柔性直流背靠背裝置在北京配電網中的應用

余瀟瀟，張璞，張凱

(北京電力經濟技術研究院，北京市 100055)

柔性直流背靠背裝置在北京配電網中的應用

余瀟瀟，張璞，張凱

(北京電力經濟技術研究院，北京市 100055)

隨著大城市負荷密度的不斷增加，配電網的規模不斷擴大，受制于短路容量、電磁環網等問題，城市配電網通常按照高壓分區、中壓開環的方式運行，導致系統設備利用率降低，可靠性下降。利用柔性直流技術對分割的高壓配電網和中壓配電網進行互聯形成交直流混合配電網，有助于提升電網的可靠性和設備利用率，緩解城市電網站點走廊有限與負荷密度高的矛盾，同時在負荷中心提供動態無功支持。研究了柔性直流背靠背裝置在大型城市高壓配電網和中壓配電網中的應用模式和系統設計方案，并以北京高壓配電網為實例，從降低短路電流和提供動態無功支撐兩個角度，定量分析了應用柔性直流背靠背裝置實現高壓配電網分區互聯的優勢。

柔性直流; 配電網; 分區互聯; 城市電網

0 引 言

目前，全球配電網的發展都面臨進一步提高供電可靠性、接納逐步增長的分布式可再生能源等難題[1]。對于如何解決這一難題，國內外相關研究機構，如歐洲電力電子學會、美國電力科學研究院以及知名學者均認為，基于電壓源換流器的新一代直流技術，在海島供電、城市配電網的增容改造、交流系統互聯、大規模風電場并網等方面具有較強的技術優勢[2-3]。利用直流技術加強交流配電網，是實現風電、太陽能等分布式電源并網的有效途徑，且能較好地解決大型配電網存在的短路電流偏大、動態無功補償不足等問題，是未來電力系統的發展方向和戰略選擇[4-5]。

國際上關于柔性直流輸電技術的研究，無論在基礎理論方面還是在工程實用化方面都比較深入[6-12]。國際大電網會議(CIGRE)成立了專門研究VSC-HVDC技術的B4-37 工作組，以推動柔性直流輸電技術研究和發展[13]。在工程應用方面，目前柔性直流輸電工程的主要設備大部分由ABB、SIEMENS、ALSTOM等公司提供。

我國也已進入了柔性直流輸電技術大規模研發和工程推廣應用階段。2011 年7 月，亞洲首個柔性直流輸電示范工程(上海南匯±30 kV柔性直流輸電示范工程)順利投運，其中關鍵設備由國家電網公司全球能源互聯網研究院(原智能電網研究院)研制，使國家電網公司成為世界上第3家具備柔性直流系統總成套能力的企業。2013 年12 月，世界首個多端柔性直流輸電示范工程(廣東汕頭南澳±160 kV 多端柔性直流輸電示范工程)并網試運行。另外，位于浙江舟山的世界首個五端柔性直流聯網工程已于2014年投運，福建廈門的±320 kV、額定容量1 000 MW柔性直流輸電工程也于2015年12月正式投運[14-15]。

盡管柔性直流輸電技術已經成熟并得到了推廣，但其在配電系統中的研究和應用卻相對滯后。以北京為例，隨著城市負荷密度的不斷增加，配電網的規模不斷擴大，受制于短路容量、電磁環網等問題，城市配電網通常按照高壓分區、中壓開環的方式運行，導致系統設備利用率降低，可靠性下降。交直流混合配電網可更好地接納分布式電源和直流負荷，可緩解城市電網站點走廊有限與負荷密度高的矛盾，同時在負荷中心提供動態無功支持，可提高系統安全穩定水平并降低損耗。本文將系統研究交直流混合配電網技術在北京高壓配電網中的實際應用，并以北京東北部兩個分區為實例提出交直流混合配電網設計方案。

1 大型城市配電網問題分析

1.1 大規模城市電網運行穩定問題

經過近10年的高速發展，我國電力系統和城市電網規模不斷擴大，伴隨而來的是短路電流水平不斷攀升。為了使系統中的短路電流不超過斷路器的可開斷容量，同時為了避免形成電磁環網，傳統最有效的解決方法是采用高壓分區分片運行或中壓開環運行。

