VSC-HVDC高壓輸電系統控制研究

李恩佳

摘 要：隨著高新科技的快速發展，高壓輸電網絡工程的重要性也隨之得到廣泛關注，在電網建設過程中，對輸電網絡過程中輸電的穩定性、安全性及經濟性等的重視程度越來越高。此外，受外部環境的影響，在輸電工程設計過程中需要進行多重考慮以應對無法預知的外部變化。因此，在高壓輸電建設的設計環節需要加強對環境因素的考慮，提高高壓輸電工程控制的穩定性。

關鍵詞：電網工程;穩定性;高壓輸電

中圖分類號：TM723文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）25-0110-04

Abstract： With the rapid development of high-tech， the importance of high-voltage transmission network engineering has been widely concerned. In the process of power grid construction， more and more attention has been paid to the stability， security and economy of transmission network. In addition， due to the influence of external environment， multiple considerations are needed to deal with unpredictable external changes in the design process of transmission engineering. Therefore， it is necessary to strengthen the consideration of environmental factors in the design of high-voltage transmission construction to improve the stability of high-voltage transmission project control.

Keywords： power grid engineering;stability;high voltage transmission

1 高壓輸電系統概述

在互聯網與計算機技術的應用下，我國電力系統甚至世界上各個國家的電力系統都逐漸向著聯合進步發展的方向前進[1]。隨著電網工程建設腳步的加快，高壓輸電作為至關重要的組成部分，其有關設計工作也引起了相關研究人員的重視。

結合辨識算法、伯德圖、根軌跡圖等方法整定參數設計的傳統HVDC控制系統，對輸電系統過程中的穩態及小擾動現象的控制能取得較好的效果，但是在面對具有較強非線性特性的交流系統時，其系統架構會受到運行過程中方式變化等諸多未知因素的影響[2]。因此，在輸電系統中采用傳統控制方法的效果將會大大降低。

綜上所述，電網建設過程中，考慮到遠距離輸電的電容量、地下及海底輸電和異步聯網的經濟性等多種因素的影響，采用軌跡法與頻率響應法進行設計的HVDC輸電控制系統的電網工程，實現了電網輸電過程中單輸入、單輸出的線性控制。在眾多輸電線路控制方法中，該方法的綜合優勢不斷得到體現。各控制方法的關系如圖1所示。

2 HVDC輸電系統與傳統輸電系統對比

2.1 傳統UPS輸電系統

傳統的UPS輸電系統在工作過程中存在以下多種性能問題。

①在輸電系統中，UPS備用能源的可靠性為0.88，與可靠性為0.99的電池相比，其可靠性明顯不足[3]。采用并聯輸電方式時，在UPS之間不僅存在換流問題，而且還增加了UPS的無功損耗，整機可靠性、應急保障及維護性能也會下降。

②UPS系統沒有對冗余系統的輸電配電線路進行主次區分，利用率較低。UPS雙機冗余系統的負荷率不足35%，輸出三相之間不平衡，這些問題將直接影響UPS降容的使用。

③UPS系統的維護性差，無法進行不同設備型號與系統間的交互，并且其供電容量較低。

2.2 HVDC高壓輸電系統

HVDC作為通信電壓系統的重要優勢為具有高安全性、高可靠性及節能性。HVDC整機采用分布式監控系統，由交流配電單元、整流單元、直流配電單元、電池單元、監控單元及電池巡檢和絕緣巡檢部分組成。HVDC供電系統與UPS系統的性能對比如表1所示

2.3 輸電系統調整與控制

由于發電、輸電及負荷系統均與輸電電壓穩定性有直接關系，因此輸電系統在電力需求高度緊張時容易出現電壓紊亂或崩潰的問題。但是，造成此問題的根本原因在于電力系統的脆弱性。此外，輸電系統的輸電網絡強度與傳輸能力、發電機無功功率、電壓控制、負荷等多種設備因素的共同作用對輸電系統電壓穩定性有著決定性影響。圖2為有功功率與無功功率傳輸模型。

