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【技术】多端直流输电系统控制研究综述

2015-09-22 00:07
雷本祖
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  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以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、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 DirectCurrent, 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,VSC-HVDC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、多时间尺度的灵活电力系统。

  然而,采用传统的两端直流输电系统来实现多个电网之间的互联,需要多条直流传输线路,成本和运行费用很高。在两端直流输电的基础上发展而来的具有三个及三个以上换流站的直流输电,称为多端柔性直流输电(VSC-MTDC),它具备常规直流输电系统远距离输电、潮流反转而电压极性不变等优点,且可以实现多电源供电和多落点受电,该技术的出现很好的解决风电并网所遇到的难题。

  因此,开发含风力发电的VSC-MTDC系统,解决风电并网和消纳问题,突破目前风力发电的瓶颈,增强电网和风电系统之间的友好兼容关系是未来电网发展的趋势。

  目前MTDC技术发展所面临的挑战主要包括:系统控制、系统故障分析及保护。一方面,急需改善含风力发电的MTDC系统的功率调节能力,使各端电网相互之间能够提供更完善的功率支持;另一方面,需要研究MTDC系统的故障保护策略,提高其可靠性和故障穿越能力。

  我国目前对VSC-MTDC系统还未给出特定的技术指标要求,英国给出了三个MTDC技术要求,分别是:无论正常运行还是故障条件下,直流电压必须可控;当陆地电网发生故障时,MTDC能支持电网,满足低电压穿越,并对电网提供无功支持;当MTDC内部发生故障时,给出系统所允许的有功减少量的最大值,即为了保证系统的稳定性,应尽量减少因内部故障而造成输送功率的缺失[9]。

  本文首先从国内外MTDC系统的发展概况入手,介绍现有多端直流输电工程,并介绍换流站拓扑及MTDC系统拓扑的发展概况;其次,从系统控制和故障分析及保护两个方面论述MTDC的研究现状及存在的关键问题;最后,总结MTDC技术的系统控制发展,并进行展望,为未来MTDC技术的研究提供参考。

  1、多端直流输电技术发展

  多端直流输电的概念最早于20世纪60年代被提出。因其在输电方面所占有的优势而得到广泛认可,迄今为止,世界上已存在多个多端直流输电工程,国内外各个MTDC工程的概况如表1所示。

  表1 国内外多端直流输电工程概况

  1.1、 换流站拓扑

  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 CommutedConverter, 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,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、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,难以适用于高压大容量的柔性直流输电系统。因此,第二代主要适用于分散性、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。

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