目前北京高壓配電網分區分片電壓等級為220 kV，有7個分區。由于正常情況下分區間負荷不能做到理想均衡，因此，發生故障時，區域之間無法支援，局部供電能力不足。聯絡線合入之后，功率不可控，存在進一步惡化的風險(例如設備過負荷)，甚至因無功分布不合理引起嚴重的運行穩定問題。因此，盡管分區運行有效地控制了系統的短路電流，但卻大大降低了系統的供電安全性、可靠性及設備利用率。這是整個中國大城市電網乃至世界各地大型城市電網所面臨的一個亟待解決的問題。

此外，傳統配電網采用電容器和電抗器進行無功補償，這類無功設備的出力與電壓的平方成正比。當系統發生短路、擾動或甩負荷等需動態調節無功來控制系統電壓時，其無功出力卻又與需求相反，無法滿足系統對無功的動態需求，有發生電壓大面積崩潰的危險，所以無功動態補償也是配電網所面臨的另一重大問題。由于分區分片或中壓開環運行，不同區片之間有功難以相互支援，一旦上級(如500 kV)變電站發生部分停電，所供區域負荷有大面積切負荷和停電的風險。

1.2 中壓配電網開環運行問題

國內高壓配電網典型網絡結構主要有鏈式、環網和輻射狀結構幾種，中壓配電網典型網絡結構主要有雙環式、單環式、多分段適度聯絡和輻射狀結構幾種。相比于高壓配電網普遍采用分區運行，我國中壓配電網網絡結構大多為環形結構，但還是以開環運行為主，如圖1所示。國外發達國家(如新加坡)22 kV及以上電網采用閉環運行方式。

對于中壓配電網，如果采用單聯絡線，為保證“N-1”安全裕度，電網最大負載率僅為50%。盡管多分段多聯絡可以理論上提高線路最大負載率，但實際運行難以達到，仍采用單聯絡線運行。考慮到配電網最大負載率水平較低，為了消納新增負荷，目前多采用新增線路和新建變電站的方法。北京等一線城市由于土地資源緊張，站址通道落地十分困難，大規模新增線路及變電站耗資巨大。北京高壓配電網與中壓配電網面臨的實際問題對未來電網發展提出了新的要求。

2 柔性直流輸電技術在配電網中的應用

2.1 高壓交直流混合配電網

如圖2所示，通過柔性直流互聯裝置，供電分區1與供電分區2實現聯絡。柔性直流設備采用電力電子裝置，其短路電流僅為額定電流的1.5～2倍，同時通過調節電力電子裝置中閥的開斷狀態可以實現有功、無功的動態調節。因此，采用柔性直流裝置互聯形成的交直流混合配電網，可以在正常運行狀態下均衡分區之間的負載，提高系統安全經濟運行水平。同時柔性直流互聯裝置可以對供電分區提供動態電壓支撐。當分區出現故障時，柔性直流裝置提供的可控有功及無功支援可以解決電網局部供電能力不足的問題。

圖1 典型中壓配電網網絡結構Fig.1 Typical network architecture of medium voltage distribution power grid

圖2 高壓交直流混合配電網示意圖Fig.2 Illustration diagram of high voltage AC/DC distribution network

從以上分析可以看出柔性直流分區互聯裝置是高壓交直流混合配電網的核心設備。該裝置不僅需要在各類典型系統運行條件下具有良好的性能，而且在設備占地、維護便利性等方面的要求遠高于柔性直流輸電設備。柔性直流分區互聯裝置的引入使傳統配電網的調度控制策略也將發生重大改變。柔性直流分區互聯裝置可依據電網所處運行狀態，采取相應調度模式。

如圖3所示，柔性直流分區互聯裝置具備多種協同控制策略，依據電網所處不同運行狀態，采取不同調度模式。緊急狀態下實施實時調度，進行分區間緊急功率支援；預警狀態下，以提高安全裕度為目標進行分區功率自動控制；正常狀態下，兼顧安全性與經濟性，進行最優潮流調度。

