城市配電環(huán)網(wǎng)中的高溫超導(dǎo)輕型直流聯(lián)絡(luò)線方案研究

周小光，蔣曉華，張祥龍

（1.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京100052）

城市配電環(huán)網(wǎng)中的高溫超導(dǎo)輕型直流聯(lián)絡(luò)線方案研究

周小光1，蔣曉華1，張祥龍2

（1.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京100052）

為了闡明在城市配網(wǎng)中綜合應(yīng)用高溫超導(dǎo)直流電纜與輕型直流輸電技術(shù)構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行模式的方案的可行性及優(yōu)勢(shì)，建立了基于電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC的系統(tǒng)仿真模型，并在此基礎(chǔ)上仿真對(duì)于城市配網(wǎng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)特性的影響進(jìn)行仿真，其中包括110 kV母線的電壓幅值變化和110 kV變電站負(fù)荷的功率傳輸特性等。仿真結(jié)果表明，該方案不僅能夠增加110 kV線路的供電冗余度，提升變電站110 kV母線的電壓幅值，還能夠在交流供電線路發(fā)生故障、故障被切除和系統(tǒng)恢復(fù)供電這一動(dòng)態(tài)過程中，降低110 kV母線電壓和負(fù)荷功率的振蕩幅度和振蕩時(shí)間。

環(huán)網(wǎng)；高溫超導(dǎo)電纜；變電站；輕型直流

引言

我國110 kV及以下電壓等級(jí)的電網(wǎng)均采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的供電方式。此種運(yùn)行方式下2個(gè)110 kV變電站供電線路相互獨(dú)立，系統(tǒng)短路阻抗大。但110 kV變電站間無法實(shí)現(xiàn)功率的相互支援，使得它們的供電冗余度較低，以至于無法滿足一些中心城市對(duì)供電可靠性和安全性以及供電質(zhì)量越來越高的要求。采用交流線路閉環(huán)運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)110 kV變電站之間的功率支援，卻會(huì)增大系統(tǒng)的短路故障電流［1-4］。

采用高溫超導(dǎo)直流電纜實(shí)現(xiàn)110 kV變電站供電線路間的聯(lián)絡(luò)則可以有效克服以上問題。一方面，直流系統(tǒng)可以在不增加系統(tǒng)短路故障電流的同時(shí)實(shí)現(xiàn)110 kV變電站間功率的相互支援；另一方面，高溫超導(dǎo)電纜的使用能夠增大直流系統(tǒng)傳輸?shù)墓β嗜萘?，降低系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的損耗。由于高溫超導(dǎo)電纜載流密度很大，還能夠減小電纜的敷設(shè)面積，降低電纜敷設(shè)成本，而這部分成本在中心城市的電纜項(xiàng)目中占有很大比重。文獻(xiàn)［5-6］采用高溫超導(dǎo)直流電纜連接城市中2座變電站的110 kV母線，以增加城市中心供電的冗余度，提高供電可靠性。然而，由于該項(xiàng)目采用的是常規(guī)直流輸電技術(shù)，換流站和逆變站本身需要消耗較多的無功功率，并且輸送功率的方向不易轉(zhuǎn)變，所以只適合用于功率流向固定且無功電源充足的場(chǎng)合［7-9］。與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，輕型直流輸電技術(shù)的控制更加靈活，能夠獨(dú)立快速地控制換流站吸收或發(fā)出的有功功率和無功功率，所以其不僅適于工作在功率流向變化頻繁的場(chǎng)合，還能夠?yàn)榻涣飨到y(tǒng)提供一定的電壓支撐［7-11］。

綜合以上分析，本文首先介紹綜合應(yīng)用高溫超導(dǎo)直流電纜與輕型直流輸電技術(shù)連接城市110 kV變電站供電線路的方案，然后建立該聯(lián)絡(luò)方案的PSCAD/EMTDC系統(tǒng)仿真模型，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案對(duì)提升城市配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的供電冗余度和母線電壓幅值的作用，并進(jìn)一步驗(yàn)證該方案在交流系統(tǒng)發(fā)生故障及故障恢復(fù)動(dòng)態(tài)過程中對(duì)配電網(wǎng)暫態(tài)特性的改善。

