黄贤睿

(华北电力大学,北京102206)

1 概述

随着传统化石能源的日益枯竭及其带来环境问题的日益加剧,世界各国逐渐将关注点转移到风能、太阳能等新型可再生能源的开发利用上[1]。在全球大力开发新能源的大背景下,柔性直流输电技术凭借其独特的技术优势,逐渐进入人们的视野。柔性直流输电不存在换相失败问题,可靠性与稳定性相较于传统的直流输电技术有大幅提升[2]。同时,柔性直流输电技术可以四象限运行,运行方式灵活多变。柔性直流输电可以方便地构成直流电网,使其非常适用于新能源的大规模接入和并网。与交流输电和传统直流输电技术相比,柔性直流输电技术在跨区域大容量输电、可再生能源并网、孤岛供电、城市负荷中心供电等领域具有显著优势,逐渐成为构建新一代智能电网的关键技术,引起了世界各国学者的广泛关注[3]。

针对柔性直流输电技术的研究中,搭建柔直系统的电磁暂态仿真模型是非常重要的一步。在仿真模型的基础上,可以进一步对柔直系统的接线方式、控制策略、运行特性等展开深入研究。目前,matlab/simulink、PSCAD/EMTDC 等软件中均包含有柔性直流输电相关的模块组件,能够支持针对柔性直流输电系统的大规模快速仿真工作。

柔直系统中,MMC 作为换流站的重要主设备,结构复杂,含有大量子模块,且每时每刻均处于开关动作中。目前针对MMC搭建的电磁暂态模型主要可以分为详细模型和等效模型两类[4]。详细模型是在软件中以IGBT、二极管、电容等元件根据MMC实际物理结构搭建而成,可以准确地反映MMC 中每个元件的工作过程,准确性高,但由于结构复杂,元件数量多,仿真速度很慢,不适用于进行大规模柔直系统的仿真。等效模型中,加拿大曼尼托巴大学GOLE 教授1992 年提出的基于戴维南等效原理的MMC 模型[5],既可以准确反映子模块充放电过程,又具有仿真速度快的优点,是目前柔直系统仿真建模中广泛使用的模型。

我国柔性直流输电技术的研究日渐深入和成熟,目前国内已有舟山、张北、南澳等大型多端柔直工程正式投运,高压直流断路器等新型输电装备也在各大柔直工程中投入使用。本文以舟山柔直工程和张北柔直工程为研究对象,在电磁暂态仿真软件中搭建了系统模型,对柔直系统正常工况及故障工况进行了仿真研究。仿真结果显示,模型能够准确反映柔直系统不同工况下的特性,利用本文搭建的仿真模型,可以针对柔性直流输电系统进行进一步的深入研究。

2 MMC 柔性直流输电系统拓扑结构

图1 MMC 柔直系统换流站单站拓扑

MMC-HVDC 系统主要由换流站及直流线路组成,换流站单站拓扑结构如图1 所示。柔直换流站通过联结变压器与交流电网相连,图1 中Rs为交流系统等效电阻,Ls为交流系统等效电感,N 点为系统中性点。MMC 由3 相6 桥臂构成,每个桥臂中均含有数量众多的子模块(SM,Sub-Module)及桥臂电感Larm。以半桥型MMC 为例,其子模块由两个IGBT 器件T1/T2以及子模块电容Csm构成。通过控制子模块中IGBT 器件的开通与关断,子模块电容Csm 可以在投入与切除状态之间来回切换。MMC运行过程中,每时每刻处于投入状态的子模块个数和为定值,换流站通过最近电平逼近、空间矢量调制、载波移项等调制策略对MMC 进行控制,使MMC 保持直流侧输出电压恒定的同时,在交流侧则输出近似正弦的阶梯波。换流阀出口处为平波电抗器,其数值一般为几十至数百mH,主要作用是限制短路电流及稳定直流侧电压波形。另外,随着近年来直流断路器相关技术的不断发展与日趋成熟,各大柔直系统中纷纷引入高压直流断路器作为切断故障电流的重要手段。目前国内已经投运的柔直工程中,南澳工程装有两台机械式高压直流断路器,舟山柔直工程装有两台混合式高压直流断路器,张北柔直工程中也装有十六台混合式高压直流断路器。此前,柔直系统中发生直流侧故障时,需要闭锁换流阀并断开交流侧断路器以切除故障,这将使换流站整体从系统中断开,造成大范围的停电。而引入直流断路器后,系统可以通过直流断路器切断故障线路,实现换流阀不闭锁条件下的故障清除。

