柔性直流輸電在城市配電網(wǎng) 應(yīng)用中的仿真研究

郭 張紅斌 楊衛(wèi)紅 劉海波

（國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 102209）

利用柔性直流輸電技術(shù)對城市配電網(wǎng)進行供電，能夠有效提升站址和通道資源的利用效率；同時，靈活、快速和高效的有功和無功控制能力，能夠解決電壓閃變、短路電流超標(biāo)問題、降低諧波等對電網(wǎng)系統(tǒng)的危害。柔性直流輸電技術(shù)必將成為解決城市電網(wǎng)發(fā)展的有效途徑之一，因此有必要對柔性直流輸電在配電網(wǎng)中的作用做進一步直觀地分析。

國內(nèi)外在城市電網(wǎng)柔性直流輸電應(yīng)用方面已有一定的研究。文獻[1-3]討論了多端柔性直流輸配電系統(tǒng)的特點、模型以及控制策略，但未能定性地研究其對城市電網(wǎng)的影響；文獻[4-5]利用一定的經(jīng)濟手段對柔性直流輸電與其它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[5]從設(shè)備投資方面將柔性直流輸電與交流輸電進行了對比分析；文獻[6]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；文獻[7-8]采用PSS/E 等軟件對城市電網(wǎng)柔性直流輸電進行仿真分析，但電壓等級均為230kV 的城市高壓網(wǎng)，未涉及10kV 及以下低壓配電網(wǎng)絡(luò)。這些對于城市配電網(wǎng)柔性直流輸電的分析不夠直觀全面，不足以體現(xiàn)柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中應(yīng)用的真正優(yōu)勢所在。

本文分析了當(dāng)前城市配電網(wǎng)面臨的問題和柔性直流輸電的原理及技術(shù)優(yōu)勢，針對柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用，利用PSCAD/EMTDC 對柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中的對提高暫態(tài)穩(wěn)定水平，改善電壓穩(wěn)定性等方面的作用進行了仿真研究，結(jié)果表明柔性直流輸電技術(shù)在城市配電網(wǎng)中具有良好的應(yīng)用前景。

1 柔性直流輸電技術(shù)

柔性直流輸電技術(shù)是在可關(guān)斷器件組成的電壓源換流器（VSC）和交聯(lián)聚乙烯電纜（XLPE）出現(xiàn)之后，采用脈寬調(diào)制控制技術(shù)（PMW）而發(fā)展起來的。它可以將直流輸電的經(jīng)濟應(yīng)用功率范圍降低到幾十兆瓦。柔性直流輸電系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)原理圖

圖1中所示為兩電平拓樸結(jié)構(gòu)的柔性直流輸電線路，其送端和受端換流器均采用VSC，2 個換流器具有相同的結(jié)構(gòu)，它由換流器、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。

圖2為柔性直流輸電穩(wěn)態(tài)運行基波相量圖，通過控制換流橋輸出電壓的幅值與相位，就能改變的幅值及其相對于交流系統(tǒng)電壓Us*的相位，從而改變換流電抗器上的電壓降，從而實現(xiàn)了VSC 與交流系統(tǒng)間有功功率與無功功率的控制。

圖2 柔性直流輸電穩(wěn)態(tài)運行基波相量圖

由圖2可知，接入柔性直流輸電系統(tǒng)的配電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型可用式（1）、式（2）表示。

即

由式（2）和圖2可知：

1）若δ>0，則為逆變狀態(tài)，換流站向交流系統(tǒng)注入有功功率，對應(yīng)于圖2（a）、（b）。

2）若δ<0，則為整流狀態(tài)，換流站從交流系統(tǒng)吸收有功功率，對應(yīng)于圖2（c）、（d）。

從系統(tǒng)角度來看，VSC 可以看成是一個無轉(zhuǎn)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。

