多端直流输电系统控制研究

多端直流输电系统控制研究

魏孔军

国网青海省电力公司超高压公司，青海西宁 810000

摘要：多端直流输电技术具有多起点多落点等特点，作为目前实现新能源并网最具潜力的方式， 是未来直流电网发展的主要趋势。多端直流输电系统控制是实现系统稳定运行的关键技术之一，从多 端直流输电技术发展的背景入手，概述多端直流输电技术的发展现状，介绍目前多端直流输电系统功 率协调控制的主要方式及存在的问题，并讨论分析多端直流输电系统的控制及保护方法，为多端直流 技术的后续研究提供参考。

关键词：多端直流输电；策略

前言：风力、光伏发电作为经济性和实用性较高的可再 生能源，近年来发展迅速。但受限于目前电网实际情 况及电力系统消纳问题，风力发电和光伏发电发展举 步维艰，甚至出现了大量的 “弃风”、 “弃光”现象。 一方面，由于中国电力资源主要分布在西北部地区， 且风电场大部分是离岸海上风电场或偏远地区，而目 前以及未来很长一段时期内，国内的大部分负荷主要 集中在中东部地区，需要实现远距离电力传输; 另一 方面，由于风力发电及光伏发电的随机性和稳定性低等特点，若将其直接接入电网会引起电网中的有功扰 动，恶化电网中的频率质量，此外，与电网解耦的变 速风电机组隐藏了自身的惯量和调频能力，进一步使 电网缺乏惯量支持。这些问题已成为抑制新能源发电 发展的瓶颈。因此，实现新能源并网和远距离输电 的要求十分迫切。 远距离大容量的输电无论从技术上还是经济上都 应优先选择高压直流输电方式。基于电压源换流器的 柔性直流输电 ( Voltage Source Converter High Voltage Direct Current，VSC-HVDC) 技术的风电场联网已被广 泛认为是实现大型风电场及风电场群与主网之间稳定 互联的最有潜力的电力传输方式。一方面，VSCHVDC 可以独立快速控制系统的有功和无功，维持电网接入点电压稳定，保证风电场不脱网运行，极大地 增强了风电并网的灵活性。另一方面，通过大面积 建设 VSC-HVDC 的直流电网可将大量可再生能源与现 有能源系统互联，实现多种类、多形式和多时间尺度 的灵活电力系统。

一，多端直流输电技术发展

换流站拓扑结构是 MTDC 技术的核心，其发展历 程主要分为三代: 第一代为晶闸管换流器 ( Line Commuted Converter，LCC) ; 第二代为两电平或三电平电 压源换流器 ( VSC) ; 第三代为模块化多电平换流器 ( MMC) 和两电平级联换流器。第一代由于晶闸管 易出现换相失败和系统发生潮流反转时电压极性发生 反转等缺点逐渐被 VSC 取代。第二代由于电力电子开 关耐压等级、容量等级和通流能力问题，换流器存在 二极管续流，难以实现故障快速清除等问题，难以适用于分散性、轻小型功率输送场合，如风电、 光伏并网、海上孤岛供电或海上钻井平台供电等。第 三代换流器拓扑是目前直流输电的研究热点，MMC 因 其满足高压大容量，同时具有良好的故障穿越能力而 得到了各界学者的青睐。目前研究倾向于结合第一代 和第三代换流器的优点组成混合多端直流输电拓扑， 提高系统的灵活性。前对于 MTDC 系统的拓扑结构，还没有一套完 整的评价标准。介绍了几种常见的 MTDC 连 接方式，主要分为串联型和并联型。以四端系统为 例，串联型 MTDC 系统如图1a 所示，各换流站流过的 直流电流相同，需要有一端换流站控制直流电流，其 他换流站调节功率分配。该连接方式故障恢复速度 慢，当有新器件接入电路中时，对设备的绝缘和耐压 等级要求高，不利于电网拓展。因此，实际中应用较 少。并联型 MTDC 系统各换流站的电压等级相同，故 障恢复快，有利于电网拓展，因此，在工程中得到了 广泛应用。而并联型 MTDC 根据换流站之间的连线方 式又可分为辐射型和环网型。辐射型连接方式是将所有换流器的连线汇聚到一 点，形成分支结构，该拓扑接线短，经济性好，适用 于远距离输电和海上风电场并网，缺点是当电路中任 意一条线路检修或是发生故障退出时，至少有一个换 流站停运。环网型连接方式是利用输电线路将系统中 所有换流站连接成一个闭合回路，当一个换流站出现 故障时，其他换流站利用各自的过负荷能力使系统继 续保持运行，可靠性高，易于检修，运行方式灵活。

