孤岛柔直送出系统换流站裕度设计及控制策略研究

• 作 者: 杨盼博
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2020年12期
• 关键词: 孤岛新能源 柔直换流站 直流侧故障 裕度设计 协调控制策略

大力发展清洁能源替代化石能源,建立安全高效的能源体系,不仅是能源发展的本质要求,也是能源领域供给侧结构性改革的中心工作。近年来,新能源发展迅速,柔性直流输电技术因其独特的优势获得广泛关注。然而由于我国新能源的分布特点,大多处于电网末端,新能源所发出的电力外送缺乏足够的交流电压支撑。这种情况下换流站无法控制流入的功率,而柔直电网具有低惯量、弱阻尼特点,故障发展速度快,在新能源切机指令执行时,可能已引发了连锁故障,导致整个柔直系统崩溃。本文聚焦于孤岛柔直送出系统场景,对系统中直流侧的故障特性进行了研究,并对现有的送出拓扑结构进行了优化,提出了适用于多点嵌入拓扑的控制策略,可实现换流站的故障穿越。论文的主要研究内容如下:(1)研究了柔直换流站的直流侧故障特性。针对受端换流站闭锁,推导了直流电压的表达式,解释了其动态过程,提取了影响直流电压的关键因素,并反推了达到保护定值所需的子模块电容值大小。针对送端换流站闭锁,做出了合理的假设,模拟了定直流电压换流站功率调节的速率,求得了桥臂电流的解析解,得到了桥臂电流的变化取决于直流电流的变化速度,提高电容大小和电感大小对延缓直流电流上升速度影响较小的研究结论。针对金属回线故障,分析了换流站对称运行和不对称运行状态下,金属回线发生短路和断路故障的特性。(2)提出了换流站预留裕度的思路来缓解孤岛柔直送出系统换流站故障引起的盈余功率问题。为了尽可能多的送出新能源功率,提出了多点嵌入型优化拓扑结构,使送端换流站交流侧直接存在电气联系,可以互为后备,某一极出现故障时,将盈余功率转移至健全极,并提出了换流站裕度设计准则,保证换流站故障后健全极仍处于安全稳定运行范围。(3)针对多点嵌入型拓扑,提出了相应的协调控制策略,可实现送端换流站间的功率转移,将故障极功率转带到健全极。在PSCAD/EMTDC上建立了相应仿真模型,对不同的控制策略进行了对比。最后得出选用两个电压控制极采用F-P下垂控制,功率控制极采用P-F下垂控制时,送端单极闭锁时,桥臂电流不会过流,受端单极闭锁时,在新能源切机前,直流电压不会达到保护定值,具有很好的暂态稳定性,实现了换流站的N-1故障穿越。