柔性直流輸電在城市配電網 應用中的仿真研究

郭 張紅斌 楊衛紅 劉海波

（國網北京經濟技術研究院，北京 102209）

利用柔性直流輸電技術對城市配電網進行供電，能夠有效提升站址和通道資源的利用效率；同時，靈活、快速和高效的有功和無功控制能力，能夠解決電壓閃變、短路電流超標問題、降低諧波等對電網系統的危害。柔性直流輸電技術必將成為解決城市電網發展的有效途徑之一，因此有必要對柔性直流輸電在配電網中的作用做進一步直觀地分析。

國內外在城市電網柔性直流輸電應用方面已有一定的研究。文獻[1-3]討論了多端柔性直流輸配電系統的特點、模型以及控制策略，但未能定性地研究其對城市電網的影響；文獻[4-5]利用一定的經濟手段對柔性直流輸電與其它手段措施對城市電網的某一方面影響進行了量化分析；文獻[5]從設備投資方面將柔性直流輸電與交流輸電進行了對比分析；文獻[6]從柔性直流輸電的優點出發，定性地討論了柔性直流輸電在城市電網運用的可行性；文獻[7-8]采用PSS/E 等軟件對城市電網柔性直流輸電進行仿真分析，但電壓等級均為230kV 的城市高壓網，未涉及10kV 及以下低壓配電網絡。這些對于城市配電網柔性直流輸電的分析不夠直觀全面，不足以體現柔性直流輸電在城市配電網中應用的真正優勢所在。

本文分析了當前城市配電網面臨的問題和柔性直流輸電的原理及技術優勢，針對柔性直流輸電在城市配電網中的應用，利用PSCAD/EMTDC 對柔性直流輸電在城市電網中的對提高暫態穩定水平，改善電壓穩定性等方面的作用進行了仿真研究，結果表明柔性直流輸電技術在城市配電網中具有良好的應用前景。

1 柔性直流輸電技術

柔性直流輸電技術是在可關斷器件組成的電壓源換流器（VSC）和交聯聚乙烯電纜（XLPE）出現之后，采用脈寬調制控制技術（PMW）而發展起來的。它可以將直流輸電的經濟應用功率范圍降低到幾十兆瓦。柔性直流輸電系統原理如圖1所示。

圖1 柔性直流輸電系統原理圖

圖1中所示為兩電平拓樸結構的柔性直流輸電線路，其送端和受端換流器均采用VSC，2 個換流器具有相同的結構，它由換流器、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。

圖2為柔性直流輸電穩態運行基波相量圖，通過控制換流橋輸出電壓的幅值與相位，就能改變的幅值及其相對于交流系統電壓Us*的相位，從而改變換流電抗器上的電壓降，從而實現了VSC 與交流系統間有功功率與無功功率的控制。

圖2 柔性直流輸電穩態運行基波相量圖

由圖2可知，接入柔性直流輸電系統的配電網的數學模型可用式（1）、式（2）表示。

即

由式（2）和圖2可知：

1）若δ>0，則為逆變狀態，換流站向交流系統注入有功功率，對應于圖2（a）、（b）。

2）若δ<0，則為整流狀態，換流站從交流系統吸收有功功率，對應于圖2（c）、（d）。

從系統角度來看，VSC 可以看成是一個無轉動慣量的電動機或發電機，幾乎可以瞬時實現有功功率和無功功率的獨立調節，實現四個象限運行。

2 柔性直流輸電在城市配電網中的應用仿真

2.1 配電網柔性直流輸電系統仿真模型

本文模擬一個等效的符合受端電網性質的城市配電網絡，網絡結構如圖3所示。隨著城市電力負荷的增長，需要新增輸電通道，新增一條柔性直流線路：額定電壓等級10kV，額定傳輸功率10MVA。

圖3 仿真模型系統結構示意圖

本文利用自主研發的柔性直流成套設計軟件計算相應的主回路參數，詳細參數見表1。本文以圖3所示的等效城市電力網絡為例，應用 PSCAD/ EMTDC 軟件進行時域仿真，通過仿真驗證成套設計的正確性，分析柔性直流技術對提高暫態穩定水平，改善電壓穩定性以及無功支持等方面的作用，對以后柔性直流輸電在城市配電網中的實際應用提供一定的參考價值。

仿真程序中送端采用定直流電壓、定交流電壓控制；受端采用定有功功率、定交流電壓控制。同時，在模型搭建中選用了11 電平，采用NLM 調制策略。

表1 仿真模型系統參數

2.2 系統穩態響應特性及其仿真分析

圖4為受端換流站穩態下控制器的輸出特性。

圖4 MMC2 站控制器輸出特性

從圖4中可以看出，穩態運行時，受端換流站內的定有功功率控制器和定交流電壓控制有很好的穩態控制特性。當換流站自然起動時，公共連接點處的交流線電壓能在0.2s 內達到并維持穩定運行于交流電壓參考值；在0.1s 時，換流站傳輸的有功功率達到最大值，隨后，在控制器的調節下，運行至0.5s，換流站就可以向配電網輸送額定的有功功率，穩定運行，滿足正常的用電需求。