圖3 柔性直流分區互聯裝置調度策略Fig.3 Dispatch scheme of VSC-HVDC sub-networks interconnection equipment

2.2 中壓交直流混合配電網

圖4為采用三端柔性直流裝置進行互聯的中壓交直流混合配電網。在不采用柔性環網裝置時，配電網A、B構成單環網，在正常運行時開環運行。對于中壓配電網，如果采用單聯絡線，為保證“N-1”安全裕度，電網最大負載率僅為50%。盡管多分段多聯絡可以理論上提高線路最大負載率，但實際運行難以達到，仍采用單聯絡線運行。北京地區中壓配電網的平均負載率約為38%，如果采用圖4中的三端柔性直流互聯裝置構成交直流混合配電網，負載率上限可從50%提升至66.7%，提升水平達16.7%。多端柔性直流技術目前已具備成熟應用條件，如果采用五端或六端柔性直流互聯裝置，交直流混合配電網線路負載率還將進一步得到提升。

圖4 中壓交直流混合配電網示意圖Fig.4 Diagram of medium voltage AC/DC distribution network

根據《GB 50227—2008并聯電容器組設計規范》，無功容量通常占變電站容量的10%～30%[16]，而柔性裝置具備提供無功補償的能力，提供無功容量可以達到系統容量的10%，因此可以節約50%左右的傳統無功補償設備。

在不改變現有配電網結構的前提下，在單環網開換點采用柔性環網控制裝置合環運行，并與另一線路互聯，可以大幅度提高系統整體可靠性。普通電網的供電可靠率大致在99.97%，采用合環方式運行，可將供電可靠率提升至99.999 9%。通過柔性直流裝置進行環網互聯還可消除短時供電中斷的難題，同時在滿足安全性要求的前提下，將配網利用率提升約17%。

與應用于高壓配電網的柔性分區互聯裝置不同，柔性環網控制裝置需充分考慮三相不平衡下直流互聯裝置運行控制模式和穩定運行條件，分析環網運行狀態和安全邊界，并針對不同的運行狀態，建立不同的控制目標和約束條件，在此基礎上制定故障后運行點調整和轉供控制，動態負載均衡和潮流優化，無功電壓協調等策略。

3 示范工程實例分析

本文選取計劃在北京東北部220 kV高壓配電網的A、B兩個分區建設的柔性直流分區互聯示范工程，對柔性交直流混合配電網技術在大城市高壓配電網中的應用效果進行實例分析。目前B分區內短路水平較高，采用斷開聯絡線運行后，短路水平符合要求，但B分區中b1站僅依靠來自b2站的雙回線路供電，可靠性較低。

3.1 網架情況

北京電網中輸電網電壓等級為1 000 kV與500 kV。高壓配電網電壓等級為220 kV，受短路電流限制，北京220 kV高壓配電網采取分區運行的策略。如圖5所示，北京高壓配電網中A分區包含500 kV變電站2座，主變3臺，最大變電容量為3 420 MVA，預計最大負荷可達1 830 MW；B分區包含500 kV變電站3座，主變4臺，最大變電容量4 570 MVA，預計最大負荷為2 848 MW。A分區與B分區的分區聯絡線建在A1 500 kV變電站220 kV側至b1220 kV變電站之間，分區聯絡線的最大輸送容量為2×500 MVA。示范工程計劃在分區聯絡線路上破口安裝柔性直流分區互聯裝置。

圖5 北京高壓配電網東北兩分區聯絡示意圖Fig.5 Illustration diagram of Beijing high voltage divided distribution network

3.2 柔性分區互聯裝置效果分析

接下來將通過仿真計算說明柔性分區互聯裝置的應用效果。表1給出了柔性分區互聯裝置的相關參數。系統額定功率為800 MVA，直流側電壓為雙極±180 kV，交流側額定電壓為220 kV，直流側額定電流為2.2 kA，交流側額定電流為2.4 kA。通過電力系統仿真軟件BPA對系統進行仿真，比較柔性分區互聯裝置安裝前后系統性能變化。

