黃賢睿

(華北電力大學,北京102206)

1 概述

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭及其帶來環(huán)境問題的日益加劇,世界各國逐漸將關(guān)注點轉(zhuǎn)移到風能、太陽能等新型可再生能源的開發(fā)利用上[1]。在全球大力開發(fā)新能源的大背景下,柔性直流輸電技術(shù)憑借其獨特的技術(shù)優(yōu)勢,逐漸進入人們的視野。柔性直流輸電不存在換相失敗問題,可靠性與穩(wěn)定性相較于傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)有大幅提升[2]。同時,柔性直流輸電技術(shù)可以四象限運行,運行方式靈活多變。柔性直流輸電可以方便地構(gòu)成直流電網(wǎng),使其非常適用于新能源的大規(guī)模接入和并網(wǎng)。與交流輸電和傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比,柔性直流輸電技術(shù)在跨區(qū)域大容量輸電、可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、城市負荷中心供電等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢,逐漸成為構(gòu)建新一代智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),引起了世界各國學者的廣泛關(guān)注[3]。

針對柔性直流輸電技術(shù)的研究中,搭建柔直系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型是非常重要的一步。在仿真模型的基礎(chǔ)上,可以進一步對柔直系統(tǒng)的接線方式、控制策略、運行特性等展開深入研究。目前,matlab/simulink、PSCAD/EMTDC 等軟件中均包含有柔性直流輸電相關(guān)的模塊組件,能夠支持針對柔性直流輸電系統(tǒng)的大規(guī)?？焖俜抡婀ぷ?。

柔直系統(tǒng)中,MMC 作為換流站的重要主設(shè)備,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含有大量子模塊,且每時每刻均處于開關(guān)動作中。目前針對MMC搭建的電磁暫態(tài)模型主要可以分為詳細模型和等效模型兩類[4]。詳細模型是在軟件中以IGBT、二極管、電容等元件根據(jù)MMC實際物理結(jié)構(gòu)搭建而成,可以準確地反映MMC 中每個元件的工作過程,準確性高,但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,元件數(shù)量多,仿真速度很慢,不適用于進行大規(guī)模柔直系統(tǒng)的仿真。等效模型中,加拿大曼尼托巴大學GOLE 教授1992 年提出的基于戴維南等效原理的MMC 模型[5],既可以準確反映子模塊充放電過程,又具有仿真速度快的優(yōu)點,是目前柔直系統(tǒng)仿真建模中廣泛使用的模型。

我國柔性直流輸電技術(shù)的研究日漸深入和成熟,目前國內(nèi)已有舟山、張北、南澳等大型多端柔直工程正式投運,高壓直流斷路器等新型輸電裝備也在各大柔直工程中投入使用。本文以舟山柔直工程和張北柔直工程為研究對象,在電磁暫態(tài)仿真軟件中搭建了系統(tǒng)模型,對柔直系統(tǒng)正常工況及故障工況進行了仿真研究。仿真結(jié)果顯示,模型能夠準確反映柔直系統(tǒng)不同工況下的特性,利用本文搭建的仿真模型,可以針對柔性直流輸電系統(tǒng)進行進一步的深入研究。

2 MMC 柔性直流輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 MMC 柔直系統(tǒng)換流站單站拓撲

MMC-HVDC 系統(tǒng)主要由換流站及直流線路組成,換流站單站拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。柔直換流站通過聯(lián)結(jié)變壓器與交流電網(wǎng)相連,圖1 中Rs為交流系統(tǒng)等效電阻,Ls為交流系統(tǒng)等效電感,N 點為系統(tǒng)中性點。MMC 由3 相6 橋臂構(gòu)成,每個橋臂中均含有數(shù)量眾多的子模塊(SM,Sub-Module)及橋臂電感Larm。以半橋型MMC 為例,其子模塊由兩個IGBT 器件T1/T2以及子模塊電容Csm構(gòu)成。通過控制子模塊中IGBT 器件的開通與關(guān)斷,子模塊電容Csm 可以在投入與切除狀態(tài)之間來回切換。MMC運行過程中,每時每刻處于投入狀態(tài)的子模塊個數(shù)和為定值,換流站通過最近電平逼近、空間矢量調(diào)制、載波移項等調(diào)制策略對MMC 進行控制,使MMC 保持直流側(cè)輸出電壓恒定的同時,在交流側(cè)則輸出近似正弦的階梯波。換流閥出口處為平波電抗器,其數(shù)值一般為幾十至數(shù)百mH,主要作用是限制短路電流及穩(wěn)定直流側(cè)電壓波形。另外,隨著近年來直流斷路器相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與日趨成熟,各大柔直系統(tǒng)中紛紛引入高壓直流斷路器作為切斷故障電流的重要手段。目前國內(nèi)已經(jīng)投運的柔直工程中,南澳工程裝有兩臺機械式高壓直流斷路器,舟山柔直工程裝有兩臺混合式高壓直流斷路器,張北柔直工程中也裝有十六臺混合式高壓直流斷路器。此前,柔直系統(tǒng)中發(fā)生直流側(cè)故障時,需要閉鎖換流閥并斷開交流側(cè)斷路器以切除故障,這將使換流站整體從系統(tǒng)中斷開,造成大范圍的停電。而引入直流斷路器后,系統(tǒng)可以通過直流斷路器切斷故障線路,實現(xiàn)換流閥不閉鎖條件下的故障清除。

