柔性輸電系統(tǒng)實驗教學物理模型的設計與實踐

張鳳鴿， 李紅斌， 張 蓉， 朱秋華， 吳 彤， 楊德先

（華中科技大學電氣與電子工程學院電力安全與高效湖北省重點實驗室，武漢 430074）

0 引 言

隨著全球氣候變暖以及傳統(tǒng)化石能源短缺，清潔的可再生能源越來越受到世界的重視。絕大部分新能源都是通過轉化為電能才能被利用，但風能、太陽能發(fā)電受到氣候影響大，與傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電存在著明顯不同的技術特點，這對現(xiàn)代電力系統(tǒng)提出了更高的技術要求。另一方面，為了實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標，國家在大力推進新能源的大規(guī)模接入與能源互聯(lián)網，推動微電網、主動配電網技術的不斷發(fā)展，不斷提高分布式電源及儲能裝置在用戶側的柔性接入，使得電力系統(tǒng)朝著更智能、更靈活的泛在電力物聯(lián)網方向發(fā)展［1-2］。

在電力電子化的電力系統(tǒng)中，使現(xiàn)代電力系統(tǒng)的靈活性和可控性更強，這類基于電力電子技術的電力系統(tǒng)新型設備統(tǒng)稱為柔性設備，主要應用領域包括柔性直流輸電、柔性交流輸電、新能源與儲能、主動配電網與微電網4個方面。柔性設備在電力系統(tǒng)中的應用有效提升了電網對可再生能源的消納能力和電能的轉換傳輸效率，增加了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性，滿足了用戶對于電能質量的要求［3］。

柔性直流輸電、柔性交流輸電作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的關鍵技術，近年來已成為研究熱點并得到國內外廣泛關注，新型變流技術與控制策略層出不窮，大量裝備已投入實際工程應用。科學技術的進步推動著新裝備不斷涌現(xiàn)，電力系統(tǒng)綜合實驗的教學內容和教學設備也要跟上現(xiàn)代電力行業(yè)高速發(fā)展的步伐，推陳出新提高實驗教學質量，將新思想、新知識傳授給學生，進一步培養(yǎng)學生成為具有創(chuàng)新能力的復合型人才［4-5］。

1 柔性直流輸電實驗

柔性直流輸電指的是基于電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）的高壓直流輸電（HVDC），這種技術既適用于小容量輸電，也適用于大容量輸電，還能實現(xiàn)不同頻率或電壓等級電網之間的互連，是輸配電技術領域的一項重大突破，會對未來電力系統(tǒng)的格局和形態(tài)產生重要影響［6］。

1.1 柔性直流輸電特點

與傳統(tǒng)直流輸電技術相比，柔性直流輸電技術主要優(yōu)點在于：①沒有無功補償問題；②無換相失敗問題；③可以向無源系統(tǒng)供電；④系統(tǒng)諧波含量低，電能質量高；⑤可同時獨立調節(jié)系統(tǒng)的有功和無功；⑥可靈活組成多端直流輸電系統(tǒng)；⑦占地面積小。

柔性直流輸電的主要應用場景有：①大容量長距離輸電；②電網異步互聯(lián)；③分布式電源接入主網；④向偏遠地區(qū)或海上孤島供電；⑤為對電能質量有特殊要求的負荷供電；⑥城市建筑直流供配電系統(tǒng)。

1.2 柔性直流輸電系統(tǒng)組成

在柔性直流輸電系統(tǒng)中，整流側將交流電轉換為直流電，逆變側將直流電轉換為交流電。柔性直流輸電系統(tǒng)主要由基于全控型電力電子器件的電壓源換流器、換流變壓器、橋臂電抗器、直流電容器（對于MMC柔性直流系統(tǒng)電容包含在換流閥模塊中）、開關設備、測量裝置、控制與保護系統(tǒng)等組成。根據不同的系統(tǒng)結構與工程需要，可能還會包括交/直流濾波器、啟動電阻、平波電抗器、直流線路等。

如圖1所示，與常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)類似，柔性直流輸電系統(tǒng)的主要設備均裝設在換流站內。換流站按運行狀態(tài)可以分為整流站和逆變站，兩站的主體結構基本相同。

1.3 三端柔性直流輸電系統(tǒng)實驗教學平臺

為了配合課堂理論教學，理論結合實際，讓學生全面了解柔性直流輸電技術，理解全控器件換流技術的原理、深入掌握柔性直流輸電系統(tǒng)構成與運行原理，在我校電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗室（簡稱動模實驗室）設計搭建了三端柔性直流輸電系統(tǒng)實驗教學平臺，實驗主接線圖如圖2所示。