1 高溫超導(dǎo)直流電纜聯(lián)絡(luò)方案簡介

圖1為傳統(tǒng)交流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，其中110 kV供電線路是用聯(lián)絡(luò)斷路器QC1相連的，QC1在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于斷開位置，只有當(dāng)其中某一側(cè)110 kV供電線路出現(xiàn)故障被切斷后，聯(lián)絡(luò)斷路器才會(huì)閉合，從而通過另外一路110 kV線路向2座變電站的負(fù)荷供電。假設(shè)未來中心城市110 kV變電站容量增至240 MVA。G1和G2為220 kV的交流電壓源，用于等效220 kV的供電線路；T1和T2為480 MVA、220 kV/110 kV，US%＝10.5的三相變壓器；Z1和Z2用于等效T1、T2的二次側(cè)到110 kV變電站之間線路的阻抗，均由1.621 mH電感與0.212 Ω電阻串聯(lián)組成；110 kV變電站的變壓器均為 80 MVA、110 kV/10.5 kV、US%＝8的三相變壓器；負(fù)荷1～6的負(fù)荷容量最大均為80 MVA。

圖2為應(yīng)用了超導(dǎo)直流聯(lián)絡(luò)方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，其中輕型直流輸電系統(tǒng)的電壓等級(jí)為±60 kV，直流系統(tǒng)的最大傳輸功率為240 MW，交流部分的參數(shù)與圖1相同。

圖1 傳統(tǒng)交流系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch map of traditional AC system

圖2 超導(dǎo)直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sketch map of HIS DC connect system

2 超導(dǎo)直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)建模及控制器設(shè)計(jì)

2.1 直流換流站內(nèi)主要設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

單個(gè)換流站的原理如圖3所示，主要包括六脈波電壓源變換器、聯(lián)接變壓器、換流電抗器以及直流電容器。此直流系統(tǒng)的額定直流電壓為±60 kV，額定功率為240 MW，故其額定直流電流為2 kA。

圖3 換流站主電路原理Fig.3 Schematic of converter station main circuit

聯(lián)結(jié)變壓器的短路電抗要在限制換流器橋臂或直流母線的短路電流方面與降低換流器消耗的無功功率方面取得一個(gè)優(yōu)化，一般聯(lián)結(jié)變壓器的短路阻抗百分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)在15%左右。設(shè)直流系統(tǒng)控制方式的電壓利用率為u，調(diào)制比為M，電壓源換流器直流側(cè)電壓為Udc，聯(lián)結(jié)變壓器一次側(cè)電壓為電網(wǎng)電壓110 kV，則二次側(cè)電壓Us1應(yīng)滿足的條件［12］為

式中：X*為短路阻抗，X*=0.15；Q為無功功率標(biāo)幺值，在此直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)為0.7，即換流站最大可以發(fā)出或吸收168 Mvar的無功功率。則求得聯(lián)結(jié)變壓器二次側(cè)電壓為81 kV。

直流電容器作為電壓源換流器直流側(cè)的儲(chǔ)能元件，主要用于穩(wěn)定換流器直流側(cè)電壓。為了滿足抑制直流電壓波動(dòng)的要求，電容容值Cd［13］應(yīng)取為

式中：Udc＝120 kV；SN為直流系統(tǒng)額定容量，240 MVA；τ為時(shí)間常數(shù)，10 ms，所以Cd≈330 μF。此處母線電容為2個(gè)串聯(lián)，故實(shí)際拓?fù)渲兄绷麟娙軨d的容值取為660 μF。

使用參考文獻(xiàn)［13］的方法可以確定此輕型直流系統(tǒng)d-q參考坐標(biāo)下的阻抗基值為50 Ω，一般換流電抗器電抗的標(biāo)幺值為0.15，故L≈23.9 mH。