表2給出了采用不同分區互聯策略下的母線短路電流。可以看出，采用柔性直流互聯不會增加系統的母線短路電流，而采用交流互聯將會產生約30%的系統短路電流增量。

表1 柔性分區互聯裝置參數設計
Table 1 Parameter setting of VSC-HVDC sub-networks interconnection equipment

表2 220 kV母線短路電流比較Table 2 220 kV bus short circuit current comparison kA

表3給出了系統發生故障時，采用不同分區互聯策略下的母線電壓跌落情況。盡管交流互聯可以一定程度上緩解A1變電站220 kV母線電壓的跌落程度，避免電壓失穩，但是故障過程中系統電壓仍然會有較大幅度的跌落。采用柔性直流裝置實現分區互聯，由于電力電子設備可以實現ms級跟蹤控制，因此可以在故障過程中實現有功及無功的快速調節，從而能夠有效地避免因故障引起的電壓跌落，對系統電壓實現無功支撐，效果遠遠優于交流互聯。

表3 典型故障時220 kV母線電壓比較
Table 3 220 kV bus voltage under typical faults pu

注：典型故障為兩座220 kV樞紐站之間雙回線路三相短路故障(分區外故障)

從以上分析可以看出，利用柔性直流分區互聯裝置實現高壓配電網供電分區互聯可以有效控制系統短路電流，并在故障后對系統提供可控的有功、無功支援，對系統提供動態電壓支撐。該示范工程目前正在進行項目可行性研究報告編制，計劃在2018年實現投運。

4 結 論

基于柔性直流技術的交直流混合配電網是實現城市配電系統電能質量、可靠性與運行效率提升的一套嶄新的技術方案。該方案可以在充分利用配電網骨干網架和現有交流設備的基礎上，通過在關鍵節點部署柔性直流裝置，大幅度提升系統的運行控制與優化能力。柔性直流裝置不僅可以應用在高壓配電網，實現供電分區互聯，均衡分區之間負載，提高系統安全經濟水平，對系統提供動態電壓支撐，解決局部供電能力不足問題；還可以應用于中壓配電網，實現配電網的合環運行，提升配電網設備利用率和系統可靠性，解決中壓配電網短時供電中斷的難題。利用柔性直流裝置形成交直流混合配電網將成為配電網未來的發展新趨勢。

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(編輯 張小飛)

Application of VSC-HVDC Back-to-Back Device in Beijing Distribution Network

YU Xiaoxiao, ZHANG Pu, ZHANG Kai

(Beijing Electric Power and Economic Research Institute, Beijing 100055, China)

With the continuously increasing power demand and expanding scale of distribution network in big cities, the high voltage distribution network is partitioned and the medium voltage network is operated in open-loop due to the constraint of short circuit capacity and electromagnetic looped network, which results in the decreases of system equipment utilization and reliability. If the partitioned high and medium voltage distribution networks are interconnected by VSC-HVDC, the system reliability and equipment utilization will be greatly improved, which can relieve the contradiction between the limited corridor of urban power network and the high load density, and provide dynamic reactive power support in the load center at the same time. This paper investigates the application of VSC-HVDC back-to-back device in high and medium voltage distribution network in big cities and the system design scheme. In addition, the Beijing high voltage distribution network is taken as an example to demonstrate the advantages of VSC-HVDC back-to-back device in interconnecting divided sub-networks, from the aspects of reducing short circuit current and providing dynamic reactive power support.

VSC-HVDC; distribution network; sub-networks interconnection; urban power network

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2015AA050102)

TM 727

A

1000-7229(2016)05-0132-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2015-12-09

余瀟瀟(1986)，女，博士，工程師，主要研究方向為電力系統規劃，新能源與分布式電源規劃，智能電網技術；

張璞(1986)，女，碩士，工程師，主要研究方向為電網規劃與智能電網新技術應用；

張凱(1969)，男，教授級高級工程師，長期從事電力系統規劃設計，電力企業管理，智能電網技術研究工作。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050102)