柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中應用的仿真研究

李春葉 李 勝

（1.太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024；2.北京林業(yè)大學工學院，北京 100083）

1 引言

保障城市供電可靠性和安全性具有重要的社會和經(jīng)濟意義。把柔性直流輸電引入用電密集的城市電網(wǎng)，利用它的輸電能力強，潮流快速可控等特點，解決城市供電中存在的線路走廊缺乏、電力設施與城市景觀不和諧、無功功率消耗較大、供電成本高以及潮流難以控制等問題，有利于維持城市電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行。因此有必要對柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中的作用做進一步分析。

本文分析了當前城市電網(wǎng)面臨的問題和柔性直流輸電的原理及技術優(yōu)勢，針對柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中的應用，利用PSS/E對柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中在提高暫態(tài)穩(wěn)定性、抑制低頻振蕩及提高電壓穩(wěn)定性等方面的作用進行了仿真研究，仿真結果表明柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中具有良好的應用前景。

2 柔性直流輸電

隨著基于 PWM 和大功率全控型器件的電壓源換流器（VSC）、高壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的出現(xiàn)以及換流站造價的降低，柔性直流技術越來越受到重視。國內(nèi)外針對柔性直流輸電技術開展了一系列研究，文獻[1-6]討論了柔性直流輸電的特點，模型以及控制策略。文獻[7]從柔性直流輸電的優(yōu)點出發(fā)，定性地討論了柔性直流輸電在城市電網(wǎng)運用的可行性，但對于柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中應用的可行性問題研究不夠充分，缺乏從經(jīng)濟性方面的定量分析。文獻[8－9]均利用經(jīng)濟手段對比分析了柔性直流輸電與其他手段措施對城市電網(wǎng)的某一方面影響進行了量化分析。文獻[8]僅從減小短路電流方面將柔性直流輸電與利用限流裝置的投資進行了對比分析，而文獻[9]從設備投資方面將柔性直流輸電與交流輸電進行了對比分析。這些對于柔性直流輸電的量化分析不夠全面，不足以體現(xiàn)柔性直流輸電的真正優(yōu)勢所在。文獻[10－11]分析了柔性直流輸電在改善電能質量、提供無功支持以及對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進行了仿真分析，文獻[10]介紹了柔性直流輸電在改善電壓質量方面所采取的控制措施，文獻[11]分析了柔性直流輸電在低頻振蕩、功角穩(wěn)定、次同步振蕩方面的作用，但它們并沒有深入分析這種影響的原因，沒有得出一些結論性的控制規(guī)律。

柔性直流輸電系統(tǒng)原理如圖1所示。由于采用全控型器件組成電壓源換流器，可以隨意控制開通和關斷，結合PWM技術可以快速改變交流輸出電壓的相位與幅值, 從而能實現(xiàn)有功與無功的單獨和迅速調(diào)節(jié)。

圖1 柔性直流輸電原理圖

采用脈寬調(diào)制（PWM）技術的 VSC具有兩個控制變量：調(diào)制比M（即VSC輸出電壓的基頻相電壓幅值與直流電壓的比值）和相對于VSC交流母線電壓Us的移相角度δ，其輸出交流母線電壓的基波分量為

式中，ud為VSC直流側電壓；μ為與PW˙M方式相關的直流電壓利用率；δs為交流母線電壓Us的相角。

進一步分析可知，在假設換流電抗器無損耗且忽略諧波分量時，換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率Q分別為

式中，Uc為VSC輸出電壓的基波分量；Us為交流母線電壓的基波分量；δ為Us和Uc之間的相角差；X為換流電抗器電抗。

分析可知，有功功率的傳輸主要取決于δ，無功功率的傳輸主要取決于Uc。因此通過對δ的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過控制Uc就可以控制 VSC發(fā)出或者吸收的無功功率。

從系統(tǒng)角度來看，VSC可以看成是一個無轉動慣量的電動機或發(fā)電機，幾乎可以瞬時實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)，實現(xiàn)四個象限運行。

3 柔性直流輸電對城市電網(wǎng)的影響

本文利用修改的四機兩區(qū)域系統(tǒng)來模擬一個等效的城市電力網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結構如圖2所示。新增一條柔性直流線路：額定電壓等級 200kV，額定傳輸功率400MW，主要網(wǎng)絡的參數(shù)文獻見[12]。

圖2 城市電力網(wǎng)絡結構圖

本文以圖2所示的等效城市電力網(wǎng)絡為例，應用PSS/E軟件進行時域仿真，分析柔性直流輸電改善系統(tǒng)穩(wěn)定性以及無功支持等方面對城市電網(wǎng)的作用，對以后柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中的實際應用提供一定的參考價值。

3.1 抑制城市電網(wǎng)的低頻振蕩

能源分布不均勻、環(huán)境保護和投資成本等因素造成電力系統(tǒng)中的電源遠離城市等負荷中心，這就需要經(jīng)過長距離輸電線路與系統(tǒng)中其他發(fā)電機并列運行。當系統(tǒng)受到小干擾后，發(fā)電機轉子間會發(fā)生低頻振蕩，輸電線路上的功率也會發(fā)生相應的振蕩。若系統(tǒng)缺乏足夠的阻尼，振蕩衰減較慢。目前增加系統(tǒng)低頻振蕩阻尼的方法主要有兩種：一種常用方法是在發(fā)電機上裝設電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），通過對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，形成一個與轉子轉速偏差同相位的電磁力矩增量，從而為振蕩提供附加的阻尼力矩[13]；另外一種是利用靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）技術從輸電環(huán)節(jié)中施加控制以增加系統(tǒng)振蕩阻尼。靜止無功補償器（SVC）、靜止無功發(fā)生器（STATCOM）、可控串聯(lián)補償器（TCSC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）以及傳統(tǒng) HVDC等裝置，在配置適當?shù)淖枘峥刂破鞯那闆r下，均能夠有效地抑制系統(tǒng)振蕩，增加系統(tǒng)阻尼[14]。

