獻(xiàn)所建立模型主要針對(duì)接入大電網(wǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)，其控制策略、建模方法與接入無交流電源網(wǎng)絡(luò)的柔性直流輸電系統(tǒng)完全不同；已開展的接入無交流電源網(wǎng)絡(luò)的柔性直流輸電系統(tǒng)建模主要基于電磁暫態(tài)仿真技術(shù)開展，且只考慮柔性直流向無源網(wǎng)絡(luò)供電的情況；針對(duì)風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)，需要重點(diǎn)解決柔性直流的構(gòu)網(wǎng)型控制策略建模方法以及無同步機(jī)電源的多電力電子設(shè)備接入系統(tǒng)仿真中可能存在的數(shù)值振蕩問題，尚未有研究提出其機(jī)電暫態(tài)建模方法。

本文針對(duì)風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)建模仿真需求，首先分析風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真的一般結(jié)構(gòu)；其次提出無同步機(jī)情況下采用電壓-頻率(Vf)控制模式的柔性直流換流器機(jī)電暫態(tài)建模方法；然后，研究風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)模型；最后，采用DSP軟件[7]建立100%新能源電源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的仿真算例，通過直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組、光伏發(fā)電經(jīng)柔性直流送出案例進(jìn)行分析，以驗(yàn)證所提建模方法的有效性。

1 風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真的一般結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)交流電網(wǎng)中，機(jī)電暫態(tài)仿真主要研究電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)(如短路故障，切除線路、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷，發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁或者沖擊性負(fù)荷)后的暫態(tài)穩(wěn)定和受到小擾動(dòng)后的靜態(tài)穩(wěn)定性能，即能否經(jīng)過一定的時(shí)間后回到原來的運(yùn)行狀態(tài)或過渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。其基于基波、單相和相量模擬技術(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后數(shù)秒到數(shù)十秒之間的機(jī)電暫態(tài)過程進(jìn)行仿真模擬，重點(diǎn)關(guān)注由于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)的變化過程以及系統(tǒng)保持同步穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

機(jī)電暫態(tài)仿真需要求解系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)方程和微分方程，方程形式為：

(1)

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，發(fā)電機(jī)是機(jī)電暫態(tài)仿真中最關(guān)鍵的元件，節(jié)點(diǎn)注入電流及狀態(tài)變量主要為發(fā)電機(jī)相關(guān)變量，通過網(wǎng)絡(luò)方程和微分方程的聯(lián)立求解或迭代求解，可完成整體系統(tǒng)的時(shí)域仿真計(jì)算。常規(guī)直流、柔性直流、新能源發(fā)電、柔性交流裝置等電力電子設(shè)備一般采用與交流系統(tǒng)交替求解的方式，以注入電流形式加入到網(wǎng)絡(luò)方程中[8]。

風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)如圖1所示，光伏電站、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)經(jīng)輸電線路接到換流母線，發(fā)電功率由MMC送出。圖1中：Z1為光伏電站1與換流母線之間的等值阻抗，Z2為光伏電站2與換流母線之間的等值阻抗，Zn為風(fēng)電場(chǎng)n與換流母線之間的等值阻抗。

圖1 風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of wind power and PV station connected by MMC-HVDC

在風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)中，變壓器、交流線路等輸變電設(shè)備與傳統(tǒng)電網(wǎng)相同，因此網(wǎng)絡(luò)方程仍采用式(1)。微分方程不再是發(fā)電機(jī)相關(guān)狀態(tài)變量方程，而是電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)變量方程。因電力電子設(shè)備的快速動(dòng)態(tài)特性，一般需采用比交流網(wǎng)絡(luò)更小的仿真步長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)方程和微分方程不再能聯(lián)立求解，一般需采用交替求解方式。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)方程為全代數(shù)方程求解，需通過建立合理模型來提升網(wǎng)絡(luò)方程和微分方程交替求解的數(shù)值穩(wěn)定性。風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真基本方程見式(2)、(3)，采用交替求解方式進(jìn)行求解：

(2)

(3)

2 柔性直流換流器Vf控制機(jī)電暫態(tài)模型

在常用的跟網(wǎng)型控制策略下，風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有交流電壓的支撐才能正常運(yùn)行，在交流大電網(wǎng)中交流電壓主要由同步發(fā)電機(jī)提供。在風(fēng)電、光伏經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)中，交流電壓則需由柔性直流提供，柔性直流換流站應(yīng)控制換流母線交流電壓幅值和頻率恒定[9]。

采用恒定以同步速旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換，控制器框圖如圖2所示[10-11]，其中：Usdref、Usqref分別為換流母線電壓d、q軸分量的參考值；Usd、Usq分別為換流母線電壓d、q軸分量的實(shí)際值；Isdref、Isqref分別為d、q軸電流的參考值；Isd、Isq分別為d、q軸電流的實(shí)際值；Udref、Uqref分別為換流器閥側(cè)電壓的d、q軸參考值；kud、Tud、kid、Tid和kuq、Tuq、kiq、Tiq為PI控制器的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，ω為額定電角速度，L為換流變壓器的等效電感，s為拉普拉斯算子。要控制換流母線的電壓幅值和頻率恒定，只需控制Usd=Um、Usq=0(其中，Um為換流母線電壓幅值的設(shè)定值)。

