特高壓交直流混聯(lián)電網穩(wěn)定控制分析

陳凱，段翔穎，郭小江

(1.國家電網公司交流建設分公司，北京市100052；2.中國電力科學研究院，北京市100192)

特高壓交直流混聯(lián)電網穩(wěn)定控制分析

陳凱1，段翔穎2，郭小江2

(1.國家電網公司交流建設分公司，北京市100052；2.中國電力科學研究院，北京市100192)

結合我國電網發(fā)展綜述了特高壓交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制存在的問題及解決方法。首先，根據交直流混聯(lián)系統(tǒng)網架結構，給出了初步評價該類系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般方法，分析了交直流混聯(lián)系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性問題及控制需求。其次，結合我國電網規(guī)劃中的交直流混聯(lián)系統(tǒng)，論述了利用直流系統(tǒng)功率緊急控制、功率調制、頻率調制等方法提高交直流系統(tǒng)穩(wěn)定水平的方法，并給出了研究示例，驗證了上述方法的有效性。最后，針對目前交直流混聯(lián)系統(tǒng)研究存在的不足，展望了未來研究方向。

特高壓直流，交直流混聯(lián)系統(tǒng)，直流調制，交直流協(xié)調控制

0 引 言

超/特高壓直流輸電技術的廣泛應用，使交直流電網結構變得復雜多樣，其中交直流混聯(lián)輸電方式是我國目前及未來交直流接入關系中最重要的形式之一，交直流并聯(lián)系統(tǒng)是交直流混聯(lián)系統(tǒng)的一種特殊形式。2000年“天廣”直流輸電工程投運，在我國形成了首個交直流并聯(lián)運行的輸電系統(tǒng)[1]。

為解決我國能源外送問題，建設堅強的特高壓交直流電網是我國電力工業(yè)發(fā)展的重點，未來我國電網將逐漸形成“西電東送、南北互濟、特高壓交直流并舉”的網架格局[2-7]。隨著向家壩—上海、錦屏—蘇州、溪洛渡—浙江等特高壓直流輸電工程的相繼投運，與現有的2個川電東送500 kV輸電通道共同構成了交直流混聯(lián)外送的格局。隨著后續(xù)多個特高壓直流外送工程的建設，以及特高壓交流同步電網的逐漸成形，將進一步加強交直流網架結構，多直流送出、多直流饋入條件下的交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)將最終形成[8]。

交直流系統(tǒng)混聯(lián)輸電方式可以將直流系統(tǒng)自身靈活的控制功能與交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制方法有機地結合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，改善系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。但與純直流聯(lián)網系統(tǒng)相比，交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)運行控制復雜，仍有許多理論和技術問題需要解決。本文結合我國特高壓電網發(fā)展，論述特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制問題；在此基礎上，結合電網規(guī)劃，闡述解決交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定問題的控制策略和方法，為我國特高壓交直流電網規(guī)劃、設計、運行提供技術參考。

1 特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)

1.1 交直流混聯(lián)系統(tǒng)

交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)是送、受端交流系統(tǒng)之間既有交流線路連接又有直流系統(tǒng)連接的一種輸電方式。對于交直流混聯(lián)系統(tǒng)，交流通道與直流系統(tǒng)混聯(lián)結構明顯，但在一些系統(tǒng)中，與直流系統(tǒng)混聯(lián)的交流通道并不明顯，交流線路構成了較為復雜的網絡，但送、受端關系使其與直流系統(tǒng)共同組成交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)。圖1給出了交直流混聯(lián)系統(tǒng)簡化示意圖。

交直流混聯(lián)系統(tǒng)通常是先有交流輸電線路，為了增強送端系統(tǒng)電力外送能力，后加入了直流系統(tǒng)而形成的。美國太平洋聯(lián)絡線交直流并聯(lián)系統(tǒng)和我國的“天廣”交直流并聯(lián)輸電系統(tǒng)均為此種情況。交直流混聯(lián)輸電方式的主要特點是：(1)送、受端交流系統(tǒng)必須同步運行，這是與純直流聯(lián)網的本質區(qū)別；(2)可利用混聯(lián)交流通道方便地進行中間抽能，同時又可以利用直流系統(tǒng)實現遠距離輸電；(3)可實現交直流通道間輸電功率相互支援，但交流通道需為直流單極閉鎖引起的功率大規(guī)模轉移留有裕度。