2.2 直流換流站控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)圖2中的直流系統(tǒng)起功率平衡作用，平衡兩路110 kV供電線路傳輸?shù)墓β?，避免其中一路功率過大，而另外一路輕載的情況。假設(shè)左側(cè)變電站負(fù)荷功率較大，則左側(cè)換流器采用定有功功率和定無功功率控制來平衡兩路220 kV電源發(fā)出的有功和無功功率，控制器模型如圖4所示。其中，ud為換流站所聯(lián)交流系統(tǒng)電壓的d軸分量，Id為換流站所聯(lián)交流系統(tǒng)電流的d軸分量，Iq為兩端換流站所聯(lián)交流系統(tǒng)電流的q軸分量，id則為直流線路的電流。

圖4 重負(fù)荷側(cè)換流站控制器模型Fig.4 Controller model of heavy load converter station

圖5 故障側(cè)換流站控制器模型Fig.5 Controller model of fault-side converter station

圖2 中當(dāng)左側(cè)110 kV線路出現(xiàn)短路故障被切除后，輕型直流系統(tǒng)主要用于快速恢復(fù)對(duì)故障線路所帶變電站負(fù)荷的供電，并降低供電恢復(fù)后負(fù)荷功率和110 kV母線電壓的振蕩。圖示位置發(fā)生短路故障且故障線路被切除后，故障側(cè)換流站的控制策略將切換至定交流電壓控制，控制器模型如圖5所示。右端非故障側(cè)換流站始終采用定直流電壓和定交流電壓控制方式，控制器模型與圖4類似，但參考量換成直流母線電壓和交流側(cè)電壓，對(duì)應(yīng)的PI參數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。

3 直流超導(dǎo)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)過程為：系統(tǒng)0 s時(shí)開始啟動(dòng)，0～2.85 s期間交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，兩路110 kV供電線路相互獨(dú)立，無功率交換；2.85 s時(shí)圖1中箭頭處發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.15 s后該線路被切斷；3.1 s時(shí)兩變電站110 kV母線間聯(lián)絡(luò)斷路器閉合，非故障側(cè)供電線路開始向故障側(cè)輸送功率，從而恢復(fù)對(duì)故障側(cè)變電站負(fù)荷的供電。

超導(dǎo)直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)過程為：系統(tǒng)在0 s時(shí)開始啟動(dòng)，0～2.85 s期間交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，兩110 kV供電線路相互獨(dú)立，無功率交換；2.85 s時(shí)圖2中箭頭處發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.15 s后該線路被切斷，同時(shí)，左側(cè)換流站從定有功和定無功功率控制模式切換到定交流電壓控制模式。

3.1 仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證此高溫超導(dǎo)直流電纜聯(lián)絡(luò)方案的接入對(duì)兩110 kV變電站供電冗余度的提升以及對(duì)配電系統(tǒng)的供電可靠性和穩(wěn)定性的改善作用，使用PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。換流器采用SPWM調(diào)制技術(shù)，開關(guān)頻率1.65 kHz，仿真步長25 μs，采樣時(shí)間75 μs。為體現(xiàn)出負(fù)荷的電壓依賴性，采用多項(xiàng)式負(fù)荷模型［14］，即變電站負(fù)荷由恒功率、恒電流和恒阻抗3種類型的負(fù)荷按一定比例組成，負(fù)荷的具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 變電站負(fù)荷仿真參數(shù)Tab.1 Parameters of substation leads

由于PSCAD/EMTDC仿真軟件中無超導(dǎo)電纜的模型，需要利用已有的電纜模型進(jìn)行修改，以獲得方案中設(shè)計(jì)的高溫超導(dǎo)電纜的仿真模型。在此略去電纜設(shè)計(jì)中一些次要層，只保留導(dǎo)體層、絕緣層以及金屬護(hù)套，采用同軸結(jié)構(gòu)。電纜的第1、2層導(dǎo)體為超導(dǎo)導(dǎo)體層，分別與換流站直流側(cè)的±60 V母線相接。為了體現(xiàn)超導(dǎo)電纜直流電阻為0的特性，取這2個(gè)導(dǎo)體層的直流電阻率ρ1＝10-15Ωm。最外層導(dǎo)體為電纜護(hù)套，采用不銹鋼作為材料，其電阻率ρ2＝3×10-8Ωm。電纜絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)εr和相對(duì)磁導(dǎo)率［15］μr分別取為2.5和1.0。