穩態運行時，受端（MMC2）換流站交流母線的輸出特性如圖5所示，仿真時長為2.0～2.1s，即五個周波。

圖5 公共連接點PCC 處的相電壓

橋臂的輸出電壓為正弦趨勢變化的階梯波，不需要額外增加濾波設備，在公共連接點出即可輸出基本正弦的正弦波形，所以，采用多電平拓撲的換流站能夠實現無源逆變，向無源的配電網供電，并且輸出的電能具有較高的電能質量。

綜上，經過MMC-HVDC 結構接入直流輸電系統的配電網在穩態下有很好的響應特性，能夠迅速響應并追蹤控制器的輸出信號，輕而易舉的實現對受端電網特定運行狀態的控制；允許受端電網實現無源逆變，并且在換流站出口處輸出基本正弦的波形，有著較高的電能質量。

2.3 系統靜態穩定性仿真分析

1）直流線路的擾動

為了測試送端的運行狀態的變化對配電網的影響，圖6至圖8仿真模擬了直流電壓階躍變化時受端系統的響應特性。送端定直流電壓控制器參考值在t=1.0s 時，由額定值10kV 階躍上升至11kV；在t=3.0s 時。由11kV 階躍下降致9kV。

圖6 直流電壓的階躍變化

直流線路的測量電壓如圖6所示，直流線路的測量電壓在±10%范圍內波動。

在直流電壓階躍上升（t=1.0s）、下降（t=3.0s）的過程中，圖7表明受端換流站（MMC2）交流母線的線電壓有效值、相電壓的幅值、波形能基本保持不變。圖8表明受端換流站向配電網輸出的有功功率、無功功率基本保持在額定值。這說明接入柔性直流輸電系統的區域配電網能在直流輸電系統波動的情況下，安全可靠地供電，滿足負荷的用電需求的同時，保證較高的電能質量。

圖7 受端交流母線電壓

圖8 受端傳輸的有功功率與無功功率

2）沖擊性負荷的接入與退出

沖擊負荷的接入和退出將導致配電網的有功需求發生較大范圍的波動，圖9至圖12仿真模擬了配電網有功功率階躍變化時系統的響應特性：受端換流站（MMC2）向系統輸送的有功功率參考值在t=1.0s 時刻由額定值3MW 階躍上升為4MW，在t=3.0s 時刻階躍下降為1.5MW。

圖9 有功功率的階躍變化

圖10 受端換流站向系統輸出無功功率

圖11 第一次躍變時的電壓

圖12 第二次躍變時的電壓

實際傳輸的有功功率的變化如圖9所示，變化范圍在-35%～50%之間，并且能夠在0.2s 內達到預定的輸出。

換流站輸出的有功功率變化時，其吸收的無功功率將隨之改變。有功功率上升時，換流站吸收的無功功率也將上升；而有功功率下降時，換流站吸收的無功功率也將下降。但無論功率怎么變化，交流母線的線電壓有效值都能基本保持不變。

當換流站輸出的有功功率指令變化時，換流站能通過控制系統的響應，迅速的追蹤控制指令的變化，實現潮流的快速調節和控制；并且，由圖10可知，換流站輸出的有功功率與無功功率是相互耦合的，在有功功率變化的同時，換流站能夠通過改變輸出的無功功率以保證穩定的交流電壓有效值，同時，由圖11、圖12可知，交流相電壓的波形基本沒有畸變，由較高的電能質量。

3）無功設備的接入與退出

考慮隨著配電網的發展，接入系統的電力電子設備的增多，將導致交流母線電壓的變化，圖13至圖15仿真模擬了配電網交流母線電壓階躍變化的系統的響應特性。t=1.0s 時刻，交流母線線電壓參考值由額定值10kV 上升至10.5kV，t=3.0s 時刻。交流母線線電壓參考值由10.5kV 階躍下降至9.5kV。

換流站吸收的無功功率將隨母線電壓的變化而變化，當母線電壓參考值上升，換流站吸收的無功功率將減小，甚至能夠接近于0，以保證向配電網輸出足夠的無功功率；當母線電壓參考值下降時，換流站吸收的無功功率將增大，即消耗多余的無功功率。

圖13 配電網交流母線電壓

圖14 換流站向配電網傳輸的無功功率

圖15 換流站向配電網傳輸的有功功率

交流母線電壓參考值的變化同樣將引發換流站吸收的有功功率的波動。在交流母線電壓階躍上升的瞬間，換流站吸收的有功功率將減小（即向配電網提供的有功功率將增加）；在交流母線電壓階躍下降的瞬間，換流站吸收的有功功率將增加（即向受端提供的有功功率將減小）。但在控制系統的作用下，換流站輸出的有功功率將最終穩定在額定值運行。