1.2 特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)

“十二五”期間，為了滿足西南水電基地電能大規(guī)模、遠距離外送的需求，向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電工程投運后，又陸續(xù)建成了多個特高壓直流輸電工程向華中和華東地區(qū)集中送電。四川電網與華中和華東受端系統(tǒng)形成了多直流送出、多直流饋入條件下的交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)[4-5,8]，簡化網架如圖2所示。在交流電網規(guī)劃建設方面，川渝電網也將陸續(xù)建設多個特高壓交流輸變電工程。

圖2 2015年特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)

2 交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價及控制

2.1 交直流混聯(lián)系統(tǒng)強弱關系評價

交直流系統(tǒng)之間的相對強弱關系決定了系統(tǒng)的運行特性，理論研究和工程經驗表明，采用換流母線處的短路容量與直流額定輸送功率的比值，即短路比(short circuit ratio， SCR)來衡量交直流系統(tǒng)之間的相對強弱關系，進而評估整個系統(tǒng)的穩(wěn)定水平是一個比較有效的方法。由于交直流混聯(lián)系統(tǒng)送、受端系統(tǒng)之間存在交流聯(lián)絡線，因此逆變端換流母線處的短路容量不僅與受端系統(tǒng)相關，還與送端系統(tǒng)及交流聯(lián)絡線路相關。因此，根據圖1可以得出交直流混聯(lián)系統(tǒng)受端等效阻抗，即

(1)

式中：ZI為交直流混聯(lián)系統(tǒng)受端等效阻抗；Zinverter為受端系統(tǒng)等效阻抗；Zrectifier為送端系統(tǒng)等效阻抗；Zparallel為等值并聯(lián)線路等效阻抗。

根據式(1)，綜合考慮交直流混聯(lián)系統(tǒng)送、受端系統(tǒng)強弱關系以及混聯(lián)交流通道，可以初步判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。表1給出了上述3個因素不同強弱組合對應的交直流混聯(lián)系統(tǒng)強弱評價[9-10]。

表1 交直流混聯(lián)系統(tǒng)系統(tǒng)比較

Table 1 Comparison of AC/DC hybrid systems

注：高阻抗指并聯(lián)交流線路電氣距離長、聯(lián)系弱，低阻抗指并聯(lián)交流線路電氣距離短，聯(lián)系強。

直流逆變端換相條件惡劣，系統(tǒng)穩(wěn)定水平對受端系統(tǒng)強度的依賴程度較送端高。對于并聯(lián)線路高阻抗的情況，送、受端系統(tǒng)之間聯(lián)系薄弱，在考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性的時候可以采用與純直流聯(lián)網類似的方法；對于并聯(lián)線路低阻抗的情況，送、受端系統(tǒng)聯(lián)系緊密，在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，需將送、受端系統(tǒng)統(tǒng)一進行考慮。

2.2 交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定控制問題

文獻[11]指出在交直流系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中，最值得關注的是電壓穩(wěn)定問題。交流系統(tǒng)故障期間，故障線路潮流將向其他交流通道轉移，同時直流系統(tǒng)會因換流母線電壓下降出現送電功率減小的情況，當交流系統(tǒng)電壓下降幅度過大時，直流系統(tǒng)還會導致由于換相失敗而無法送電，潮流轉移至交流通道后，進一步加劇系統(tǒng)電壓波動，惡化系統(tǒng)穩(wěn)定性。當直流系統(tǒng)發(fā)生閉鎖故障時，同樣會引起潮流轉移至混聯(lián)交流通道。因此，交直流混聯(lián)系統(tǒng)面臨的主要問題是各種故障引起潮流轉移，造成系統(tǒng)電壓或功角失穩(wěn)。

此外，隨著超/特高壓直流系統(tǒng)的不斷接入，在原交直流混聯(lián)電網結構上，形成了多直流饋入、多直流送出的交直流混聯(lián)大系統(tǒng)。多回直流系統(tǒng)及交直流系統(tǒng)相互影響的問題同時出現，引起了更多的電網安全穩(wěn)定控制方面的問題[12-15]。

