柔性直流輸電技術(shù)對大電網(wǎng)弱交流斷面輸電能力的影響

王斌

摘 要：柔性直流輸電采用全控型電力電子器件，可對有功功率進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，評價交流電網(wǎng)強(qiáng)度指標(biāo)包括交流電網(wǎng)慣性時間常數(shù)與短路比，交流電網(wǎng)強(qiáng)度較弱，采用矢量電流控制器導(dǎo)致柔性直流輸電系統(tǒng)失穩(wěn)。為滿足柔性直流輸電系統(tǒng)阻尼特性及快速響應(yīng)等實際工程需求，需要研究連接弱交流電網(wǎng)柔性直流輸電系統(tǒng)信號穩(wěn)定問題，提出改善系統(tǒng)阻尼特性的控制策略。交流電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸電存在電壓穩(wěn)定問題制約交流斷面輸電能力，利用柔性直流輸電運(yùn)行實現(xiàn)電力輸送，可提升原有交流斷面輸電能力，在提升大電網(wǎng)弱交流斷面輸送能力方面具有廣泛應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電技術(shù);大電網(wǎng);交流斷面輸電能力

0 引言

基于電壓源型換流器柔性直流輸電技術(shù)得到迅速發(fā)展，具有可實現(xiàn)有功無功解耦控制，不存在換相失敗等優(yōu)點，在實現(xiàn)大規(guī)模新能源多點匯集等方面具有明顯優(yōu)勢[1]。本文結(jié)合電網(wǎng)實際需求，研究利用柔性直流輸電技術(shù)提升交流斷面輸電能力，促進(jìn)柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)控制原理

電壓源型換流器在輸電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。VSC-HVDC控制系統(tǒng)功能是實現(xiàn)對換流站傳輸功率的控制，MMC-HVDC系統(tǒng)具有容量大、良好故障處理能力等優(yōu)點。MCC-HVDC成為柔性直流輸電發(fā)展趨勢。目前對VSC-HVDC研究已有精確的站級解析數(shù)學(xué)模型，但無法精確表達(dá)暫態(tài)下交直流電壓交互影響機(jī)理，難以表征暫態(tài)下VSC交直流電壓耦合關(guān)系。基于對多端柔性直流輸電系統(tǒng)中交直流側(cè)電壓間交互影響機(jī)理分析，分析多端柔性直流輸電技術(shù)適用場景，提出提高多端柔性直流電系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法[2]。

根據(jù)控制目標(biāo)不同，可將VSC-MTDC控制系統(tǒng)分為換流站級與系統(tǒng)級。系統(tǒng)級控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度需求向各端換流站下發(fā)交直流電壓指令，站級控制系統(tǒng)經(jīng)過閉環(huán)控制運(yùn)算得到橋臂調(diào)制信號，各閥級控制系統(tǒng)根據(jù)得到的信號生成PWM信號達(dá)到控制目標(biāo)。多端柔性直流輸電系統(tǒng)將相關(guān)參數(shù)分配到各換流站，多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，各端換流站直流側(cè)電壓影響電網(wǎng)使用，目前常用控制策略包括主從控制策略、電壓裕度控制策略等[3]。MCC為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，通過上下橋臂SM數(shù)量配合在交流側(cè)產(chǎn)生不同電位，橋臂中SM數(shù)量多，諧波分量小。閥級控制器由PWM調(diào)制環(huán)節(jié)、環(huán)流抑制環(huán)節(jié)等構(gòu)成，經(jīng)過閥級控制器，控制子模塊通斷實現(xiàn)底層閥級控制。

柔性直流輸電是基于電壓源換流器的電力輸送方式，發(fā)展第一階段為20世紀(jì)90年代初到2010年，基本由ABB公司壟斷，采用三瓶電壓源換流器;2010年在舊金山投運(yùn)的Trans Bay Cable柔性直流輸電工程，采用模塊化多電平換流器，MCC運(yùn)行采用階梯波逼近，模塊化多電平換流器具備損耗低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點。柔性直流單側(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括環(huán)流電抗器、電壓源換流器等。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到三相靜止坐標(biāo)系下?lián)Q流器交流側(cè)數(shù)學(xué)模型。