圖2 柔性直流Vf控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Vf control system diagram of MMC-HVDC

PCC—并網(wǎng)點(diǎn)，point of common coupling的縮寫。圖3 接入大電網(wǎng)的柔性直流模型Fig.3 MMC-HVDC model connected to the AC grid

(4)

采用圖3所示模型開展風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的建模仿真，求解網(wǎng)絡(luò)方程時(shí)柔性直流、新能源等動(dòng)態(tài)設(shè)備全部等效為注入電流，求得系統(tǒng)電壓后即進(jìn)入下一時(shí)步，用所求得的各節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行柔性直流和新能源的下一時(shí)步求解。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)求解中沒有直接的電壓控制模型，且缺乏節(jié)點(diǎn)電壓和動(dòng)態(tài)設(shè)備注入電流的迭代求解，較容易產(chǎn)生數(shù)值振蕩，造成仿真系統(tǒng)的無故障電壓振蕩，如圖4所示。本文所立模型主要針對(duì)該振蕩問題進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 無故障仿真電壓振蕩仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of voltage oscillation without fault

在Vf控制模式下，MMC通過電壓調(diào)制，控制換流器輸出的閥側(cè)電壓，進(jìn)而控制換流母線電壓幅值和頻率恒定，可將MMC的實(shí)際控制過程可看作受控電壓源串聯(lián)換流變壓器阻抗連接至換流母線。閥側(cè)電壓參考值由內(nèi)環(huán)控制器給出，因此，在建模中考慮柔性直流內(nèi)環(huán)控制，建立柔性直流Vf控制的“受控電壓源+阻抗”的戴維南等值模型，控制系統(tǒng)模型和接入系統(tǒng)模型分別如圖5和圖6所示，其中：R、X分別為換流變壓器的電阻、電抗，Ueq=Udref+jUqref。

圖5 柔性直流Vf控制系統(tǒng)模型框圖Fig.5 Model block diagram of MMC-HVDC Vf control system

圖6 接入風(fēng)光新能源基地的柔性直流模型示意Fig.6 Schematic diagram of MMC-HVDC model connected to wind power and PV station

圖5中Isd、Isq由式(5)計(jì)算得到：

(5)

3 風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)模型

本文新能源發(fā)電系統(tǒng)考慮直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)，2類新能源發(fā)電系統(tǒng)均由全功率變流器接入交流網(wǎng)絡(luò)，其控制策略與柔性直流類似，均包括外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制。不同的是新能源發(fā)電系統(tǒng)采用電網(wǎng)電壓定向的跟網(wǎng)型控制策略，其坐標(biāo)變換采用與電網(wǎng)電壓同速率旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系[14-26]。新能源發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)模型已有成熟方法，本文不再贅述。因新能源發(fā)電系統(tǒng)與柔性直流均采用電壓源變流器，其模型可參考如圖3所示的柔性直流接入大電網(wǎng)模型，僅考慮新能源發(fā)電系統(tǒng)變流器的外環(huán)控制器，受控電流源數(shù)值為外環(huán)控制器的輸出。

考慮柔性直流和新能源的接入系統(tǒng)模型后，式(2)網(wǎng)絡(luò)方程變?yōu)?/p>

(6)

4 算例分析

4.1 算例介紹

利用DSP機(jī)電暫態(tài)仿真軟件，構(gòu)建風(fēng)電、光伏經(jīng)雙極柔性直流送出算例系統(tǒng)，應(yīng)用本文所提出的方法進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)建模仿真，算例系統(tǒng)及初始潮流如圖7所示。

圖7 算例系統(tǒng)及初始潮流Fig.7 Example system and initial power flow

算例系統(tǒng)參數(shù)見表1，表中標(biāo)幺值的基準(zhǔn)容量為100 MVA，基準(zhǔn)電壓為設(shè)備額定電壓。

表1 算例系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 Example system parameters

4.2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

基于圖7所示算例系統(tǒng)，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建相同參數(shù)與控制策略的電磁暫態(tài)仿真模型，將本文所建立的模型與EMTDC軟件進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文所建立模型的準(zhǔn)確性。為排除可能存在的干擾因素，分別對(duì)比柔性直流輸電系統(tǒng)和新能源發(fā)電系統(tǒng)模型，在對(duì)比柔性直流模型時(shí)，將算例系統(tǒng)中送端新能源替換為恒阻抗負(fù)荷，恒阻抗中電阻值為負(fù)，代表發(fā)出有功功率。新能源發(fā)電系統(tǒng)的對(duì)比以光伏為例，在對(duì)比光伏發(fā)電系統(tǒng)模型時(shí)，將柔性直流替換為無窮大電源。