3 MMC 柔性直流输电系统电磁暂态仿真建模

本文以张北四端柔性直流输电工程为例,搭建电磁暂态仿真模型。张北柔性直流输电工程主要由丰宁、康保、张北、北京等4 个换流站组成,其中张北站与康保站为送电端,与220kV交流电网相连,丰宁站主要起负荷调节作用,而北京站为受电端,二者接入500kV 交流电网。系统额定电压±500kV,输电线路总长达666km,起到汇集利用张北地区可再生能源、向北京城区及冬奥会场馆供电的重要功能。

张北柔直电网呈口字型结构,其系统拓扑如图2 所示。系统中有康保—张北、张北—北京、北京—丰宁、丰宁—康保等4回直流输电线路,正负极线两端共配置有16 台混合式高压直流断路。张北工程中,直流线路与金属回线为同塔架设,塔型与500kV 常规直流输电相同,正负极线为4×JL/G2A-720/50 钢芯铝绞线,金属回线型号为2×2×JNRLH60/G1A-400/35。张北柔直工程在北京站设置接地极,采用换流站中性点经电阻和电感与换流站接地网连接的接地方式,接地电阻为15Ω,另外三站的中性点则通过金属回线与北京站接地极相连。

图2 张北柔直工程系统拓扑

根据图2 所示的张北柔直工程系统拓扑结构,在电磁暂态仿真软件中搭建了张北四端柔性直流工程系统仿真模型。MMC采用文献[5]中提出的戴维南等效模型,在保证仿真精度的同时大大提升了计算速率。直流线路采用了考虑频率效应的相域模型,该模型是目前精度最高的传输线模型,适用于各种频率范围下的线路仿真。张北工程中,正负极线处的限流电抗器数值为150mH,中性线上的限流电抗器数值为300mH,本文搭建的仿真模型中也进行了相关设置。

图3 康保站正负极线电压仿真波形

依托上文中搭建的张北柔直工程模型展开了仿真研究,设置仿真时长为1.5s,步长设置为3us。图3 展示了仿真过程中,康保换流站正负极线的电压波形。由图3 可见,启动阶段换流站正负极线电压从零开始逐步建立电压,在约0.16s 处达到电压最大值,随后在系统控制策略的作用下缓慢回落,约0.9s 后达到系统额定电压530kV,之后直流侧电压维持在额定电压不变。仿真过程中四个换流站的电压波形基本一致,整个电网的直流电压稳定,各站正负极电压波形基本对称。可以看到,本文搭建的仿真模型准确反映了柔直系统运行时的工作特性,并能够通过控制策略对电压进行控制。

4 结论

本文针对MMC 柔性直流输电系统展开了研究,基于张北柔性直流输电工程拓扑结构,搭建了电磁暂态仿真模型,并依托搭建的仿真模型在电磁暂态仿真软件中展开了仿真研究,得到以下结论：

4.1 柔性直流输电技术作为新一代输电技术,在可再生并网、孤岛供电、城市负荷中心供电等场景下具有独特的技术优势,是未来构建新一代智能电网的关键技术,具有广阔的发展前景。

4.2 通过建立准确度足够的仿真模型,可以依托电磁暂态仿真软件,对柔直系统的运行特性进行仿真研究。

4.3 搭建了张北柔性直流输电系统电磁暂态仿真模型,该模型能够准确反映张北柔直电网的运行特性,可用于故障分析、控制策略优化等深入研究工作。