大规模光伏电站经柔性直流并网系统故障穿越策略_孙银锋.pdf

新型电力系统DOI:10.15961/j.jsuese.202200520大规模光伏电站经柔性直流并网系统故障穿越策略孙银锋1，李溶1*，刘金鑫1，李国庆1，王振浩1，吴学光2,3(1.现代电力系统仿真控制与绿色能源新技术教育部重点实验室（东北电力大学），吉林 吉林 132012；2.全球能源互联网研究院，北京 102211；3.直流电网技术与仿真北京市重点实验室，北京 102211)摘要：大规模光伏经柔性直流并网系统采用直流架空线路是未来新能源并网的趋势之一。然而，架空线直流短路故障发生概率较大，极易导致光伏电站脱网或换流站电力电子器件损坏。本文首先根据柔性直流输电系统、光伏电站特性，建立了相应的数学模型及仿真系统模型；其次，针对大容量光伏经双极模块化多电平换流器（modu-lar multilevel converter，MMC）的高压直流功率传输系统发生直流架空线路单极短路接地故障工况，分析其故障特性；最后，提出综合考虑直流断路器（direct current circuit breaker，DCCB），换流站控制方式，光伏电站功率出力控制的直流故障穿越的协调控制策略。即故障发生时利用非故障极换流站继续进行功率传输，根据换流站额定功率与光伏电站输出功率计算得到不平衡功率，充分利用光伏阵列自身功率输出特性，优化光伏电站内的直流线路电压，实现控制光伏电站输出功率减载；对直流架空线路在瞬时故障情况下的故障穿越问题，提出了光伏电站减载以及换流站功率前馈增量控制，从而维持系统功率平衡，提高系统的并网稳定性；基于PSCAD/EMTDC的建模仿真，通过故障穿越措施前后的系统参数对比，表明所提方法能够有效地维持光伏电站与柔性直流系统运行特性，平稳实现故障穿越。关键词：光伏电站；故障穿越；柔性直流中图分类号：TM72文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0107-10Fault Traversal Strategy for Large-scale Photovoltaic Power Station viaFlexible DC Grid-connected SystemSUN Yinfeng1，LI Rong1*，LIU Jinxin1，LI Guoqing1，WANG Zhenhao1，WU Xueguang2,3(1.Modern Power System Simulation Control and Green Energy New Technol.Key Lab.of the Ministry of Education(Northeast Electric Power Univ.),Jilin 132012,China;2.Global Energy Interconnection Research Inst.,Beijing 102211,China;3.Beijing Key Lab.of DC Power Grid Technol.and Simulation,Beijing 102211,China)Abstract:Large-scale PV adopts DC overhead lines for flexible DC grid connection is one of the trends of new energy grid-connected in the fu-ture.However,the high probability of DC short-circuit fault of overhead line can easily lead to the disconnection of photovoltaic power stations orthe damage of power electronic devices in converter stations.To solve this problem,firstly,according to the characteristics of flexible direct cur-rent transmission system and photovoltaic power station,the corresponding mathematical and simulation system model were established.Secondly,in view of the single-pole short-circuit grounding fault condition of DC overhead line in the high-voltage DC power transmission sys-tem with large-capacity PV through bipolar modular multilevel converter,the fault characteristics were analyzed.Finally,considering the controlmode of DC circuit breaker and converter station,as well as the power output of photovoltaic power station comprehensively,the coordinatedcontrol strategy of DC fault traversal were proposed.That is,when a fault occurs,the power transmission is continued by using the non-fault pole收稿日期:2022 05 25基金项目:国家自然科学基金项目（U2066208）作者简介:孙银锋（1983），男，副教授，博士.