2 柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用仿真

2.1 配電網(wǎng)柔性直流輸電系統(tǒng)仿真模型

本文模擬一個等效的符合受端電網(wǎng)性質(zhì)的城市配電網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。隨著城市電力負荷的增長，需要新增輸電通道，新增一條柔性直流線路：額定電壓等級10kV，額定傳輸功率10MVA。

圖3 仿真模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文利用自主研發(fā)的柔性直流成套設(shè)計軟件計算相應(yīng)的主回路參數(shù)，詳細參數(shù)見表1。本文以圖3所示的等效城市電力網(wǎng)絡(luò)為例，應(yīng)用 PSCAD/ EMTDC 軟件進行時域仿真，通過仿真驗證成套設(shè)計的正確性，分析柔性直流技術(shù)對提高暫態(tài)穩(wěn)定水平，改善電壓穩(wěn)定性以及無功支持等方面的作用，對以后柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的實際應(yīng)用提供一定的參考價值。

仿真程序中送端采用定直流電壓、定交流電壓控制；受端采用定有功功率、定交流電壓控制。同時，在模型搭建中選用了11 電平，采用NLM 調(diào)制策略。

表1 仿真模型系統(tǒng)參數(shù)

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性及其仿真分析

圖4為受端換流站穩(wěn)態(tài)下控制器的輸出特性。

圖4 MMC2 站控制器輸出特性

從圖4中可以看出，穩(wěn)態(tài)運行時，受端換流站內(nèi)的定有功功率控制器和定交流電壓控制有很好的穩(wěn)態(tài)控制特性。當(dāng)換流站自然起動時，公共連接點處的交流線電壓能在0.2s 內(nèi)達到并維持穩(wěn)定運行于交流電壓參考值；在0.1s 時，換流站傳輸?shù)挠泄β蔬_到最大值，隨后，在控制器的調(diào)節(jié)下，運行至0.5s，換流站就可以向配電網(wǎng)輸送額定的有功功率，穩(wěn)定運行，滿足正常的用電需求。

穩(wěn)態(tài)運行時，受端（MMC2）換流站交流母線的輸出特性如圖5所示，仿真時長為2.0～2.1s，即五個周波。

圖5 公共連接點PCC 處的相電壓

橋臂的輸出電壓為正弦趨勢變化的階梯波，不需要額外增加濾波設(shè)備，在公共連接點出即可輸出基本正弦的正弦波形，所以，采用多電平拓撲的換流站能夠?qū)崿F(xiàn)無源逆變，向無源的配電網(wǎng)供電，并且輸出的電能具有較高的電能質(zhì)量。

綜上，經(jīng)過MMC-HVDC 結(jié)構(gòu)接入直流輸電系統(tǒng)的配電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)下有很好的響應(yīng)特性，能夠迅速響應(yīng)并追蹤控制器的輸出信號，輕而易舉的實現(xiàn)對受端電網(wǎng)特定運行狀態(tài)的控制；允許受端電網(wǎng)實現(xiàn)無源逆變，并且在換流站出口處輸出基本正弦的波形，有著較高的電能質(zhì)量。

2.3 系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性仿真分析

1）直流線路的擾動

為了測試送端的運行狀態(tài)的變化對配電網(wǎng)的影響，圖6至圖8仿真模擬了直流電壓階躍變化時受端系統(tǒng)的響應(yīng)特性。送端定直流電壓控制器參考值在t=1.0s 時，由額定值10kV 階躍上升至11kV；在t=3.0s 時。由11kV 階躍下降致9kV。

圖6 直流電壓的階躍變化

直流線路的測量電壓如圖6所示，直流線路的測量電壓在±10%范圍內(nèi)波動。

在直流電壓階躍上升（t=1.0s）、下降（t=3.0s）的過程中，圖7表明受端換流站（MMC2）交流母線的線電壓有效值、相電壓的幅值、波形能基本保持不變。圖8表明受端換流站向配電網(wǎng)輸出的有功功率、無功功率基本保持在額定值。這說明接入柔性直流輸電系統(tǒng)的區(qū)域配電網(wǎng)能在直流輸電系統(tǒng)波動的情況下，安全可靠地供電，滿足負荷的用電需求的同時，保證較高的電能質(zhì)量。