針對交直流混聯(lián)系統(tǒng)存在的問題，可以通過以下2種方法改善系統(tǒng)穩(wěn)定水平。(1)交流系統(tǒng)中留有足夠的輸電裕度，使其可以抵御系統(tǒng)失穩(wěn)或設備過載問題，但是，這種方法限制了混聯(lián)交流通道輸電能力的發(fā)揮。(2)減輕潮流轉移對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，實現交直流系統(tǒng)相互支援，但是，這種方法具有一定的局限性，當系統(tǒng)受到擾動，在系統(tǒng)電壓恢復到一定水平之前，直流系統(tǒng)通常在低壓限流作用下強制限制直流電流大小，直流功率控制功能失效，無法發(fā)揮作用，對弱交流系統(tǒng)而言，這一階段是決定系統(tǒng)能否恢復穩(wěn)定的關鍵時期。因此，任何一種方法都無法完全解決交直流混聯(lián)系統(tǒng)輸電能力與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，需要兼顧二者的特性，對交直流混聯(lián)系統(tǒng)進行綜合控制。此外，在交直流穩(wěn)定控制中，還需要結合電網常規(guī)穩(wěn)定控制措施，如切機和切負荷等[16]。

直流系統(tǒng)常用的功率控制方式主要包括功率(緊急)控制、直流功率調制、直流頻率調制等。由于特高壓直流系統(tǒng)具有較大的過負荷能力，其控制將會對交直流混聯(lián)系統(tǒng)產生明顯的積極作用。

3 基于功率控制的特高壓交直流協(xié)調控制

3.1 直流過負荷能力

在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)參與安全穩(wěn)定控制的能力與換流閥的通流能力及過負荷能力密切相關。通常，在利用直流系統(tǒng)過負荷能力時，應當依據實際情況綜合考慮相關的限制因素，在設備允許的范圍內合理使用。此外，在對直流系統(tǒng)功率進行控制時，需要考慮由系統(tǒng)強度決定的直流最大輸電功率限制[9,17]。對于特高壓直流系統(tǒng)來說，由于其輸電功率大，受端系統(tǒng)相對變弱，此類問題需予以考慮。

3.2 直流系統(tǒng)功率緊急控制

直流功率控制包括功率回降(power run-backs, PRB)和功率提升(power run-ups, PRU)功能。由于PRB和PRU控制方式的調節(jié)速度較慢，對于交直流混聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生故障后要求直流系統(tǒng)快速改變功率的情況，難以發(fā)揮作用。因而需要額外設置合理的直流控制措施，實現交直流系統(tǒng)之間的相互協(xié)調配合。

直流系統(tǒng)功率緊急控制通過改變直流功率給定值實現，通?？梢岳每刂撇呗员淼姆绞綄χ绷飨到y(tǒng)直接下達新的功率控制指令及功率變化速率。

文獻[18-21]分別在機電或電磁暫態(tài)仿真計算平臺上針對不同水平年及運行條件下的向家壩—上海、錦屏—蘇州等特高壓直流輸電工程接入我國三華電網(華北-華中-華東同步電網)后形成的交直流混聯(lián)系統(tǒng)，利用直流功率緊急提升實現交直流系統(tǒng)相互支援，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。表2給出了文獻[18]的研究結果，表中所示的故障線路是與特高壓直流呈混聯(lián)形式的交流通道或連接不同混聯(lián)通道的交流線路，模擬的是線路三永跳雙回故障(“N-2”)，即交流通道減少對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

表2 直流系統(tǒng)功率緊急控制對交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用

Table 2 Function of DC power emergency control for AC/DC hybrid system stability

結果表明，直流系統(tǒng)功率緊急控制能夠有效改善特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，但直流系統(tǒng)功率緊急控制支援的交流通道應是距離直流系統(tǒng)較近的線路；距離直流系統(tǒng)較遠的線路發(fā)生故障后，直流功率控制會引起潮流大規(guī)模轉移，無法改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 基于直流調制的特高壓交直流協(xié)調控制