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下環(huán)流器數(shù)學(xué)模型為：

usd，usq為電網(wǎng)電壓d，q軸分量，ucd，ucq為變流器交流側(cè)電壓d，q軸分量。isd，isq為交流電流d，q軸分量，直流側(cè)動態(tài)公式為。目前針對柔性直流系統(tǒng)控制策略多為基于電壓幅相間接電流控制，內(nèi)環(huán)電流控制器用于快速跟蹤參考電流，外環(huán)控制器根據(jù)柔性直流運(yùn)行控制目標(biāo)產(chǎn)生內(nèi)環(huán)電流參考信號[4]。VSC-HVDC系統(tǒng)外環(huán)主要有直流電壓控制，定無功率控制，定有功率控制產(chǎn)生內(nèi)環(huán)軸電流參考信號?？筛鶕?jù)電網(wǎng)需求實現(xiàn)有功無功解耦控制，柔性直流可實現(xiàn)同步頻率輸出，滿足無源電網(wǎng)供電需求。

2 柔性直流用于弱交流通道實現(xiàn)電力并列輸送

交流電網(wǎng)存在約束交流斷面輸電能力薄弱斷面，通過新建交流通道方式增加斷面輸電能力難度較大。以某省互連電網(wǎng)為例，通過交流通道互連，甲省風(fēng)電資源豐富，乙省以交流受入為主。交流斷面輸電能力受制于交流通道斷開后通過通道互連后功角穩(wěn)定性問題，大量潮流轉(zhuǎn)移帶來低電壓問題。以功角問題為例，受端交流電網(wǎng)簡化為無窮大電網(wǎng)，功率特性為，送端通過通道與無窮大電網(wǎng)相連，功率特性為。

交流斷面輸電能力滿足交流通道N-1約束，面積Sabc與Scde相等，δ0，δc為初始運(yùn)行角與極限切除角[5]。柔性直流輸電技術(shù)對電網(wǎng)短路助增電流可控，可將其用于增加交流斷面輸電能力。采用柔性直流連接交流輸送端電網(wǎng)，考慮直流通道N-1受約束，兩回交流輸電能力與直流增加前相同，將直流輸電等效為增加送端機(jī)組機(jī)械功率，面積Sagf與面積Sghk相等，直流電功率為PDC，輸電斷面增加輸電能力為直流輸電功率（見圖2）。

采用某年新疆—西北聯(lián)網(wǎng)通道為研究算例，在新疆電網(wǎng)大功率外送下，新疆電網(wǎng)相對西北主網(wǎng)功角失步。敦煌—莫高斷面輸電能力為400萬kW。新建新疆電網(wǎng)到西北主網(wǎng)柔性，無功控制方式為定電壓控制。受限于敦高N-2故障約束，沙洲—魚卡交流斷面輸電能力為400萬kW，斷面功率提升量為柔性運(yùn)行功率。

3 結(jié)語

智能柔性直流輸電技術(shù)是以可關(guān)斷器件技術(shù)為基礎(chǔ)的直流輸電技術(shù)，具有設(shè)計施工方便環(huán)保等優(yōu)點，在分布式發(fā)電并網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。發(fā)達(dá)國家重視其在智能電網(wǎng)中的發(fā)展作用，柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用是新的發(fā)展方向。本文研究利用柔性直流輸電與交流輸電并列運(yùn)行提升輸電能力，柔性輸電可提高弱斷面輸電能力，未來柔性直流輸電在提升大電網(wǎng)交流斷面輸電能力方面具有廣泛前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]汪瑩，葛景，王蒙，等.應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)提升大電網(wǎng)弱交流斷面輸電能力探討[J].電工技術(shù)，2020（7）：63-65，68.

[2]周濤.含多端柔性直流輸電的交直流混聯(lián)系統(tǒng)低頻振蕩研究[D].南京：東南大學(xué)，2019.

[3]孔冠荀.柔性直流輸電系統(tǒng)顯式模型預(yù)測低復(fù)雜度控制技術(shù)研究[D].吉林：東北電力大學(xué)，2019.

[4]李英彪.柔性直流電網(wǎng)故障特性及其控制策略研究[D].北京：中國電力科學(xué)研究院，2017.

[5]陳佳慧.柔性直流接入弱受端系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2017.

（編輯 王雪芬）