柔性直流电网基于交流母线分列运行策略的功率盈余控制方法

赵媛，张静岚，吴文杰，庄添鑫，张崇兴，杨凯歌，常鹏

(1. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京100045；2. 西安交通大学，西安710049)

0 引言

近年来，随着新能源技术的快速发展，柔性直流输电技术也得到了广泛应用。相比于传统的直流输电技术，柔性直流输电技术能够对有功功率和无功功率进行独立调节，快速灵活可控，并且结构紧凑，是新能源发电装置接入电网的重要保障[1 - 5]。柔性直流输电技术既可实现新能源电场孤岛方式接入交流大电网，也可实现非同步运行的交流电力系统之间的背靠背连接，具有广阔的应用前景[6 - 10]。

柔性直流电网出现某些故障后，可能会产生功率盈余问题，甚至导致直流电网的大面积瘫痪[11]。对于柔性直流输电系统中的功率盈余问题，业界也有了一系列的解决思路[12 - 14]，总体上都是通过减小直流电网内的有功功率，实现流入流出直流电网的有功功率再平衡。通过投入直流或交流可控耗能电阻，消耗故障后系统内的盈余功率[15]。通过降低风电场交流侧电压，利用风机的低电压穿越特性[16]，降低风机的输出功率。通过提高孤岛运行的交流测电源频率，将一部分电能转换为电机转子旋转的机械能，从而降低机组输出的有功功率[17]。

本文针对柔性直流电网的功率盈余问题，首先分析了功率盈余问题产生的机理，在此基础上提出了通过交流母线分列运行解决功率盈余问题的方案，并探讨了此方案在典型柔性直流输电网络中的可行性；然后通过电磁暂态仿真，将该方案与增设直流耗能装置的方案进行了比较，分析了该方法在通用性方面的优势，同时对其有效性进行了验证。

1 柔性直流电网功率盈余问题及解决方案

1.1 直流电网功率盈余问题

电压源换流器(voltage source converter, VSC)可以等效为一个没有转动惯量的电动机，这使得柔性直流输电系统具有很强的灵活性，但同时也使得直流电网具有了较大的不稳定性[18]。当直流电网出现某些故障时，电流电压变化迅速，而交流安稳控制装置的动作速度较慢[19]，无法瞬间切断线路起到保护作用。故障后直流电网中很容易出现盈余功率，进而导致直流电网发生大面积瘫痪。

交流电源连接换流器交流母线的常见接线方式有2种：并列运行与分列运行。并列运行时，单极换流器故障闭锁后，由故障极换流器承载的那部分功率会转由健全极换流器承载；分列运行时，单极换流器故障后，由故障极换流器承载的那部分功率则不会转由正常极换流器承载。交流母线并列运行与分列运行方式如图1所示。

对于功率盈余问题，本文参考了文献[10]中描述直流电网盈余功率问题机理的分类方法：第1类问题，即送端站单极故障闭锁后，原先由故障极承载的功率全部由健全极承载，盈余功率在健全极换流器上积累，MMC子模块因过流过压而闭锁。第2类问题，即受端站单双极闭锁后，送出功率不足而送入功率不变，多余能量开始在系统内积累，换流站电容电压迅速升高导致闭锁。

1.2 通过交流母线分列运行解决功率盈余问题

1.2.1 第一类功率盈余问题

交流母线分列运行情况下，当送端站单极故障闭锁时，由于交流母线分列运行，故障极承载的有功功率不会被健全极承载，使得健全极不至于因为过流过压而闭锁，换流站得以继续运行。

1.2.2 第二类功率盈余问题

当受端站故障闭锁时，可以强制闭锁送端站部分或全部换流器。同时，闭锁极换流器承载的有功功率不会被健全极转带。控制送端站换流器的闭锁数目，保证送端站送出的总有功功率不大于受端站接受的总有功功率，就可以防止直流电网内出现盈余功率。

设稳定运行时站1和站2送入直流电网的功率分别为P1in，P2in。站3和站4送出直流电网的功率分别为P3out，P4out。送端站闭锁装置启动前站1和站2输入直流电网的功率可认为恒定。设t0时刻故障发生，站3输出功率降低为P3out-ΔP3out。定直流电压站4输出功率增大为P4out+ΔP4out。t1时刻保护装置启动，站2输出功率下降为P2in-ΔP2in。这一过程中柔性直流电网内的盈余功率Δp满足式(1)。

(1)

(2)

由式(2)可知，故障发生后若尽快闭锁送端站对应极换流器，缩短盈余功率作用的时间，就能很好地控制电压上升的幅度。同时由于交流母线分列运行，闭锁某一极换流器不会影响到另外一极的运行，系统得以顺利实现故障穿越。

