柔性直流電網基于交流母線分列運行策略的功率盈余控制方法

趙媛，張靜嵐，吳文杰，莊添鑫，張崇興，楊凱歌，常鵬

(1. 國網冀北電力有限公司電力科學研究院，北京100045；2. 西安交通大學，西安710049)

0 引言

近年來，隨著新能源技術的快速發展，柔性直流輸電技術也得到了廣泛應用。相比于傳統的直流輸電技術，柔性直流輸電技術能夠對有功功率和無功功率進行獨立調節，快速靈活可控，并且結構緊湊，是新能源發電裝置接入電網的重要保障[1 - 5]。柔性直流輸電技術既可實現新能源電場孤島方式接入交流大電網，也可實現非同步運行的交流電力系統之間的背靠背連接，具有廣闊的應用前景[6 - 10]。

柔性直流電網出現某些故障后，可能會產生功率盈余問題，甚至導致直流電網的大面積癱瘓[11]。對于柔性直流輸電系統中的功率盈余問題，業界也有了一系列的解決思路[12 - 14]，總體上都是通過減小直流電網內的有功功率，實現流入流出直流電網的有功功率再平衡。通過投入直流或交流可控耗能電阻，消耗故障后系統內的盈余功率[15]。通過降低風電場交流側電壓，利用風機的低電壓穿越特性[16]，降低風機的輸出功率。通過提高孤島運行的交流測電源頻率，將一部分電能轉換為電機轉子旋轉的機械能，從而降低機組輸出的有功功率[17]。

本文針對柔性直流電網的功率盈余問題，首先分析了功率盈余問題產生的機理，在此基礎上提出了通過交流母線分列運行解決功率盈余問題的方案，并探討了此方案在典型柔性直流輸電網絡中的可行性；然后通過電磁暫態仿真，將該方案與增設直流耗能裝置的方案進行了比較，分析了該方法在通用性方面的優勢，同時對其有效性進行了驗證。

1 柔性直流電網功率盈余問題及解決方案

1.1 直流電網功率盈余問題

電壓源換流器(voltage source converter, VSC)可以等效為一個沒有轉動慣量的電動機，這使得柔性直流輸電系統具有很強的靈活性，但同時也使得直流電網具有了較大的不穩定性[18]。當直流電網出現某些故障時，電流電壓變化迅速，而交流安穩控制裝置的動作速度較慢[19]，無法瞬間切斷線路起到保護作用。故障后直流電網中很容易出現盈余功率，進而導致直流電網發生大面積癱瘓。

交流電源連接換流器交流母線的常見接線方式有2種：并列運行與分列運行。并列運行時，單極換流器故障閉鎖后，由故障極換流器承載的那部分功率會轉由健全極換流器承載；分列運行時，單極換流器故障后，由故障極換流器承載的那部分功率則不會轉由正常極換流器承載。交流母線并列運行與分列運行方式如圖1所示。

對于功率盈余問題，本文參考了文獻[10]中描述直流電網盈余功率問題機理的分類方法：第1類問題，即送端站單極故障閉鎖后，原先由故障極承載的功率全部由健全極承載，盈余功率在健全極換流器上積累，MMC子模塊因過流過壓而閉鎖。第2類問題，即受端站單雙極閉鎖后，送出功率不足而送入功率不變，多余能量開始在系統內積累，換流站電容電壓迅速升高導致閉鎖。

1.2 通過交流母線分列運行解決功率盈余問題

1.2.1 第一類功率盈余問題

交流母線分列運行情況下，當送端站單極故障閉鎖時，由于交流母線分列運行，故障極承載的有功功率不會被健全極承載，使得健全極不至于因為過流過壓而閉鎖，換流站得以繼續運行。

1.2.2 第二類功率盈余問題

當受端站故障閉鎖時，可以強制閉鎖送端站部分或全部換流器。同時，閉鎖極換流器承載的有功功率不會被健全極轉帶。控制送端站換流器的閉鎖數目，保證送端站送出的總有功功率不大于受端站接受的總有功功率，就可以防止直流電網內出現盈余功率。

設穩定運行時站1和站2送入直流電網的功率分別為P1in，P2in。站3和站4送出直流電網的功率分別為P3out，P4out。送端站閉鎖裝置啟動前站1和站2輸入直流電網的功率可認為恒定。設t0時刻故障發生，站3輸出功率降低為P3out-ΔP3out。定直流電壓站4輸出功率增大為P4out+ΔP4out。t1時刻保護裝置啟動，站2輸出功率下降為P2in-ΔP2in。這一過程中柔性直流電網內的盈余功率Δp滿足式(1)。

(1)

(2)

由式(2)可知，故障發生后若盡快閉鎖送端站對應極換流器，縮短盈余功率作用的時間，就能很好地控制電壓上升的幅度。同時由于交流母線分列運行，閉鎖某一極換流器不會影響到另外一極的運行，系統得以順利實現故障穿越。