4.1 適用于交直流混聯(lián)系統(tǒng)的直流調制方式

直流調制是指為改善交流系統(tǒng)的運行性能，對直流功率、電流和電壓以及換流器吸收的無功功率進行自動調整的控制功能[22]。常見的調制功能包括頻率調制、功率調制、阻尼調制和無功調制等。因此，直流調制信號可以取交流系統(tǒng)的頻率、功角、交流輸電線路的有功功率或電流、交流電壓等。在具體選擇過程中，需要考慮：(1)信號能否正確反映在各種故障發(fā)生時，系統(tǒng)運行參數的變化特性；(2)信號的調制效果應顯著，且有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定；(3)信號便于檢測和使用，檢測設備簡便、可靠。

在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，為了實現交直流系統(tǒng)相互協(xié)調配合，通常利用直流功率調制達到此目的，調制信號可以選擇與之混聯(lián)的交流通道有功功率。如果混聯(lián)交流線路較長，送、受端系統(tǒng)通常存在不穩(wěn)定因素，最合適的調制信號應是直流兩側母線的相位差，但是由于相位差測量存在一定的困難，可以選擇兩端頻率偏差作為調制信號。

4.2 基于直流功率調制的特高壓交直流協(xié)調控制

直流功率調制是通過從混聯(lián)的交流線路上或兩端交流系統(tǒng)中提取反映交流聯(lián)網線路功率變化的信號，來動態(tài)調整直流系統(tǒng)輸電功率。直流功率調制原理如圖3所示[23]。圖中，Tmes指功率測量時間常數，Tw指隔直環(huán)節(jié)時間常數，Kp指功率調制增益，T0指濾波器參數，T1～T4指超前滯后環(huán)節(jié)參數，用來進行相位補償，改善控制系統(tǒng)動態(tài)特性，ΔPmin和ΔPmax分別是直流功率調制量下限值和上限值。

圖3 直流功率調制

文獻[18]針對向家壩—上海、錦屏—蘇州及其混聯(lián)交流系統(tǒng)，利用直流功率調制達到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果，如表3所示。結果表明，利用直流功率調制也可以達到與直流系統(tǒng)功率緊急控制類似的效果。

表3 直流功率調制對交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用

Table 3 Function of DC power modulation control for AC/DC hybrid system stability

4.3 基于頻率調制的特高壓交直流協(xié)調控制

直流系統(tǒng)頻率調制是一種通過引入交流系統(tǒng)頻率偏差改變直流輸電功率，實現支援交流系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)振蕩的有效方法[24]。直流頻率調制通常有2種，一是將某一端交流系統(tǒng)頻率保持在額定值(在設定的死區(qū)范圍內)，適合于一端交流系統(tǒng)容量較大的情況；二是按兩端交流系統(tǒng)頻率偏差比例調節(jié)。對于交直流混聯(lián)系統(tǒng)可采用第2種，即直流雙側頻率調制。

雙側頻率調制包括大方式調制及小方式調制。兩者的傳遞函數相同，只是在增益上不同。大方式調制僅在大擾動，尤其是混聯(lián)交流輸電系統(tǒng)的擾動等緊急情況，或系統(tǒng)頻率偏差大于0.05 Hz時作用；小方式調制通常在電網受到小擾動時起作用，調制輸出一般限制為0.1 pu額定直流功率。

雙側頻率調制的原理如圖4所示[23]。圖中，Td1、Td2分別為整流側和逆變側的微分環(huán)節(jié)時間常數，ε1、ε2分別為整流側和逆變側的引導補償因子，K1、K2分別為整流側和逆變側的調制增益，Tf1、Tf2分別為整流側和逆變側的濾波器時間常數，A、B、C、D為陷波濾波器參數，通過極點和零點配置，改善控制系統(tǒng)動態(tài)特性，Pmax、Pmin為限幅環(huán)節(jié)，防止調制控制器因頻率劇烈波動而使直流功率大幅度變化[17]。

圖4 直流雙側頻率調制

文獻[8,17]針對2020年我國西南水電多直流送出條件下的交直流混聯(lián)系統(tǒng)，利用直流雙側頻率調制功能實現了多回直流系統(tǒng)之間、以及交直流系統(tǒng)之間的協(xié)調控制。圖5給出了特高壓直流雙極閉鎖后，有、無頻率調制情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的計算結果。