基于該模型平臺可以開展一系列柔性直流輸電系統(tǒng)的實驗，包括穩(wěn)態(tài)實驗和暫態(tài)實驗，通過實驗可使學生直觀了解模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Coverter，MMC）系統(tǒng)的基本構成、運行原理與子模塊工作原理；控制系統(tǒng)的基本控制原理，包括換流站級基于d-q軸的解耦控制策略，載波移相正弦脈寬調制CPS-SPWM與最近電平逼近控制NLC兩種常用調制方法和子模塊電容電壓平衡控制策略；從系統(tǒng)層面上掌握柔性直流輸電系統(tǒng)各種工況的運行特性和分析研究方法，積累運行經驗，為柔性輸電技術掌握與應用打下基礎［7-8］。

（1）實驗模型設計與搭建。三端柔性直流輸電實驗教學平臺設計參數見表1，其中交流側電網采用無窮大電源進行模擬，A站交流側電網采用24號無窮大電源進行模擬，B站和C站通過換流變壓器（簡稱換流變）同時并聯(lián)到22號無窮大電源上，22號無窮大電源模擬電壓在一定范圍可調，提高模擬系統(tǒng)的靈活性。交流側電源額定電壓為380 V，額定電流10 A；三側換流站換流變交流側分別通過66QF（A站）、65QF（B站）、64QF（C站）3個斷路器與電網連接，每相均配置有電流互感器和電壓互感器，其中電流互感器TA變比為10 A/5 A；電壓互感器TV變比為230 V/28.9 V。

表1 系統(tǒng)主要參數

換流站直流側的測量采用霍爾傳感器，其中直流電流傳感器LA的變比為10 A/4.8 V，直流電壓傳感器LV的變比為1 000 V/5 V，響應頻率為0～20 kHz，線性度1%；直流側和交流側分別設置了故障點D21和D22，用于模擬直流和交流側系統(tǒng)故障，進行對系統(tǒng)暫態(tài)過程的模擬和分析。

實驗模型還配備了多通道故障錄波儀，主要用于測量3站交流側三相交流電壓和交流電流、直流側正負極之間的直流電壓、直流側正極電流和負極電流、正對地和負對地直流電壓等。

（2）上位機主界面。上位機主界面如圖3所示。上位機軟件主要功能有：①與下位機設備建立通信連接；②系統(tǒng)運行模式的選擇與控制，運行模式主要有3種：定直流電壓、定有功電流、定有功/定無功功率；③系統(tǒng)啟動和停止；④系統(tǒng)運行參數設定與調節(jié)，通過上位機界面可以對系統(tǒng)的有功、無功、直流電壓等參數進行設定調節(jié)；⑤系統(tǒng)運行模擬量、狀態(tài)量的的實時顯示。模擬量主要包括：換流變壓器一次側相電壓和線電流、換流變壓器二次側相電壓和線電流、橋臂電流、直流電壓、直流電流、有功功率、無功功率；狀態(tài)量主要包括：交流側開關狀態(tài)、直流側開關狀態(tài)、充電電阻開關狀態(tài)、解鎖閉鎖狀態(tài)以及系統(tǒng)啟動停止狀態(tài)等。

1.4 柔性直流輸電教學實驗內容

（1）柔性直流換流站啟動實驗。主要實驗項目：①柔性直流輸電系統(tǒng)換流閥充電實驗；②系統(tǒng)緊急停運實驗；③換流站空載升壓實驗；④柔性直流輸電系統(tǒng)性能實驗；⑤定交流電壓控制實驗；⑥子模塊冗余實驗；⑦控制保護系統(tǒng)冗余切換實驗。

（2）柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)實驗。主要實驗項目：①帶直流線路充電實驗；②帶直流線路空載升壓；③雙端或三端系統(tǒng)緊急停運實驗；④雙端或三端系統(tǒng)啟動實驗；⑤雙端或三端系統(tǒng)功率升降實驗。

（3）柔性直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)實驗。主要實驗項目：①雙端或三端系統(tǒng)階躍響應實驗；②雙端或三端系統(tǒng)功率反轉實驗；③雙端或三端系統(tǒng)直流線路故障實驗；④雙端或三端系統(tǒng)交流線路故障實驗；⑤系統(tǒng)低電壓穿越實驗。