2 仿真模型的建立及仿真驗證

2.1 仿真模型建立

張北±500 kV柔性直流輸電工程是中國自主建設的世界首個柔性直流電網工程，也是世界上輸送容量最大、電壓等級最高的柔性直流輸電工程。為了驗證交流母線分列運行方案的有效性，在PSCAD/EMTDC中仿照張北工程搭建了柔性直流輸電網絡模型。模型基于典型的四端雙極柔性直流輸電網絡搭建，擁有送端站、受端站和調壓站。送端站通常連接發電設備，起到電源的作用。調壓站的作用是穩定直流母線電壓。受端站連接交流大電網，向交流電網輸送能量。本模型中各換流站參數見表1。圖2為四端柔性直流電網示意圖。

表1 各換流站參數

圖2 四端柔性直流電網示意圖

2.2 正常運行工況

站1和站2的雙極輸出功率分別穩定在3 000 MW和1 500 MW。站3采取定有功功率的控制方式，雙極輸出功率為1 500 MW，站4采取定直流電壓的控制方式，因為線路阻抗的原因，輸出功率低于設計值。系統正常運行時的仿真波形如圖3所示。

圖3 正常運行時仿真波形

2.3 故障運行時

2.3.1 交流母線并列運行

交流母線并列運行時，考慮最嚴重的故障情況，即站4交流側斷路時，仿真波形如圖4所示。2 s時在PSCAD中觸發站4交流母線斷路故障。故障發生后，站4送出功率迅速衰減，站1和站2的送出功率暫時不變，多出的功率由站3承載，站3的子模塊電壓迅速升高并出現波動，導致閉鎖。閉鎖后不再送出功率。站3閉鎖后，站1和站2輸入系統的有功功率無法送出，子模塊電壓和直流電壓迅速升高，最終站1和站2相繼閉鎖，直流電網癱瘓。

圖4 站4雙極閉鎖仿真波形

2.3.2 交流母線分列運行2.3.2.1 送端站單極閉鎖故障。

送端站單極故障后，交流母線采取并列方式運行時，故障極承載的功率不會被健全極所轉帶，保證了送端換流站的正常運行。站2負極閉鎖時仿真波形如圖5所示。

圖5 站2負極閉鎖仿真波形

在2 s時觸發站2負極閉鎖。故障發生后，從有功功率和電壓的角度看，從站2負極送出的有功功率迅速衰減，站3和站4負極送出的有功功率暫時不變，站1負極電壓出現跌落，經過一段時間震蕩后回歸穩定。由于交流母線采用分列運行的接線方式，站2正極承載的功率不變，正極電壓不受影響。從直流母線電壓的角度看，在故障初期，站2負極換流器關閉，送出功率不足，導致直流母線負極電壓瞬間跌落，隨即又迅速恢復。由于采取真雙極接線方式，并且交流母線分列運行。所以直流母線正極電壓保持平穩不受影響。從各站輸出功率的角度看，站2負極換流器閉鎖后，其負極輸出功率迅速下降至0。而站1輸出功率不變。站3由于采取了定有功功率的控制方式，輸出功率經過短暫波動后保持不變。站4由于采取了定直流電壓的控制方式，輸出功率幅值減小，從而彌補了站2下降的輸出功率。

2.3.2.2 受端站單極閉鎖故障

受端站單極閉鎖時，輸出功率迅速下降，為了保證功率平衡，應強制閉鎖送端站對應極換流器，且送端站閉鎖極有功功率不小于受端站閉鎖極的有功功率。站3負極閉鎖仿真波形如圖6所示，設2 s時站3負極閉鎖，20 ms后保護裝置動作，站2負極換流器閉鎖。站1負極子模塊電壓先短暫上升，經過一段時間的波動后恢復到故障之前的狀態。站3閉鎖后輸出功率首先下降，盈余功率由站4承載，站4輸出功率上升。隨后保護裝置啟動，站2負極閉鎖，站4輸出功率開始跌落，經過波動后逐漸穩定在正常水平。由于保護裝置及時投入運行，直流母線電壓并未出現較大波動。交流母線分列運行策略起到了很好的保護作用。

圖6 站3負極閉鎖仿真波形

3 交流母線并列轉分列運行策略

3.1 母線并列運行的優勢和局限性

母線并列運行的解決方案對電網設備沒有特殊要求。其他的一些解決方案可能對設備有著特殊要求。比如升頻法就需要一次側設備具有一定的一次調頻能力[17]。

母線并列運行的解決方案可以同時解決第1類功率盈余問題和第2類功率盈余問題，而其他的解決方案，比如投入直流耗能裝置，則只能解決某一類功率盈余問題。

交流母線并列運行故障閉鎖后，可能出現較大的功率損失。在換流器正負極對稱運行的典型情況下，即正負極換流器承載相等的功率時，單極閉鎖可能造成一半的功率損失。

對于受端站換流器閉鎖的情況，需要通過通信裝置向送端站發出閉鎖指令。若通信裝置損壞或者信號傳遞延遲，會造成送端站閉鎖速度過慢。保護失效。

某些情況下，交流母線分列運行策略可能失效。比如系統中唯一的調壓站閉鎖時，即使及時閉鎖送端站換流器，系統也將因為缺乏調壓站的支持而出現電壓不穩定的現象，無法繼續穩定運行。要解決此類問題，可以在系統中設置多個調壓站，當其中某個調壓站故障閉鎖后，其他調壓站也可以繼續起到調壓作用。

