针对大规模新能源发电通过远距离架空线路送出场景，本文提出了一种新型的储能型柔性直流输电系统。在该系统中，送端换流站的储能型模块化多电平换流器（MMC）能够平抑新能源功率波动并为交流电网提供频率支撑，受端换流站采用半桥MMC且配置了单向通流的二极管阀，直流故障时可有效防止半桥MMC提供故障电流。相较于配置直流断路器的储能型MMC系统构建方案，本文所提储能型柔性直流输电系统能够降低换流器成本约12%；相较于其他同时具备直流故障清除与储能能力的拓扑方案，采用本文所提储能型MMC能够降低换流器成本约10%，具备较好的经济性。
01 研究背景
随着中国“双碳”目标与沙戈荒风光大基地建设的深入推进，中国已规划在西部和北部地区建设9个大型清洁能源基地，如图1所示。这些大型清洁能源基地具有如下鲜明特点：1）本地电网结构薄弱，甚至无常规电源支撑；2）新能源装机容量大、发电不确定性强；3）距离负荷中心远，需要远距离架空线路送出。大规模的新能源电能的远距离输送正面临着“发得稳”“送得出”“用得掉”的新难题，如何将基地里的大规模电能安全高效地输送到东部和南部负荷中心，是目前学术界和工业界关注的热点问题。
图1 “十四五”大型清洁能源基地布局示意图
02 系统结构
本文提出的储能型柔性直流输电系统总体结构如图2所示，系统以储能型MMC为送端换流器，以半桥MMC为受端换流器。储能型MMC使用了具有直流故障阻断能力的储能子模块（以下简称“DCB-ESSM”）。半桥MMC则额外增加了单向通流的二极管阀组以阻断直流故障。在正常工况下，储能MMC中的DCB-ESSM能够提供稳定的电平＋UC与0；而在直流故障工况下，子模块中绝缘栅双极型晶体管（IGBT）因过载而闭锁，DCB-ESSM在故障电流的续流作用下呈现－UC的输出电平，这使得直流故障电流能够被DCB-ESSM的电容快速消纳；DCB-ESSM的拓扑结构与工作原理如图3所示。小型的储能单元则通过一个Buck/Boost变换器与MMC子模块电容相并联。为解决常规的半桥储能子模块无法处理直流故障的问题，DCB-ESSM中还包含有一个故障模态切换单元，该单元的作用在于对储能Buck/Boost变换器进行复用，从而阻断故障电流。
图2 本文所提储能型柔性直流输电系统的电路拓扑
图3 DCB-ESSM的拓扑结构与工作原理
03 控制策略
稳态控制策略是储能型柔性直流输电系统安全稳定运行的基础。送端换流站采用构网方案，控制策略按开关周期不同可分成储能控制器与子模块投入控制器两部分，整体稳态控制策略如图4所示。储能控制器控制储能单元充放电功率，子模块投入控制维持MMC交直流侧电压稳定。
图4 储能型MMC的稳态控制策略
当架空输电线路发生直流短路故障时，两端的换流站将会检测到直流电流越限，继而将IGBT闭锁，迅速抑制直流故障电流的进一步发展，并在暂时性故障确认灭弧后恢复直流电压，实现换流器的快速重启。如果达到最大重启次数，则判定为永久性故障，换流器不再重启，进行检修与维护。储能型MMC的直流故障穿越控制时序如图5所示。
图5 储能型MMC的直流故障穿越控制
04 案例分析
为验证所提出的储能型柔性直流输电系统拓扑能够正常地进行功率输送，具备储能主动功率支撑与直流故障自清除的能力，在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了±800 kV的双端储能型柔性直流输电系统，其中新能源场站以大规模风电场为例。
观测送端换流站在风电场输送功率发生波动时的响应。风电场馈入功率在0.5 s时开始发生波动，储能型MMC发挥平抑功率波动作用。由图6所示仿真结果可见，当风电场输送功率波动时，储能系统能够通过合理充放电平抑波动，维持向直流电网传输相对稳定的功率。
图6 动态功率控制下的三端口功率波形
第2个工作场景设置为风电场通过柔性直流系统向交流主网馈送功率3 200 MW，储能系统向交流主网馈送功率192 MW，交流主网的公共连接点在0.5 s时负荷加重300 MW。图7展示了是否启用快速频率响应控制对交流主网频率的影响。可见启用快速频率响应控制后，电网频率跌落程度有所减小，储能系统的能量开始向负荷增加的交流主网传输。
图7 快速频率响应控制的效果对比
当逆变站与整流站之间的线路中点在0.2 s发生双极短路故障时，换流器因过流保护而闭锁，线路灭弧过程所需等待时间设置为0.2 s。故障过程中的直流电压和电流如图8所示。可见，故障穿越控制策略能够使换流站电压降低至零且在暂时性故障排除后迅速恢复直流电压，经历短暂闭锁时间后稳定地维持功率传输。
05 结语
针对未来大规模新能源发电通过架空线路远距离送出的场景，本文提出的储能型柔性直流输电系统具有良好的应用前景。通过运用所提出的控制策略，储能型柔性直流输电系统在功率传输过程中为新能源基地提供构网控制的同时，不仅能够提供有效的主动功率支撑，还能够自主清除直流电网双极短路故障，对架空线路输电具有良好的适应性。