圖7 受端交流母線電壓

圖8 受端傳輸?shù)挠泄β逝c無功功率

2）沖擊性負荷的接入與退出

沖擊負荷的接入和退出將導(dǎo)致配電網(wǎng)的有功需求發(fā)生較大范圍的波動，圖9至圖12仿真模擬了配電網(wǎng)有功功率階躍變化時系統(tǒng)的響應(yīng)特性：受端換流站（MMC2）向系統(tǒng)輸送的有功功率參考值在t=1.0s 時刻由額定值3MW 階躍上升為4MW，在t=3.0s 時刻階躍下降為1.5MW。

圖9 有功功率的階躍變化

圖10 受端換流站向系統(tǒng)輸出無功功率

圖11 第一次躍變時的電壓

圖12 第二次躍變時的電壓

實際傳輸?shù)挠泄β实淖兓鐖D9所示，變化范圍在-35%～50%之間，并且能夠在0.2s 內(nèi)達到預(yù)定的輸出。

換流站輸出的有功功率變化時，其吸收的無功功率將隨之改變。有功功率上升時，換流站吸收的無功功率也將上升；而有功功率下降時，換流站吸收的無功功率也將下降。但無論功率怎么變化，交流母線的線電壓有效值都能基本保持不變。

當(dāng)換流站輸出的有功功率指令變化時，換流站能通過控制系統(tǒng)的響應(yīng)，迅速的追蹤控制指令的變化，實現(xiàn)潮流的快速調(diào)節(jié)和控制；并且，由圖10可知，換流站輸出的有功功率與無功功率是相互耦合的，在有功功率變化的同時，換流站能夠通過改變輸出的無功功率以保證穩(wěn)定的交流電壓有效值，同時，由圖11、圖12可知，交流相電壓的波形基本沒有畸變，由較高的電能質(zhì)量。

3）無功設(shè)備的接入與退出

考慮隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，接入系統(tǒng)的電力電子設(shè)備的增多，將導(dǎo)致交流母線電壓的變化，圖13至圖15仿真模擬了配電網(wǎng)交流母線電壓階躍變化的系統(tǒng)的響應(yīng)特性。t=1.0s 時刻，交流母線線電壓參考值由額定值10kV 上升至10.5kV，t=3.0s 時刻。交流母線線電壓參考值由10.5kV 階躍下降至9.5kV。

換流站吸收的無功功率將隨母線電壓的變化而變化，當(dāng)母線電壓參考值上升，換流站吸收的無功功率將減小，甚至能夠接近于0，以保證向配電網(wǎng)輸出足夠的無功功率；當(dāng)母線電壓參考值下降時，換流站吸收的無功功率將增大，即消耗多余的無功功率。

圖13 配電網(wǎng)交流母線電壓

圖14 換流站向配電網(wǎng)傳輸?shù)臒o功功率

圖15 換流站向配電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β?

交流母線電壓參考值的變化同樣將引發(fā)換流站吸收的有功功率的波動。在交流母線電壓階躍上升的瞬間，換流站吸收的有功功率將減小（即向配電網(wǎng)提供的有功功率將增加）；在交流母線電壓階躍下降的瞬間，換流站吸收的有功功率將增加（即向受端提供的有功功率將減?。?。但在控制系統(tǒng)的作用下，換流站輸出的有功功率將最終穩(wěn)定在額定值運行。

采用多電平換流器拓撲的換流站能夠動態(tài)的補償交流母線的無功功率，保證交流母線電壓能快速準(zhǔn)確的追蹤控制器設(shè)定的參考值，穩(wěn)定交流母線電壓，起到STATCOM 的作用，為系統(tǒng)提供可靠優(yōu)質(zhì)可控的電能。