對于典型的輸電系統而言，在進行功率傳輸時，當功角不足30°時，可以使用[sinδ=δ]將接收端和發送端方程（1）和（3）線性化，從而得出有功功率傳輸和功角[δ]之間的關系。

當輸電系統功率傳輸方式為無功功率傳輸時，在研究輸電系統電壓穩定性時可以忽略電壓幅值。當輸電系統遭遇緊急情況或崩潰時，會降低系統的接收端、負載端的電壓，此時對輸電線路及變壓器兩端功率傳輸特性的研究對輸電系統具有重要的意義。

通過上述各方程計算可以得出：輸電電壓始終從高電壓節點向低電壓節點傳輸，其幅值決定了無功率傳輸的特性。因此，可以得出[P]和[δ]，[Q]和[U]的關系緊密關聯。

對比有功功率傳輸和無功功率傳輸特性，其差異較為明顯，無功率傳輸存在以下缺點。

①在輸電線兩端具有較大功角進行傳輸時，只能從高電壓節點向低電壓節點傳輸，傳輸過程中，電壓幅值始終保持在（[1±5%]）p.u.的特性給無功功率傳輸方式在實際輸電工程中的應用帶來很大的困難。

②考慮到輸電工程的經濟性要求，在輸電線路上要求始終保持有功損失與無功損失最低。其無功損失最小是為了降低無功投資。

綜上所述：輸電系統有功功率[P]的傳輸和功角有直接關系，電壓幅值[U]對無功功率[Q]傳輸具有重要影響。輸電線路上的負荷過大、電壓源距離負荷中心較遠、電壓值過低及負荷無功補償值過低等因素影響著輸電電壓的穩定性。

2.4 VSC-HVDC控制

在輸電過程中，可以采用同步調相機、并聯電容器、禁止無功補償器等多種方式調節輸電網絡中的電壓分布，使其穩定在良好的電壓范圍和較高的電壓值[4]。為了獲得有效的控制方式來提高電力系統的穩定性，研究者對VSC-HVDC控制方式進行了研究分析。

在兩交流電網互聯時，在輸電系統出現故障的情況下，為保證VSC-HVDC控制方式對直流電源和功率平衡具有有效的控制效率，本文分析了前人的研究，并提出VSC-HVDC輸電系統故障控制策略，即模式切換控制策略。

本文對VSC-HVDC輸電系統的直流功率與兩側換流器直流電源的關系進行推導，提出了直流電壓閥值和直流電壓參考值的計算方法。

2.4.1 VSC-HVDC控制系統結構。為了分析的簡便性，本文對VSC-HVDC輸電系統的結構進行了簡化，將換流器和交流相電抗器等效為電阻和電抗進行串聯。圖3為帶有交流電網的VSC-HVDC輸電系統結構圖。

2.4.2 換流器數學模型。根據基爾霍夫電壓定律推導出換流器交流側的微分方程：

3 結論

VSC-HVDC輸電系統的直流電壓穩定性的根本原因在于直流側電容和線路的充放電功率是否保持平衡。隨著輸電系統中直流電容器和線路存儲電能的增大，輸電線路的直流電壓隨之增加。直流側電容和線路的充放電功率作為直流輸電系統功率平衡節點，當系統進入限流模式或因故障出現停止時，直流輸電網絡的功率表現出不穩定現象，其無法維持功率平衡，造成輸電系統對直流電壓的控制失效。此時，可采用VSC-HVDC輸電方式的輸電系統對有功功率進行控制，實現直流輸電系統中的功率平衡，提高直流電壓的穩定性。

參考文獻：

[1]李興源，趙睿，劉天琪，等.傳統高壓直流輸電系統穩定性分析和控制綜述[J].電工技術學報，2013（10）：288-300.

[2]王里.探討高壓輸電線路電氣設計中存在問題及對策[J].通訊世界，2019（10）：229-230.

[3]吳東靈.對高壓輸電線路工程設計施工問題的探討[J].建材與裝飾旬刊，2008（6）：239-241.

[4]熊虎，向鐵元，詹昕，等.特高壓交流輸電系統無功與電壓的最優控制策略[J].電網技術，2012（3）：39-44.