圖5 直流送端系統(tǒng)頻率偏差

在故障發(fā)生以及恢復期間，西南水電1回特高壓直流系統(tǒng)發(fā)生雙極閉鎖之后，送端交流系統(tǒng)功率出現盈余，潮流將大規(guī)模轉移到混聯(lián)交流通道，使系統(tǒng)的電壓下降，直到失穩(wěn)[25]。當與之混聯(lián)的其他特高壓直流系統(tǒng)采取頻率調制的控制策略時，可以大幅減少交流系統(tǒng)切機規(guī)模，改善了交直流混聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，文獻[8,17]以樂山—重慶特高壓交流線路發(fā)生三永跳雙回嚴重故障為例，直流系統(tǒng)采用頻率調制后，送、受端交流系統(tǒng)阻尼特性均大幅提高，具體見表4。

表4 頻率調制對系統(tǒng)阻尼特性影響

Table 4 Influence of frequency modulation on system damping characteristics

5 交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定控制發(fā)展方向

各國學者針對交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定控制問題已展開了較多研究，但仍有許多問題需要解決。

首先，直流輸電技術在我國已得到廣泛應用，但在運行中，直流系統(tǒng)仍局限于維持自身穩(wěn)定的控制模式，配置的諸多調制功能和附加控制功能處于閉鎖、閑置狀態(tài)。隨著電網復雜程度的加深，以及對交直流系統(tǒng)控制要求的提高，需要在現有的研究基礎上，實現交直流系統(tǒng)協(xié)調控制的工程應用，來提高電網穩(wěn)定水平。

其次，目前針對交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定機理研究仍顯不足，特別是多直流接入條件的交直流系統(tǒng)穩(wěn)定機理缺乏嚴格、完善的理論支撐。因此，需要從機理入手，研究可以用于交直流協(xié)調控制及多直流協(xié)調控制的方法。

此外，先進的測量、通信和控制技術的發(fā)展為建立智能堅強電網提供了支撐，構建先進的交直流混聯(lián)系統(tǒng)協(xié)調控制平臺是適應未來電網發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。研究適應電網結構和方式變化，具有強魯棒性特征的交直流協(xié)調控制策略是未來交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定控制發(fā)展的目標之一。

6 結 語

本文結合我國特高壓交直流電網規(guī)劃，綜合論述了交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定控制問題。重點分析了特高壓直流系統(tǒng)利用功率緊急控制、功率調制、頻率調制改善交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制策略及實現方法，并給出了研究示例。文章清晰地梳理了特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定問題及解決方法，指出了未來交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定控制研究的發(fā)展方向，為今后特高壓直流工程規(guī)劃、設計、運行提供了技術參考。

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陳凱 (1978)，男，工學碩士，高級工程師，主要從事特高壓及跨區(qū)聯(lián)網工程建設方面的研究工作；

段翔穎(1979)，女，工學碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制及項目管理方面的工作；

郭小江(1977)，男，工學博士，高級工程師，主要從事高壓直流輸電與電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制方面的研究工作。

(編輯 張小飛)

Stability Control Analysis of UHV AC/DC Hybrid Power Grid

CHEN Kai1，DUAN Xiangying2，GUO Xiaojiang2

(1. AC Project Construction Branch, State Grid Corporation of China, Beijing 100052, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Considering the power system development in China, this paper summarizes the problems and solutions of the security and stability control for UHV AC/DC hybrid power system. Firstly, according to the structure of AC/DC hybrid system, we present a normal method of preliminary evaluation for the system, and analyze the stability problems and control requirements in the AC/DC hybrid system. Then, in combination with the AC/DC hybrid system in China power grid planning, we discuss the methods which use DC power emergency control, power modulation, frequency modulation, etc. to improve the stability of AC/DC system, and present study cases to verify the validity of the proposed methods. Finally, we discuss the future research direction according to the deficiency in the study of AC/DC hybrid system.

UHVDC; AC/DC hybrid system; DC modulation; AC/DC coordinated control

TM 712

A

1000-7229(2016)01-0064-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.010

2015-10-21