3.2 與直流耗能裝置的比較

當受端站發生閉鎖故障時，除了閉鎖送端站對應極換流器外，也可以采取在系統中投入耗能電阻的方式來消耗盈余功率。直流耗能裝置的大致原理是，在換流器MMC子模塊后面并聯可控耗能電阻，當受端換流器故障閉鎖后，投入耗能電阻將系統內的盈余功率轉化為耗能電阻產生的的熱能，從而保障換流站的穩定運行[20 - 12]。

按照文獻[11]中的設計規范，如圖7所示，將直流側耗能電阻配置在換流器后，直流側耗能電阻可在1 000 kV電壓下消耗750 MW有功功率。如圖所示，2 s時站3正極換流器故障閉鎖后，正極輸出功率迅速衰減，20 ms后直流耗能裝置啟動，吸收大部分盈余功率，各站輸出功率經過一段時間波動后恢復正常。站2正極子模塊電壓經過一段時間波動后恢復正常。直流耗能裝置起到了很好的保護作用。

圖7 直流側耗能電阻示意圖

直流耗能裝置能夠減少對交流測電源的影響，防止交流測電壓出現波動，暫時性故障過后能夠順利并網。交流母線分列運行時，強行閉鎖送端站換流器可能造成交流側電壓和頻率升高，使得故障恢復后的交流側并網出現困難。

直流耗能裝置連接了正負極直流母線，當正極換流器出現故障，耗能裝置投入運行后，負極母線電壓也會受到影響，使得負極換流站電壓出現波動。交流母線分列運行時，正負極直流母線相互獨立，負極換流器電壓不會出現波動。

直流耗能裝置適用于第2類功率盈余問題，對于第1類功率盈余問題，即單個換流站內部單極閉鎖的情況無法處理。交流母線分列運行可以同時處理兩類功率盈余問題。

直流耗能裝置運行時會產生大量熱量，對占地和散熱有較高要求，不能長時間運行，適用于暫時性故障。交流母線分列運行的方案則適用于暫時性和永久性故障。

直流耗能裝置投入使用后的電壓、功率仿真波形如圖8所示。

圖8 直流耗能裝置投入使用后仿真波形

3.3 減小故障后電壓升高的策略

由式(2)可知，直流電網出現盈余功率后子模塊電壓升高的幅值主要取決于以下3個方面的因素。

1)盈余功率的大小。盈余功率越大，單位時間內積累的能量就越多，電壓上升幅值越大。

2)故障持續時間。故障持續時間越長，子模塊上積累的能量就越多，電壓上升幅值越大。

3)子模塊電容大小。電容承載的能量與電容大小成正比，子模塊電容越小，相同條件下電壓上升幅度越大。

因此，降低故障后電壓升高幅度，可以從以下2個方面著手。

1)縮短安控裝置的反應時間，例如可以使用更快的通信模塊。如圖9所示，站3正極閉鎖后，將站2正極閉鎖的反應時間由20 ms縮短到5 ms。站1負極子模塊電壓波動幅度相比之前明顯減小。

圖9 縮短閉鎖裝置反應時間后仿真波形

2)增大子模塊電容。如圖10所示，將MMC子模塊電容增大到初始值的兩倍，站3正極閉鎖后20 ms閉鎖站2正極換流器，可以看到，增大子模塊電容后，電壓的波動幅度減小。

圖10 增大子模塊電容后仿真波形

4 結論

本文首先分析了通過交流母線并列轉分列運行解決直流電網功率盈余問題的機理，基于PSCAD/EMTDC搭建了四端雙極柔性直流輸電模型。通過正常和故障狀態下的仿真分析，得到了如下結論。

1)交流母線并列轉分列運行可以有效解決柔性直流電網中的第1類和第2類功率盈余問題。

2)和直流耗能裝置相比，母線分列運行方案可能造成交流側電壓不穩，但不會影響直流母線正常極電壓，對散熱和占地也沒有高的要求。

3)可以通過縮短閉鎖裝置反應時間，增大子模塊電容等方式，控制故障后電壓波動幅度。

目前，除交流母線并列轉分列運行外，功率盈余問題還存在其他多種解決方式，例如投入交流或直流耗能電阻，降壓法及升頻法等。這些解決方案各自存在優勢和不足，后續將進一步探究幾種方案的優劣及各自適用的場景。