研究方向：柔性直流输电稳态分析控制与故障抑制.E-mail：*通信作者:李溶，E-mail：网络出版时间:2023 01 03 12:03:06 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023converter station,and the unbalanced power is calculated according to the rated power of the converter station and the output power of the photo-voltaic power station.By making full use of the power output characteristics of the photovoltaic array,the DC line voltage in the photovoltaicpower station is optimized,and the output power of the photovoltaic power station is reduced.To solve the problem of DC overhead line fault tra-versal under instantaneous failure,the load reduction of photovoltaic power station and power feed-forward incremental control of converter sta-tion were proposed,so as to maintain the power balance of the system and improve the grid connection stability of the system.Based on the simu-lations on PSCAD/EMTDC,the comparison of system parameters before and after fault traversal measures shows that the proposed method caneffectively maintain the operating characteristics of photovoltaic power station and flexible DC system,and smoothly achieve fault traversal.Key words:photovoltaic power station;fault ride through;high voltage direct current 在碳达峰与碳中和的总目标下，构建以新能源为主体的新型电力系统已经成为电力体制改革的主要手段1。光伏发电将会逐步成为基础电力能源支柱2。中国光伏发电目前以集中式大容量光伏电站为主3，主要集中在太阳能资源丰富而电力消纳能力较弱的西北地区，需将光伏发电远距离传输到电力负荷大、电力资源较少的东南地区46。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统（modular multilevel con-verterr based high voltage direct current，MMCHVDC）在传输远距离大容量光伏资源时具有输出电压质量好、谐波含量低、开关损耗低，并实现更大容量更高电压的功率传输7。为节约系统建设成本，常采用架空线做为MMCHVDC的直流功率传输线路89。而直流架空线路发生直流短路故障的概率较高，且柔性直流系统阻尼小，故障电流上升速度快，峰值可达到数十千安，对电网中器件造成严重损坏10。因此，为提高电网运行的稳定性，对如何加强电网对新能源的消纳能力，改进光伏能源发电接入电网时的故障穿越及动态调节能力，提高光伏经MMCHVDC并网直流故障穿越能力进行研究迫在眉睫。目前在光伏经柔性直流并网系统故障穿越方面已开展了一些研究。武承杰等11基于并网侧交流故障，分析了无功参考值与电压跌落之间的关系，提出一种电流限幅策略及无功参考值计算方法；但仅考虑故障时的并网点电压，并未研究光伏直流线路电压稳定程度。Benhalima等12构建了一种基于VSCHVDC的光伏中央发电连接海上风电系统，并通过使用修改后的Adaline算法提升整个系统的直流故障穿越能力；但研究仅局限于逆变器本身的控制，未对光伏与风电自身发出功率做了调整。高海力13在单端光伏接柔直并网系统，利用含超级电容储能的光伏电站为发生交流故障时的系统提供无功补偿，使光伏电站在故障结束后快速恢复有功输出；采用模型为单端MMC连接光伏，可传输能量较低，光伏直流电压要求较高。王雨虹等14在两端光伏接VSCHVDC系统拓扑结构中，在直流线路上附加硬件耗能电路消耗因并网点交流故障产生的不平衡功率，并协同无功补偿装置使光伏系统能够平稳穿越故障，加强了供电系统稳定性；但未能根据故障类型投切不同耗能电阻，因此无法实现大规模光伏功率传输。朱惠君 15分析单端光伏经MMC并网系统交直流故障时的电流特性，并在故障特征基础上提出了换流站故障识别判据；分析了直流故障后直流线路的电压特征，提出了换流站交直流保护的协调配合策略，实现了快速识别交、直流故障；但仅对故障识别速度进行改进，未就故障穿越能力进行研究。石肖鹏16针对两端光伏接VSCHVDC功率传输系统，在光伏电站出口发生交流短路接地的情况，对光伏电站内逆变器进行功率调节，改变有功无功输出，保证光伏电站连接VSCHVDC的稳定；但对并网系统影响最大的直流架空线路短路接地故障未采取保护措施。上述研究大多集中在光伏经VSCHVDC交流侧短路故障穿越，或光伏经单端MMC并网短路故障穿越。对光伏经双极