分別對(duì)比換流母線發(fā)生三相短路情況下柔性直流Vf控制模型和光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如圖8和圖9所示?？梢钥闯觯涸诜€(wěn)態(tài)情況下，本文所建立模型的響應(yīng)與EMTDC基本相同；在暫態(tài)過程中，柔性直流有功功率、d軸電流、d軸電壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率、無功功率、直流側(cè)電壓等變量的變化趨勢(shì)基本相同，證明了本文所建立模型的準(zhǔn)確性。

圖8 換流母線電壓跌落至0.4時(shí)柔性直流Vf控制模型響應(yīng)對(duì)比Fig.8 Comparison of the response of MMC-HVDC Vf control model when PCC voltage drops to 0.4 p.u.

圖9 并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)比Fig.9 Comparison of the response of PV station when the voltage at PCC drops to 0

4.3 新能源場(chǎng)站功率波動(dòng)仿真分析

仿真時(shí)長(zhǎng)共10 s，初始工況如圖7所示，在1 s時(shí)，將光伏電站1(有功出力315 MW)從系統(tǒng)中切除，模擬光伏出力的突然減少，柔性直流各變量響應(yīng)如圖10所示?？梢钥闯觯涸? s切除光伏電站1后，光伏電站1的有功功率從315 MW快速降低到0，柔性直流換流站1輸送功率從2 500 MW左右下降至2 200 MW左右，動(dòng)態(tài)過程持續(xù)大約1 s；換流站1換流母線電壓d、q軸分量在經(jīng)過約1 s的波動(dòng)后維持在原目標(biāo)值。柔性直流d、q軸電壓和有功功率等的變化過程符合預(yù)期，證明了所建立模型能夠跟隨新能源的功率波動(dòng)，將換流母線電壓幅值和頻率維持在設(shè)定值。

圖10 光伏功率波動(dòng)下柔性直流輸電系統(tǒng)響應(yīng)Fig.10 Response of MMC-HVDC under PV station power fluctuation

4.4 短路故障仿真分析

仿真時(shí)長(zhǎng)共10 s，初始工況如圖7所示，在1 s時(shí)，在500 kV風(fēng)電匯集站—送端換流母線線路上設(shè)置三相短路故障，1.1 s時(shí)切除500 kV風(fēng)電匯集站—送端換流母線1回線，三相短路消失，柔性直流、風(fēng)電場(chǎng)各變量響應(yīng)如圖11所示?？梢钥闯觯涸? s發(fā)生三相短路后，500 kV風(fēng)電匯集站電壓跌落至0，風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)入低電壓穿越，有功功率跌落至0附近，故障消失后，風(fēng)電場(chǎng)功率以一定速率恢復(fù)，約1 s后恢復(fù)至故障前數(shù)值；短路故障后，換流站1換流母線電壓跌落至0.3，d軸電壓隨電壓幅值迅速下降至0附近，故障消失后逐步恢復(fù)至故障前目標(biāo)值，q軸電壓在故障期間逐漸增大至與電壓幅值接近，在故障消失后逐步降低至故障前目標(biāo)值，換流站1有功功率在故障期間降低到0附近，故障消失后逐步恢復(fù)，因柔性直流需跟隨風(fēng)光系統(tǒng)的功率波動(dòng)，其功率恢復(fù)速度與風(fēng)電場(chǎng)低穿后有功恢復(fù)速度接近。從仿真結(jié)果可以看出，在短路故障消失后，柔性直流可以維持d、q軸電壓在目標(biāo)值，并能夠持續(xù)跟蹤系統(tǒng)的功率變化輸出有功功率，證明了所建立模型在短路故障等大擾動(dòng)下的適應(yīng)性。

圖11 短路故障下柔性直流輸電系統(tǒng)響應(yīng)Fig.11 Response of MMC-HVDC in the event of three phase fault

5 結(jié)束語

本文針對(duì)風(fēng)光新能源經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)建模仿真需求，分析了在該場(chǎng)景下風(fēng)電、光伏、柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制原理，提出了柔性直流Vf控制等效為“受控電壓源+阻抗”的戴維南電路和風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)等效為受控電流源的接入網(wǎng)絡(luò)仿真模型。應(yīng)用DSP軟件開發(fā)完成所提出的仿真模型，構(gòu)建了風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站經(jīng)雙極柔性直流輸電系統(tǒng)送出的測(cè)試案例，測(cè)試所建立模型在新能源功率波動(dòng)、短路故障等系統(tǒng)常見擾動(dòng)下的響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明所建立模型的仿真結(jié)果符合預(yù)期，能夠在各類擾動(dòng)下控制系統(tǒng)電壓和頻率為恒定值，驗(yàn)證了本文所提建模方法的有效性。