采用多電平換流器拓撲的換流站能夠動態的補償交流母線的無功功率，保證交流母線電壓能快速準確的追蹤控制器設定的參考值，穩定交流母線電壓，起到STATCOM 的作用，為系統提供可靠優質可控的電能。

2.4 系統暫態穩定性仿真分析

1）單相接地故障

圖16至圖19仿真模擬了受端系統的交流母線處發生瞬時性單相接地故障，故障發生時間t=0.1s，持續時間0.05s 時，系統的響應特性。

如圖17所示，當配電網交流母線處發生單相接地過程中，送端的直流電壓會有很小的波動，但能基本維持不變。

圖16 受端交流母線電壓

圖17 送端的直流電壓

圖18 換流站向配電網傳輸的有功功率

圖19 換流站向配電網輸送的無功功率

由于故障的存在，換流站輸出的有功功率瞬間減小，其吸收的無功功率同時減小甚至發出大量無功。配電網的交流側故障并不會影響直流輸電系統的穩定運行，并且在故障期間，可以通過直流網絡實現與其他交流系統的相互隔離，限制故障的進一步擴大，避免發生連鎖故障。

瞬時性故障發生后，由于交流母線電壓降低，負荷需要吸收大量的無功功率，換流站能夠在故障發生時，迅速向系統發出無功功率，為故障的交流系統提供及時的支援，緩解故障對配電系統造成的影響；并且，換流站能在故障消失后的0.25s 內向系統恢復供電，保證配電網的正常運行，有著良好的恢復特性。

2）三相短路故障

交流系統主要通過繼保裝置向斷路器等設備發出信號，切斷故障電流，由于機械慣性，交流系統切除短路故障將需要80～100ms。在配電網發生三相瞬時性短路故障時，這可能導致在故障消失后很長一段時間內都無法保證對負荷的正常供電。而對于接入柔性直流輸電系統的區域配電網，可以通過換流站內控制器的配合，向換流器發出閉鎖信號來切斷對故障點的供電并且在故障切除后及時發出解鎖信號恢復對系統的正常供電。

圖20至圖22仿真模擬了配電網發生三相瞬時性短路故障，故障發生時間為1.0s，持續時間為50s。

圖20表明，而通過換流站內控制器的配合，向換流器發出閉鎖信號來切斷對故障點的供電僅需10ms 左右。在故障消失后，控制器能在10ms 內向換流器發出解鎖信號，反應迅速可靠。

圖20 換流器（MMC2）的閉鎖解鎖信號

圖21 受端交流母線電壓

圖22 受端換流站傳輸的功率

故障發生后，交流母線電壓能夠在1.1s 恢復額定值，在1.4s 后整個系統恢復至穩定運行狀態。瞬時性故障發生、消失的過程中，交流側的繼保裝置無需動作，僅僅依靠對換流器的控制就可以及時有效的實現故障的切除、和恢復供電，實現故障的快速切除。限制故障擴大的同時，保證故障對受端系統的影響最小，避免和減小不必要的損失。

3 結論

本文分析了柔性直流輸電的原理及在城市配電網中應用的技術優勢，對柔性直流輸電在城市配電網中應用的靜態穩定性及暫態穩定性進行仿真分析，仿真表明柔性直流技術對提高配電網暫態穩定水平，改善電壓穩定性以及無功支持等方面具有積極的作用，應用前景良好。

[1] 湯廣福,羅湘,魏曉光.多端直流輸電與直流電網技術[J].中國電機工程學報,2013,33(10): 8-17,前插2.

[2] 徐政,陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術綜述[J].高電壓技術,2007,33(1): 1-10.

[3] 邱大強,邢大鵬.多端柔性直流輸配系統控制策略研究[J].電氣開關,2014,52(3): 23-26,32.

[4] Zhang Justin-Jin,Liu Qianjin,Christian Rehtanz,et al.Investigation for new solutions for mega city power grid issues[C].2006 China International Conference on Electricity Distribution.

[5] Paulo Fiseher de Toledo.Feasibility of HVDC for city infeed[D].Stoekholm: Royal Institute of Technology,2003.

[6] 張林山,楊晴,崔玉峰,等.柔性直流輸電在城市電網中的應用[J].云南電力技術,2010,38(4): 31-34.

[7] 李春葉,李勝.柔性直流輸電在城市電網中應用的仿真研究[J].電氣技術,2011(1): 1-4,9.

[8] 閆景信.輕型直流輸電在城市電網中的應用研究[D].北京: 華北電力大學,2008.