3 MMC 柔性直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真建模

本文以張北四端柔性直流輸電工程為例,搭建電磁暫態(tài)仿真模型。張北柔性直流輸電工程主要由豐寧、康保、張北、北京等4 個換流站組成,其中張北站與康保站為送電端,與220kV交流電網(wǎng)相連,豐寧站主要起負荷調(diào)節(jié)作用,而北京站為受電端,二者接入500kV 交流電網(wǎng)。系統(tǒng)額定電壓±500kV,輸電線路總長達666km,起到匯集利用張北地區(qū)可再生能源、向北京城區(qū)及冬奧會場館供電的重要功能。

張北柔直電網(wǎng)呈口字型結(jié)構(gòu),其系統(tǒng)拓撲如圖2 所示。系統(tǒng)中有康?！獜埍?、張北—北京、北京—豐寧、豐寧—康保等4回直流輸電線路,正負極線兩端共配置有16 臺混合式高壓直流斷路。張北工程中,直流線路與金屬回線為同塔架設(shè),塔型與500kV 常規(guī)直流輸電相同,正負極線為4×JL/G2A-720/50 鋼芯鋁絞線,金屬回線型號為2×2×JNRLH60/G1A-400/35。張北柔直工程在北京站設(shè)置接地極,采用換流站中性點經(jīng)電阻和電感與換流站接地網(wǎng)連接的接地方式,接地電阻為15Ω,另外三站的中性點則通過金屬回線與北京站接地極相連。

圖2 張北柔直工程系統(tǒng)拓撲

根據(jù)圖2 所示的張北柔直工程系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),在電磁暫態(tài)仿真軟件中搭建了張北四端柔性直流工程系統(tǒng)仿真模型。MMC采用文獻[5]中提出的戴維南等效模型,在保證仿真精度的同時大大提升了計算速率。直流線路采用了考慮頻率效應(yīng)的相域模型,該模型是目前精度最高的傳輸線模型,適用于各種頻率范圍下的線路仿真。張北工程中,正負極線處的限流電抗器數(shù)值為150mH,中性線上的限流電抗器數(shù)值為300mH,本文搭建的仿真模型中也進行了相關(guān)設(shè)置。

圖3 康保站正負極線電壓仿真波形

依托上文中搭建的張北柔直工程模型展開了仿真研究,設(shè)置仿真時長為1.5s,步長設(shè)置為3us。圖3 展示了仿真過程中,康保換流站正負極線的電壓波形。由圖3 可見,啟動階段換流站正負極線電壓從零開始逐步建立電壓,在約0.16s 處達到電壓最大值,隨后在系統(tǒng)控制策略的作用下緩慢回落,約0.9s 后達到系統(tǒng)額定電壓530kV,之后直流側(cè)電壓維持在額定電壓不變。仿真過程中四個換流站的電壓波形基本一致,整個電網(wǎng)的直流電壓穩(wěn)定,各站正負極電壓波形基本對稱?？梢钥吹?本文搭建的仿真模型準確反映了柔直系統(tǒng)運行時的工作特性,并能夠通過控制策略對電壓進行控制。

4 結(jié)論

本文針對MMC 柔性直流輸電系統(tǒng)展開了研究,基于張北柔性直流輸電工程拓撲結(jié)構(gòu),搭建了電磁暫態(tài)仿真模型,并依托搭建的仿真模型在電磁暫態(tài)仿真軟件中展開了仿真研究,得到以下結(jié)論：

4.1 柔性直流輸電技術(shù)作為新一代輸電技術(shù),在可再生并網(wǎng)、孤島供電、城市負荷中心供電等場景下具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢,是未來構(gòu)建新一代智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),具有廣闊的發(fā)展前景。

4.2 通過建立準確度足夠的仿真模型,可以依托電磁暫態(tài)仿真軟件,對柔直系統(tǒng)的運行特性進行仿真研究。

4.3 搭建了張北柔性直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型,該模型能夠準確反映張北柔直電網(wǎng)的運行特性,可用于故障分析、控制策略優(yōu)化等深入研究工作。