3.2 110kV母線電壓仿真波形

傳統(tǒng)交流系統(tǒng)的母線1和母線2的電壓仿真波形如圖6所示。由圖可以看出，3～3.85 s交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間母線1電壓標(biāo)幺值為0.938，母線2電壓標(biāo)幺值為0.981。4.1 s時(shí)聯(lián)絡(luò)斷路器閉合，母線1和母線2相連，電壓標(biāo)幺值為0.920。

高溫超導(dǎo)輕型直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的母線1和母線2的電壓仿真波形如圖7所示。由圖可以看出，在3～3.85 s期間，母線1電壓標(biāo)幺值為0.962，母線2電壓的標(biāo)幺值為0.983。4.0 s時(shí)故障被切除后，母線1電壓逐漸上升，在4.2 s時(shí)其標(biāo)幺值達(dá)到0.988。

由圖6和圖7可以看出，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，高溫超導(dǎo)輕型直流聯(lián)絡(luò)方案能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰110 kV線路間功率的互補(bǔ)，提升110 kV變電站的母線電壓，尤其在一路110 kV供電線路因故障被切斷后，高溫超導(dǎo)輕型直流聯(lián)絡(luò)方案對(duì)兩變電站母線電壓的幅值有明顯提升作用。

圖6 傳統(tǒng)交流系統(tǒng)110 kV母線電壓的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of 110 kV bus voltages of traditional AC system

圖7 超導(dǎo)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)110 kV母線電壓的仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of 110 kV bus voltages of HTS DC connect system

3.3 故障側(cè)變電站負(fù)荷功率仿真波形

傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中負(fù)荷1～負(fù)荷4的實(shí)際有功功率的仿真波形如圖8所示。由圖可以看出，在3～3.85 s交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間負(fù)荷1的有功功率為76.9 MW，負(fù)荷2的有功功率為53.8 MW，負(fù)荷3的有功功率為50.5 MW，負(fù)荷4的有功功率為21 MW。4.1 s時(shí)聯(lián)絡(luò)斷路器閉合后，負(fù)荷1、負(fù)荷2和負(fù)荷3的有功功率開始震蕩并逐漸穩(wěn)定，4.1～5 s期間最小的振蕩幅度也能達(dá)到3.5 MW。穩(wěn)定后負(fù)荷1的有功功率為77.0 MW，負(fù)荷2的有功功率為52.6 MW，負(fù)荷3的有功功率為48.7 MW，負(fù)荷4的有功功率在4.1 s時(shí)聯(lián)絡(luò)斷路器閉合后始終有小幅的振蕩。在故障恢復(fù)供電的整個(gè)過程中，負(fù)荷功率的振蕩一方面會(huì)影響負(fù)荷的供電質(zhì)量；另一方面，過大的振蕩幅度還有可能使負(fù)荷對(duì)應(yīng)供電線路的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，造成負(fù)荷供電的再次中斷，降低交流系統(tǒng)的供電可靠性。

高溫超導(dǎo)輕型直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)中負(fù)荷1、2、3和4的實(shí)際有功功率的仿真波形如圖9所示。由圖可以看出，在3～3.85 s交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間負(fù)荷1的有功功率為76.9 MW，負(fù)荷2的有功功率為54.8 MW，負(fù)荷3的有功功率為52.7 MW，負(fù)荷4的有功功率為21 MW。4.0 s時(shí)故障線路被切除后，負(fù)荷1、負(fù)荷2和負(fù)荷3的有功功率開始震蕩，振蕩幅度較低，到4.5 s時(shí)振蕩基本結(jié)束。穩(wěn)定后負(fù)荷1的有功功率為77.0 MW，負(fù)荷2的有功功率為55.6 MW，負(fù)荷3的有功功率為53.9 MW，負(fù)荷4的有功功率只在左側(cè)110 kV供電線路發(fā)生短路故障期間有小幅波動(dòng)，其他時(shí)段均穩(wěn)定在21 MW。

