柔性直流输电技术对大电网弱交流断面输电能力的影响

王斌

摘 要：柔性直流输电采用全控型电力电子器件，可对有功功率进行独立调节，评价交流电网强度指标包括交流电网惯性时间常数与短路比，交流电网强度较弱，采用矢量电流控制器导致柔性直流输电系统失稳。为满足柔性直流输电系统阻尼特性及快速響应等实际工程需求，需要研究连接弱交流电网柔性直流输电系统信号稳定问题，提出改善系统阻尼特性的控制策略。交流电网远距离输电存在电压稳定问题制约交流断面输电能力，利用柔性直流输电运行实现电力输送，可提升原有交流断面输电能力，在提升大电网弱交流断面输送能力方面具有广泛应用前景。

关键词：柔性直流输电技术;大电网;交流断面输电能力

0 引言

基于电压源型换流器柔性直流输电技术得到迅速发展，具有可实现有功无功解耦控制，不存在换相失败等优点，在实现大规模新能源多点汇集等方面具有明显优势[1]。本文结合电网实际需求，研究利用柔性直流输电技术提升交流断面输电能力，促进柔性直流输电技术的发展。

1 柔性直流输电系统控制原理

电压源型换流器在输电领域得到广泛应用。VSC-HVDC控制系统功能是实现对换流站传输功率的控制，MMC-HVDC系统具有容量大、良好故障处理能力等优点。MCC-HVDC成为柔性直流输电发展趋势。目前对VSC-HVDC研究已有精确的站级解析数学模型，但无法精确表达暂态下交直流电压交互影响机理，难以表征暂态下VSC交直流电压耦合关系。基于对多端柔性直流输电系统中交直流侧电压间交互影响机理分析，分析多端柔性直流输电技术适用场景，提出提高多端柔性直流电系统稳定性控制方法[2]。

根据控制目标不同，可将VSC-MTDC控制系统分为换流站级与系统级。系统级控制系统根据调度需求向各端换流站下发交直流电压指令，站级控制系统经过闭环控制运算得到桥臂调制信号，各阀级控制系统根据得到的信号生成PWM信号达到控制目标。多端柔性直流输电系统将相关参数分配到各换流站，多端柔性直流输电系统中，各端换流站直流侧电压影响电网使用，目前常用控制策略包括主从控制策略、电压裕度控制策略等[3]。MCC为三相六桥臂结构，通过上下桥臂SM数量配合在交流侧产生不同电位，桥臂中SM数量多，谐波分量小。阀级控制器由PWM调制环节、环流抑制环节等构成，经过阀级控制器，控制子模块通断实现底层阀级控制。

柔性直流输电是基于电压源换流器的电力输送方式，发展第一阶段为20世纪90年代初到2010年，基本由ABB公司垄断，采用三瓶电压源换流器;2010年在旧金山投运的Trans Bay Cable柔性直流输电工程，采用模块化多电平换流器，MCC运行采用阶梯波逼近，模块化多电平换流器具备损耗低、扩展性好等优点。柔性直流单侧系统结构包括环流电抗器、电压源换流器等。根据拓扑结构得到三相静止坐标系下换流器交流侧数学模型。

同步旋转坐标系下环流器数学模型为：

usd，usq为电网电压d，q轴分量，ucd，ucq为变流器交流侧电压d，q轴分量。isd，isq为交流电流d，q轴分量，直流侧动态公式为。目前针对柔性直流系统控制策略多为基于电压幅相间接电流控制，内环电流控制器用于快速跟踪参考电流，外环控制器根据柔性直流运行控制目标产生内环电流参考信号[4]。VSC-HVDC系统外环主要有直流电压控制，定无功率控制，定有功率控制产生内环轴电流参考信号。可根据电网需求实现有功无功解耦控制，柔性直流可实现同步频率输出，满足无源电网供电需求。

2 柔性直流用于弱交流通道实现电力并列输送

交流电网存在约束交流断面输电能力薄弱断面，通过新建交流通道方式增加断面输电能力难度较大。以某省互连电网为例，通过交流通道互连，甲省风电资源丰富，乙省以交流受入为主。交流断面输电能力受制于交流通道断开后通过通道互连后功角稳定性问题，大量潮流转移带来低电压问题。以功角问题为例，受端交流电网简化为无穷大电网，功率特性为，送端通过通道与无穷大电网相连，功率特性为。

交流断面输电能力满足交流通道N-1约束，面积Sabc与Scde相等，δ0，δc为初始运行角与极限切除角[5]。柔性直流输电技术对电网短路助增电流可控，可将其用于增加交流断面输电能力。采用柔性直流连接交流输送端电网，考虑直流通道N-1受约束，两回交流输电能力与直流增加前相同，将直流输电等效为增加送端机组机械功率，面积Sagf与面积Sghk相等，直流电功率为PDC，输电断面增加输电能力为直流输电功率（见图2）。

采用某年新疆—西北联网通道为研究算例，在新疆电网大功率外送下，新疆电网相对西北主网功角失步。敦煌—莫高断面输电能力为400万kW。新建新疆电网到西北主网柔性，无功控制方式为定电压控制。受限于敦高N-2故障约束，沙洲—鱼卡交流断面输电能力为400万kW，断面功率提升量为柔性运行功率。

3 结语

智能柔性直流输电技术是以可关断器件技术为基础的直流输电技术，具有设计施工方便环保等优点，在分布式发电并网等领域具有明显优势。发达国家重视其在智能电网中的发展作用，柔性直流输电系统应用是新的发展方向。本文研究利用柔性直流输电与交流输电并列运行提升输电能力，柔性输电可提高弱断面输电能力，未来柔性直流输电在提升大电网交流断面输电能力方面具有广泛前景。

[参考文献]

[1]汪莹，葛景，王蒙，等.应用柔性直流输电技术提升大电网弱交流断面输电能力探讨[J].电工技术，2020（7）：63-65，68.

[2]周涛.含多端柔性直流输电的交直流混联系统低频振荡研究[D].南京：东南大学，2019.

[3]孔冠荀.柔性直流输电系统显式模型预测低复杂度控制技术研究[D].吉林：东北电力大学，2019.

[4]李英彪.柔性直流电网故障特性及其控制策略研究[D].北京：中国电力科学研究院，2017.

[5]陈佳慧.柔性直流接入弱受端系统稳定性分析[D].北京：华北电力大学（北京），2017.

（编辑 王雪芬）