二．MTDC 故障分析及保护控制

在系统故障情况下，快速准确地获取故障后信息 并对故障进行定位，是采取合理控制策略的关键。按 照故障的位置，换流站故障可以分为直流侧故障和交 流侧故障两大类。直流侧故障包括直流侧输电网故障 和 MTDC 系统中换流站故障，典型的故障现象为直流 母线电压波动。交流侧故障则包括交流电网或风电场 侧发生短路等，典型故障现象为交流侧电压出现幅值 和相角突变以及三相不平衡等。根据暂态电 流的特征对 MTDC 直流传输线路故障进行定位，但该 方法对 MTDC 保护系统要求较高。提出两种 故障识别方式，一种是设定电流上升和电压下降的区 间，通过判断系统是否超过限定值来检测故障，但只 能区分交流故障和直流故障; 另一种是通过比较各个 换流器故障电流的增长速度来判断。 直流故障下系统的运行能力是评估直流输电系统 的重要指标。对直流侧故障的研究重点在于无远端 通信条件下如何对直流侧故障的辨识和处理。直流输 电系统中直流故障电流会对器件造成冲击，并且，直 流侧故障对连接交流系统而言相当于三相短路故障， 尤其对 MTDC 系统而言，直流侧单点故障相当于多点 故障，对系统的稳定运行造成很大的影响。根据电力 电子设备的特点，为防止直流故障引起直流过压造成 设备损坏，直流侧通常需设置放电或储能单元。由于 直流侧没有电流过零点，需要对应的故障保护器件来 快速中断大电流。针对直流侧故障，可以将 MTDC 系 统中换流站故障处理与 MTDC 系统拓扑相结合，根据 系统的拓扑结构制定相关策略。 在交流电压故障情况下，并网电压发生突变，系 统需要快速准确地检测电网电压的幅值及相角变化， 包括故障情况下电压基波幅值、相位信息的变化特 征，不对称故障情况下负序分量的产生，故障对换流 站的危害程度等。MTDC 的保护系统不仅要保护系统中的元件，还 需要维持故障以外的系统稳定运行，因此，需要在其 他连接的换流站封锁并变成不可控之前断开直流 CBs 隔离故障。ABB 提出的直流 CBs 成为一大突破。但所 提出的直流 CBs 解决方案还不足以使系统故障后快速 恢复运行。为了克服时间限制，提出在 换流站出口使用限流电抗器，减小直流故障电流的峰 值及上升速度。但加入电感后，在减小系统的故障电 流的同时，一方面，降低了多端系统的刚度，影响了 系统的潮流控制，需要在换流站控制器中加以补偿， 增加了换流站控制器的复杂度; 另一方面，增大了系 统的成本和体积。基于协方差适应进化策略 提出一种限流电感设计的优化方法，一方面在 VSC 输 出侧将电抗器电感值最小化; 另一方面，将电抗器的 成本、体积以及直流故障电流峰值最小化。为了确保 MTDC 系统的可靠性，必须对故障线路和换流站进行 解耦，提高 MTDC 故障穿越能力，提出一种 利用换流站局部控制信号，减轻故障时有功注入交流 网络所造成的直流电压上升，无需通信。

结束语：

MTDC 方式作为目前连接新能源，实现电网互联 最有潜力的方式，是未来电网发展的必然趋势。其系 统控制和故障保护控制仍然是 MTDC 技术发展的两大 挑战。目前，MTDC 系统的协调控制为了避免高度依 赖通信，在传统下垂控制的基础上进行改进，很难做 到兼顾直流电压稳定和有功功率协调分配。因此，应 进一步提高 MTDC 系统功率协调技术，在实现保证系 统直流电压稳定的同时，合理分配系统功率，从而改 善 MTDC 系统的稳定性，逐步提高新能源在电网中的 主动调节能力。

参考文献：

［ 1］ 陈霞，林卫星，孙海顺，等． 基于多端直流输电的 风电并网技术［J］ ． 电工技术学报，2011，26( 7) :