由圖8和圖9可見，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，高溫超導(dǎo)輕型直流聯(lián)絡(luò)方案能夠有效提升恒阻抗負(fù)荷與恒電流負(fù)荷的供電質(zhì)量，能夠使這兩類負(fù)荷的實(shí)際功率更加接近其額定功率。在110 kV供電線路發(fā)生短路故障至恢復(fù)供電的過程中，傳統(tǒng)交流系統(tǒng)由于聯(lián)絡(luò)斷路器的閉合時(shí)間選擇不當(dāng)造成負(fù)荷功率的振蕩，合適的閉合時(shí)間又很難通過計(jì)算得到。而高溫超導(dǎo)輕型直流聯(lián)絡(luò)方案則能夠明顯降低負(fù)荷功率的振蕩幅度，并縮短振蕩時(shí)間。

圖8 傳統(tǒng)交流系統(tǒng)變電站負(fù)荷有功功率的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of load active power of traditional AC system

圖9 超導(dǎo)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)變電站負(fù)荷有功功率的仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of load active power of HTS DC connect system

4 結(jié)論

（1）本文分析研究的超導(dǎo)直流聯(lián)絡(luò)方案在城市配電網(wǎng)中綜合應(yīng)用了高溫超導(dǎo)直流電纜與輕型直流輸電技術(shù)，為今后我國城市配電網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行提供了一個(gè)新的思路。

（2）本文建立的系統(tǒng)仿真模型及采用的控制策略，能夠合理模擬在交流供電線路發(fā)生故障后超導(dǎo)直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)故障變電站的供電情況。

（3）超導(dǎo)直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)能夠在110 kV線路發(fā)生故障且故障被切除后控制其對(duì)應(yīng)的110 kV母線電壓保持穩(wěn)定，并且基本等于母線的額定電壓，從而提高了母線的電壓穩(wěn)定性。

（4）超導(dǎo)直流聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)能夠在故障恢復(fù)供電的過程中，降低變電站負(fù)荷的功率振蕩幅度，縮短變電站負(fù)荷的功率振蕩時(shí)間。

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Research on HTS DC Cables to Urban Distribution Closed-loop Networks

ZHOU Xiaoguang1，JIANG Xiaohua1，ZHANG Xianglong2
（1.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.State Power Economic Research Institute，Beijing 100052，China）

In order to illustrates feasibility and advantages of a scheme which comprehensively uses the high temperature superconducting（HTS）DC cables and the VSC-HVDC technology，a PSCAD/EMTDC simulation model is built to analyze the improved steady and transient state performances of the urban distribution network that is closedlooped by the HTS cables through VSCs.The performances include the 110 kV distributions voltage amplitude and the loads power characteristic.Simulation results show that the scheme can increase the redundancy of the 110 kV power line，improve the 110 kV bus voltage amplitude，and am decrease the oscillation amplitude and time of the 110 kV bus voltage and load power during a fault occurring and recovering.

closed-loop network；high tomperature supercondueting（HTS）cable；substation；voltage source converter-high voltage direct current（VSC-HVDC）

周小光

王汝泉

周小光（1988-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術(shù)，E-mail：zhouxg12@mails.tsinghua.edu.cn；

蔣曉華（1963-）通信作者，女，博士，教授，研究方向：電力電子技術(shù)＆應(yīng)用超導(dǎo)，E-mail：jiangxiaohua@mail.tsinghua.ed n.cn；

張祥龍（1983-），男，博士，研究方向：智能電網(wǎng)、智能變電站評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)等，E-mail：zhangxianglong@chinasperi.scc.com.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.14

：TM 725

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2014-09-27