2 仿真模型的建立及仿真验证

2.1 仿真模型建立

张北±500 kV柔性直流输电工程是中国自主建设的世界首个柔性直流电网工程，也是世界上输送容量最大、电压等级最高的柔性直流输电工程。为了验证交流母线分列运行方案的有效性，在PSCAD/EMTDC中仿照张北工程搭建了柔性直流输电网络模型。模型基于典型的四端双极柔性直流输电网络搭建，拥有送端站、受端站和调压站。送端站通常连接发电设备，起到电源的作用。调压站的作用是稳定直流母线电压。受端站连接交流大电网，向交流电网输送能量。本模型中各换流站参数见表1。图2为四端柔性直流电网示意图。

表1 各换流站参数

图2 四端柔性直流电网示意图

2.2 正常运行工况

站1和站2的双极输出功率分别稳定在3 000 MW和1 500 MW。站3采取定有功功率的控制方式，双极输出功率为1 500 MW，站4采取定直流电压的控制方式，因为线路阻抗的原因，输出功率低于设计值。系统正常运行时的仿真波形如图3所示。

图3 正常运行时仿真波形

2.3 故障运行时

2.3.1 交流母线并列运行

交流母线并列运行时，考虑最严重的故障情况，即站4交流侧断路时，仿真波形如图4所示。2 s时在PSCAD中触发站4交流母线断路故障。故障发生后，站4送出功率迅速衰减，站1和站2的送出功率暂时不变，多出的功率由站3承载，站3的子模块电压迅速升高并出现波动，导致闭锁。闭锁后不再送出功率。站3闭锁后，站1和站2输入系统的有功功率无法送出，子模块电压和直流电压迅速升高，最终站1和站2相继闭锁，直流电网瘫痪。

图4 站4双极闭锁仿真波形

2.3.2 交流母线分列运行2.3.2.1 送端站单极闭锁故障。

送端站单极故障后，交流母线采取并列方式运行时，故障极承载的功率不会被健全极所转带，保证了送端换流站的正常运行。站2负极闭锁时仿真波形如图5所示。

图5 站2负极闭锁仿真波形

在2 s时触发站2负极闭锁。故障发生后，从有功功率和电压的角度看，从站2负极送出的有功功率迅速衰减，站3和站4负极送出的有功功率暂时不变，站1负极电压出现跌落，经过一段时间震荡后回归稳定。由于交流母线采用分列运行的接线方式，站2正极承载的功率不变，正极电压不受影响。从直流母线电压的角度看，在故障初期，站2负极换流器关闭，送出功率不足，导致直流母线负极电压瞬间跌落，随即又迅速恢复。由于采取真双极接线方式，并且交流母线分列运行。所以直流母线正极电压保持平稳不受影响。从各站输出功率的角度看，站2负极换流器闭锁后，其负极输出功率迅速下降至0。而站1输出功率不变。站3由于采取了定有功功率的控制方式，输出功率经过短暂波动后保持不变。站4由于采取了定直流电压的控制方式，输出功率幅值减小，从而弥补了站2下降的输出功率。

2.3.2.2 受端站单极闭锁故障

受端站单极闭锁时，输出功率迅速下降，为了保证功率平衡，应强制闭锁送端站对应极换流器，且送端站闭锁极有功功率不小于受端站闭锁极的有功功率。站3负极闭锁仿真波形如图6所示，设2 s时站3负极闭锁，20 ms后保护装置动作，站2负极换流器闭锁。站1负极子模块电压先短暂上升，经过一段时间的波动后恢复到故障之前的状态。站3闭锁后输出功率首先下降，盈余功率由站4承载，站4输出功率上升。随后保护装置启动，站2负极闭锁，站4输出功率开始跌落，经过波动后逐渐稳定在正常水平。由于保护装置及时投入运行，直流母线电压并未出现较大波动。交流母线分列运行策略起到了很好的保护作用。

图6 站3负极闭锁仿真波形

3 交流母线并列转分列运行策略

3.1 母线并列运行的优势和局限性

母线并列运行的解决方案对电网设备没有特殊要求。其他的一些解决方案可能对设备有着特殊要求。比如升频法就需要一次侧设备具有一定的一次调频能力[17]。

母线并列运行的解决方案可以同时解决第1类功率盈余问题和第2类功率盈余问题，而其他的解决方案，比如投入直流耗能装置，则只能解决某一类功率盈余问题。

交流母线并列运行故障闭锁后，可能出现较大的功率损失。在换流器正负极对称运行的典型情况下，即正负极换流器承载相等的功率时，单极闭锁可能造成一半的功率损失。

对于受端站换流器闭锁的情况，需要通过通信装置向送端站发出闭锁指令。若通信装置损坏或者信号传递延迟，会造成送端站闭锁速度过慢。保护失效。

某些情况下，交流母线分列运行策略可能失效。比如系统中唯一的调压站闭锁时，即使及时闭锁送端站换流器，系统也将因为缺乏调压站的支持而出现电压不稳定的现象，无法继续稳定运行。要解决此类问题，可以在系统中设置多个调压站，当其中某个调压站故障闭锁后，其他调压站也可以继续起到调压作用。