柔性直流輸電中每一個 VSC換流器可同時調(diào)節(jié)其輸出電壓的幅值和相角，能夠控制其與交流系統(tǒng)之間交換的有功和無功，即該裝置能夠實現(xiàn)與STATCOM 相似的無功功率控制，同時還可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)HVDC相似的有功功率控制，通過有功調(diào)制、無功調(diào)制或混合調(diào)制來快速改變其傳輸功率，從而達到抑制交流輸電線路功率振蕩、增加系統(tǒng)阻尼的目的。

對于圖2所示系統(tǒng)，柔性直流輸電的附加阻尼控制器裝設在定有功功率控制的VSC上，其輸入信號選為節(jié)點5和6之間交流輸電線路有功功率P56，輸出信號 Δ Pdcref則附加到定有功功率控制VSC的有功設定值Pdcref之上，以實現(xiàn)對有功功率的調(diào)制，如圖3所示。

圖3 含阻尼控制的VSC換流器控制圖

當節(jié)點6和7之間的任一回線在1s發(fā)生三相短路時，在持續(xù)80ms后將故障回路切除，利用PSS/E對無附加控制和有附加控制模式分別進行仿真，采用的附加控制模為 PSS/E 中的直流輔助信號模型HVDCAU，系統(tǒng)的暫態(tài)仿真計算結果如圖 4－7所示。其中，整流側換流器直流定值采取定直流功率控制，運行定值為300 MW；整流側的交流定值采取定交流母線電壓控制。相應地在逆變側，直流定值采取定直流電壓控制，交流定值采取定交流母線電壓控制。

圖4 節(jié)點5和6之間交流輸電線路有功功率

圖5 發(fā)電機G1相對于無窮大系統(tǒng)G3的功角搖擺曲線

圖6 發(fā)電機G4相對于無窮大系統(tǒng)G3的功角搖擺曲線

圖7 柔性直流輸電傳輸?shù)挠泄β是€

從圖4－7仿真計算結果可以看出，在柔性直流配置附加阻尼控制的情況下，故障擾動后通過對直流系統(tǒng)輸送有功功率的調(diào)制，動態(tài)調(diào)節(jié)其輸送的有功功率，系統(tǒng)阻尼特性可得到明顯地增強，擾動后交流輸電線路有功功率、發(fā)電機的功角以及交流母線電壓的振蕩均可得到快速抑制，快速恢復系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 為城市電網(wǎng)提供無功電壓支撐改善電壓穩(wěn)定性

近年來，國際上發(fā)生過多起因電壓失穩(wěn)和電壓崩潰而導致城市電網(wǎng)大面積停電事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。主要是由于遠離電源的城市負荷中心負荷的無功電壓支撐能力不足造成的，而且隨著城市負荷中心負荷的急劇增加，特別是空調(diào)等溫控負荷比例的增大和電力市場化改革的逐步推進，城市電網(wǎng)面臨電壓失穩(wěn)的威脅越來越大。

柔性直流輸電獨立的有功功率和無功功率控制，在輸送有功功率的同時，還可以向系統(tǒng)提供無功功率以維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，克服了傳統(tǒng)的直流輸電消耗大量無功功率加劇電壓失穩(wěn)的弊端。而且柔性直流輸電在系統(tǒng)電壓較低時其無功支持能力是最強的，這一點與傳統(tǒng)的電容無功補償相反。柔性直流的這些特性可以為城市電網(wǎng)提供無功電壓支撐改善電壓穩(wěn)定性。

對于圖2所示系統(tǒng)，當系統(tǒng)負荷逐漸增加時，即節(jié)點5和節(jié)點7的負荷以5%/s增長時，利用PSS/E進行仿真，仿真計算結果如圖8－11所示。其中，整流側換流器直流定值采取定直流功率控制，運行定值為400 MW；整流側的交流定值采取定交流母線電壓控制。相應地在逆變側，直流定值采取定直流電壓控制，交流定值采取定交流母線電壓控制。

圖8 節(jié)點5和節(jié)點7負荷增加變化曲線

圖9 節(jié)點5和節(jié)點7電壓變化曲線

圖10 柔性直流線路有功功率變化曲線

圖11 柔性直流線路兩端換流器的無功功率變化曲線

從圖8－11仿真計算結果可以看出，在負荷逐漸增長的過程中，柔性直流兩側換流器采取定交流母線電壓控制策略后，不僅可以維持正常有功功率輸送，而且可以發(fā)出更多的無功功率以支持其所連接的交流側母線電壓，從而維持節(jié)點5和節(jié)點7電壓的基本恒定。因此，柔性直流采取合適的控制策略可以為城市電網(wǎng)提供無功電壓支撐以改善交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

4 結論

本文分析了柔性直流輸電的技術優(yōu)勢，利用PSS/E對柔性直流輸電對城市電網(wǎng)在抑制低頻振蕩及提高電壓穩(wěn)定性等方面的作用進行了仿真研究。仿真表明柔性直流輸電技術在城市電網(wǎng)供電中能發(fā)揮積極的作用，具有良好的應用前景。

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