2.4 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真分析

1）單相接地故障

圖16至圖19仿真模擬了受端系統(tǒng)的交流母線處發(fā)生瞬時性單相接地故障，故障發(fā)生時間t=0.1s，持續(xù)時間0.05s 時，系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

如圖17所示，當(dāng)配電網(wǎng)交流母線處發(fā)生單相接地過程中，送端的直流電壓會有很小的波動，但能基本維持不變。

圖16 受端交流母線電壓

圖17 送端的直流電壓

圖18 換流站向配電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β?

圖19 換流站向配電網(wǎng)輸送的無功功率

由于故障的存在，換流站輸出的有功功率瞬間減小，其吸收的無功功率同時減小甚至發(fā)出大量無功。配電網(wǎng)的交流側(cè)故障并不會影響直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并且在故障期間，可以通過直流網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其他交流系統(tǒng)的相互隔離，限制故障的進一步擴大，避免發(fā)生連鎖故障。

瞬時性故障發(fā)生后，由于交流母線電壓降低，負荷需要吸收大量的無功功率，換流站能夠在故障發(fā)生時，迅速向系統(tǒng)發(fā)出無功功率，為故障的交流系統(tǒng)提供及時的支援，緩解故障對配電系統(tǒng)造成的影響；并且，換流站能在故障消失后的0.25s 內(nèi)向系統(tǒng)恢復(fù)供電，保證配電網(wǎng)的正常運行，有著良好的恢復(fù)特性。

2）三相短路故障

交流系統(tǒng)主要通過繼保裝置向斷路器等設(shè)備發(fā)出信號，切斷故障電流，由于機械慣性，交流系統(tǒng)切除短路故障將需要80～100ms。在配電網(wǎng)發(fā)生三相瞬時性短路故障時，這可能導(dǎo)致在故障消失后很長一段時間內(nèi)都無法保證對負荷的正常供電。而對于接入柔性直流輸電系統(tǒng)的區(qū)域配電網(wǎng)，可以通過換流站內(nèi)控制器的配合，向換流器發(fā)出閉鎖信號來切斷對故障點的供電并且在故障切除后及時發(fā)出解鎖信號恢復(fù)對系統(tǒng)的正常供電。

圖20至圖22仿真模擬了配電網(wǎng)發(fā)生三相瞬時性短路故障，故障發(fā)生時間為1.0s，持續(xù)時間為50s。

圖20表明，而通過換流站內(nèi)控制器的配合，向換流器發(fā)出閉鎖信號來切斷對故障點的供電僅需10ms 左右。在故障消失后，控制器能在10ms 內(nèi)向換流器發(fā)出解鎖信號，反應(yīng)迅速可靠。

圖20 換流器（MMC2）的閉鎖解鎖信號

圖21 受端交流母線電壓

圖22 受端換流站傳輸?shù)墓β?

故障發(fā)生后，交流母線電壓能夠在1.1s 恢復(fù)額定值，在1.4s 后整個系統(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定運行狀態(tài)。瞬時性故障發(fā)生、消失的過程中，交流側(cè)的繼保裝置無需動作，僅僅依靠對換流器的控制就可以及時有效的實現(xiàn)故障的切除、和恢復(fù)供電，實現(xiàn)故障的快速切除。限制故障擴大的同時，保證故障對受端系統(tǒng)的影響最小，避免和減小不必要的損失。

3 結(jié)論

本文分析了柔性直流輸電的原理及在城市配電網(wǎng)中應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢，對柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中應(yīng)用的靜態(tài)穩(wěn)定性及暫態(tài)穩(wěn)定性進行仿真分析，仿真表明柔性直流技術(shù)對提高配電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，改善電壓穩(wěn)定性以及無功支持等方面具有積極的作用，應(yīng)用前景良好。

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