2 柔性交流輸電實驗

柔性交流輸電技術（Flexible AC Transmission Systems，F(xiàn)ACTS），又稱為靈活交流輸電技術，是以大功率電力電子元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)元件（傳統(tǒng)電壓、阻抗、功角控制元件）的機械開關，從而靈活精準地實現(xiàn)系統(tǒng)參數的調控，F(xiàn)ACTS元件有著不改變系統(tǒng)網絡和大幅提高系統(tǒng)線路傳輸功率能力、控制能力以及動態(tài)性能的優(yōu)點［9］。

2.1 柔性交流輸電作用

伴隨著柔性交流輸電技術的快速發(fā)展，各類FACTS裝置先后被提出、研制并投入應用，包括靜止無功補償器（SVC）、靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、可控串聯(lián)補償器（TCSC）、靜止同步補償器（STATCOM）等。柔性交流輸電主要作用有：①可增加系統(tǒng)的輸電容量；②提升輸電網絡的運行工況，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性；③豐富系統(tǒng)的運行與控制手段；④拓展交流輸電的應用領域；⑤解決大電網互聯(lián)的問題［10］。

2.2 FACTS裝置特點

電力系統(tǒng)補償按照接入方式的不同主要分為3種：串聯(lián)補償、并聯(lián)補償及串并聯(lián)混合補償。并聯(lián)補償方式在系統(tǒng)運行中投退靈活、使用方便，是電力系統(tǒng)中應用最早也是最廣泛的一種補償方式。并聯(lián)型FACTS控制器是并聯(lián)補償中最常用的一種。

串聯(lián)補償就是在電力系統(tǒng)輸電網絡上串聯(lián)接入無功設備，從而改變網絡的靜態(tài)和動態(tài)特性，達到提升系統(tǒng)運行特性的目的。因為涉及補償，所以就產生了一個補償度（KC）的概念。所謂補償度KC，是電容器容抗XC和線路感抗XL的比值，即KC＝XC/XL。KC＜1，稱為欠補償；KC＝1，稱為完全補償；KC＞1，稱為過補償。

2.3 可控串聯(lián)補償（TCSC）裝置組成

晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC）又稱為可控串補，主要是由于TCSC采用了易于控制的電力電子器件，補償程度在一定范圍內可調可控。其基本接線圖如圖4所示。

可控串補與固定串補相比，兩者基本結構類似，都是由電容器組、避雷器、電抗器、阻尼電路、旁路開關等元件組成。區(qū)別是在可控串補結構中增加了一個并聯(lián)的支路，它是由旁路空心電抗器與兩個反向并聯(lián)的晶閘管（SCR）串聯(lián)構成的晶閘管控制電抗器（TR）。反向并聯(lián)晶閘管SCR可以控制空心電抗器的通斷時間，并通過對晶閘管的觸發(fā)角的調節(jié)來控制流經空心電抗器的電流，進而達到控制回路等效阻抗的目的，實現(xiàn)對線路補償度的平滑控制。在實際工程應用中，為了使TCSC裝置達到一定的容量，往往需要將多組TCSC單元進行串聯(lián)。由于晶閘管控制電抗器（TCR）并聯(lián)支路的調控速度很快，可控串補一般取消了固定串補中常見的間隙保護支路［11］。

可控串補相比常規(guī)固定式串補有如下幾個優(yōu)點：①可阻尼次同步振蕩；②可快速準確地調整控制線路潮流多；③可快速改變電抗，阻尼線路功率振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；④可減小MOV（Metal Oxide Varistors，壓敏電阻）容量。

2.4 可控串補系統(tǒng)實驗教學平臺

結合動模實驗室已有500 kV輸電線路模型，研制了一套可控串補動模裝置，該裝置是以廣西電網蘋果站工程為原型進行模擬設計制造的。可將TCSC用于電力系統(tǒng)潮流調節(jié)，阻尼電力系統(tǒng)功率振蕩，增強了電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，可控串補本體保護配置，可控串補與常規(guī)電力系統(tǒng)元件保護配合的實驗研究等［12］。

動模串聯(lián)補償實驗系統(tǒng)采用FSC＋TCSC的拓撲結構，其單相主電路接線如圖5所示。配備了模擬量采集系統(tǒng)，開關量采集系統(tǒng)，觸發(fā)控制系統(tǒng)及快速響應的保護系統(tǒng)；FSC及TCSC的電容兩端均裝設有瞬態(tài)二極管TVS以模擬實際工程中MOV對電容的保護作用。