3.2 与直流耗能装置的比较

当受端站发生闭锁故障时，除了闭锁送端站对应极换流器外，也可以采取在系统中投入耗能电阻的方式来消耗盈余功率。直流耗能装置的大致原理是，在换流器MMC子模块后面并联可控耗能电阻，当受端换流器故障闭锁后，投入耗能电阻将系统内的盈余功率转化为耗能电阻产生的的热能，从而保障换流站的稳定运行[20 - 12]。

按照文献[11]中的设计规范，如图7所示，将直流侧耗能电阻配置在换流器后，直流侧耗能电阻可在1 000 kV电压下消耗750 MW有功功率。如图所示，2 s时站3正极换流器故障闭锁后，正极输出功率迅速衰减，20 ms后直流耗能装置启动，吸收大部分盈余功率，各站输出功率经过一段时间波动后恢复正常。站2正极子模块电压经过一段时间波动后恢复正常。直流耗能装置起到了很好的保护作用。

图7 直流侧耗能电阻示意图

直流耗能装置能够减少对交流测电源的影响，防止交流测电压出现波动，暂时性故障过后能够顺利并网。交流母线分列运行时，强行闭锁送端站换流器可能造成交流侧电压和频率升高，使得故障恢复后的交流侧并网出现困难。

直流耗能装置连接了正负极直流母线，当正极换流器出现故障，耗能装置投入运行后，负极母线电压也会受到影响，使得负极换流站电压出现波动。交流母线分列运行时，正负极直流母线相互独立，负极换流器电压不会出现波动。

直流耗能装置适用于第2类功率盈余问题，对于第1类功率盈余问题，即单个换流站内部单极闭锁的情况无法处理。交流母线分列运行可以同时处理两类功率盈余问题。

直流耗能装置运行时会产生大量热量，对占地和散热有较高要求，不能长时间运行，适用于暂时性故障。交流母线分列运行的方案则适用于暂时性和永久性故障。

直流耗能装置投入使用后的电压、功率仿真波形如图8所示。

图8 直流耗能装置投入使用后仿真波形

3.3 减小故障后电压升高的策略

由式(2)可知，直流电网出现盈余功率后子模块电压升高的幅值主要取决于以下3个方面的因素。

1)盈余功率的大小。盈余功率越大，单位时间内积累的能量就越多，电压上升幅值越大。

2)故障持续时间。故障持续时间越长，子模块上积累的能量就越多，电压上升幅值越大。

3)子模块电容大小。电容承载的能量与电容大小成正比，子模块电容越小，相同条件下电压上升幅度越大。

因此，降低故障后电压升高幅度，可以从以下2个方面着手。

1)缩短安控装置的反应时间，例如可以使用更快的通信模块。如图9所示，站3正极闭锁后，将站2正极闭锁的反应时间由20 ms缩短到5 ms。站1负极子模块电压波动幅度相比之前明显减小。

图9 缩短闭锁装置反应时间后仿真波形

2)增大子模块电容。如图10所示，将MMC子模块电容增大到初始值的两倍，站3正极闭锁后20 ms闭锁站2正极换流器，可以看到，增大子模块电容后，电压的波动幅度减小。

图10 增大子模块电容后仿真波形

4 结论

本文首先分析了通过交流母线并列转分列运行解决直流电网功率盈余问题的机理，基于PSCAD/EMTDC搭建了四端双极柔性直流输电模型。通过正常和故障状态下的仿真分析，得到了如下结论。

1)交流母线并列转分列运行可以有效解决柔性直流电网中的第1类和第2类功率盈余问题。

2)和直流耗能装置相比，母线分列运行方案可能造成交流侧电压不稳，但不会影响直流母线正常极电压，对散热和占地也没有高的要求。

3)可以通过缩短闭锁装置反应时间，增大子模块电容等方式，控制故障后电压波动幅度。

目前，除交流母线并列转分列运行外，功率盈余问题还存在其他多种解决方式，例如投入交流或直流耗能电阻，降压法及升频法等。这些解决方案各自存在优势和不足，后续将进一步探究几种方案的优劣及各自适用的场景。