柔性直流輸電技術對大電網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，可對有功功率進行獨立調節，評價交流電網強度指標包括交流電網慣性時間常數與短路比，交流電網強度較弱，采用矢量電流控制器導致柔性直流輸電系統失穩。為滿足柔性直流輸電系統阻尼特性及快速響應等實際工程需求，需要研究連接弱交流電網柔性直流輸電系統信號穩定問題，提出改善系統阻尼特性的控制策略。交流電網遠距離輸電存在電壓穩定問題制約交流斷面輸電能力，利用柔性直流輸電運行實現電力輸送，可提升原有交流斷面輸電能力，在提升大電網弱交流斷面輸送能力方面具有廣泛應用前景。

關鍵詞：柔性直流輸電技術;大電網;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得到迅速發展，具有可實現有功無功解耦控制，不存在換相失敗等優點，在實現大規模新能源多點匯集等方面具有明顯優勢[1]。本文結合電網實際需求，研究利用柔性直流輸電技術提升交流斷面輸電能力，促進柔性直流輸電技術的發展。

1 柔性直流輸電系統控制原理

電壓源型換流器在輸電領域得到廣泛應用。VSC-HVDC控制系統功能是實現對換流站傳輸功率的控制，MMC-HVDC系統具有容量大、良好故障處理能力等優點。MCC-HVDC成為柔性直流輸電發展趨勢。目前對VSC-HVDC研究已有精確的站級解析數學模型，但無法精確表達暫態下交直流電壓交互影響機理，難以表征暫態下VSC交直流電壓耦合關系。基于對多端柔性直流輸電系統中交直流側電壓間交互影響機理分析，分析多端柔性直流輸電技術適用場景，提出提高多端柔性直流電系統穩定性控制方法[2]。

根據控制目標不同，可將VSC-MTDC控制系統分為換流站級與系統級。系統級控制系統根據調度需求向各端換流站下發交直流電壓指令，站級控制系統經過閉環控制運算得到橋臂調制信號，各閥級控制系統根據得到的信號生成PWM信號達到控制目標。多端柔性直流輸電系統將相關參數分配到各換流站，多端柔性直流輸電系統中，各端換流站直流側電壓影響電網使用，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為三相六橋臂結構，通過上下橋臂SM數量配合在交流側產生不同電位，橋臂中SM數量多，諧波分量小。閥級控制器由PWM調制環節、環流抑制環節等構成，經過閥級控制器，控制子模塊通斷實現底層閥級控制。

柔性直流輸電是基于電壓源換流器的電力輸送方式，發展第一階段為20世紀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運行采用階梯波逼近，模塊化多電平換流器具備損耗低、擴展性好等優點。柔性直流單側系統結構包括環流電抗器、電壓源換流器等。根據拓撲結構得到三相靜止坐標系下換流器交流側數學模型。

同步旋轉坐標系下環流器數學模型為：

usd，usq為電網電壓d，q軸分量，ucd，ucq為變流器交流側電壓d，q軸分量。isd，isq為交流電流d，q軸分量，直流側動態公式為。目前針對柔性直流系統控制策略多為基于電壓幅相間接電流控制，內環電流控制器用于快速跟蹤參考電流，外環控制器根據柔性直流運行控制目標產生內環電流參考信號[4]。VSC-HVDC系統外環主要有直流電壓控制，定無功率控制，定有功率控制產生內環軸電流參考信號。可根據電網需求實現有功無功解耦控制，柔性直流可實現同步頻率輸出，滿足無源電網供電需求。

2 柔性直流用于弱交流通道實現電力并列輸送

交流電網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。以某省互連電網為例，通過交流通道互連，甲省風電資源豐富，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定性問題，大量潮流轉移帶來低電壓問題。以功角問題為例，受端交流電網簡化為無窮大電網，功率特性為，送端通過通道與無窮大電網相連，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為初始運行角與極限切除角[5]。柔性直流輸電技術對電網短路助增電流可控，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，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組機械功率，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—西北聯網通道為研究算例，在新疆電網大功率外送下，新疆電網相對西北主網功角失步。敦煌—莫高斷面輸電能力為400萬kW。新建新疆電網到西北主網柔性，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行功率。

3 結語

智能柔性直流輸電技術是以可關斷器件技術為基礎的直流輸電技術，具有設計施工方便環保等優點，在分布式發電并網等領域具有明顯優勢。發達國家重視其在智能電網中的發展作用，柔性直流輸電系統應用是新的發展方向。本文研究利用柔性直流輸電與交流輸電并列運行提升輸電能力，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交流斷面輸電能力方面具有廣泛前景。

[參考文獻]

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

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

[3]孔冠荀.柔性直流輸電系統顯式模型預測低復雜度控制技術研究[D].吉林：東北電力大學，2019.

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

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

（編輯 王雪芬）