可控串補系統(tǒng)動模試驗接線圖如圖6所示，該試驗模型包含TCSC裝置，實驗系統(tǒng)以按照單機經每回400 km雙回線向無窮大電源送電的模型設計，主要元件及參數如下：①雙回輸電線路，每回線路正序阻抗為22.82 Ω、阻抗角85.76°；②模型系統(tǒng)額定線電壓800 V；③模型線路額定電流雙回運行時為5.5 A、單回運行時為11 A；④串補裝置安裝在500 kV模擬輸電線路的送電側的一回線路上；⑤串補裝置包含F(xiàn)SC＋TCSC，其中FSC串聯(lián)補償度為35%，可控串聯(lián)補償度在5%～15%范圍內可調節(jié)。

（1）靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）試驗。靜態(tài)性能試驗主要驗證TCSC的技術性能指標是否滿足設計要求。主要性能指標包括額定工作電壓、額定容量、調節(jié)范圍、系統(tǒng)響應時間等。主要實驗項目：①裝置穩(wěn)態(tài)工作試驗測試；②阻抗開環(huán)控制試驗測試；③定線路電流試驗測試；④定輸電線路有功功率試驗測試。

（2）動態(tài)響應試驗。裝置動態(tài)響應測試實驗包括阻抗階躍實驗、有功功率階躍實驗、線路電流階躍實驗、有功功率階躍實驗，阻抗調制實驗。

（3）阻尼功率振蕩實驗。TCSC裝置設有阻尼功率振蕩的功能，用于在系統(tǒng)發(fā)生擾動后抑制可能出現(xiàn)的持續(xù)功率振蕩。為激發(fā)功率振蕩，實驗時將多段模擬輸電線串連構成了較長的輸電線路。設置的故障形式為發(fā)電機出口或變壓器高壓側三相瞬時性短路故障，短路持續(xù)時間0.1 s。

3 實驗教學效果

我校利用動模實驗設備開設現(xiàn)代電力系統(tǒng)綜合實驗課程已經3年，同學們對課程包含的柔性輸電實驗、新能源實驗等新技術新知識非常感興趣，普遍認為平時接觸更多的是書本上的理論知識，或者是通過仿真軟件去了解電力系統(tǒng)和電力裝置，很少能夠接觸到實物。而動模實驗可以更加直觀地去理解平時所學的理論知識，更加直觀地認識電力系統(tǒng)的物理過程，動態(tài)實驗波形印象深刻。下面是3個實驗示例：

（1）柔性直流輸電潮流反轉實驗。在二端柔性直流運行下，換流B站定直流電壓800 V啟動，換流A站定有功功率4 kW啟動，記錄波形；定有功換流站按照4 kW降至0 kW降至-4 kW再升至0 kW升至2 kW再降-2 kW進行功率調整，監(jiān)視和記錄兩站交直流電壓、電流波形，計算分析有功、無功波形。圖7所示為B站定電圧800 V，A站有功2～-2 kW潮流反轉時的部分波形，其中A站和B站有功功率為分析計算值［13］。

（2）柔性直流輸電交流側短路實驗。A、B、C站3端柔性直流系統(tǒng)某種工況下的交流側D22故障點（見圖2）單相接地、兩相故障、兩相接地故障、三相故障，記錄交直流電壓、電流故障波形。圖8是A站交流側三相短路時的部分波形。

（3）柔性直流輸電直流短路實驗。三端柔性直流系統(tǒng)某種工況下的直流側D21故障點（見圖2）正對地故障、負對地故障、正對負故障，記錄交直流電壓、電流故障波形。圖9所示是直流線路正極對負極通過過渡電阻短路時的部分波形。

從完整波形可以看出3站交、直流側電壓均有微小擾動，A、C站直流電流出現(xiàn)兩次沖擊效應，向下沖擊時交流側電流有效值抬升、向上沖擊時交流側電流有效值下降；B站直流電流向下階躍，一段時間后恢復，在該段時間內交流側電流有效值上升［14］。

4 結 語

通過將柔性輸電技術融入實驗實踐教學中去，拓寬實驗內容和加強課堂理論教學與實驗教學的結合，將進一步提高我校電氣工程專業(yè)的人才培養(yǎng)質量，加快學生與電力行業(yè)實際工程問題相銜接，使動模實驗室成為人才培養(yǎng)及科學研究的重要基地。在學科建設、科學研究、社會服務和人才培養(yǎng)等方面為電氣工程爭創(chuàng)“雙一流”學科提供重要支撐。

通過現(xiàn)代電力系統(tǒng)綜合實驗學習，幫助學生將課堂上所學的主要專業(yè)課程的理論知識與實踐相結合，使學生熟悉交直流混聯(lián)大電網保護控制、新能源與微電網、柔性交直流輸電等最先進的電力科技進展，進一步掌握電力系統(tǒng)各種設備運行特性和理論知識，為工程實際應用及后續(xù)理論研究奠定必要的基礎［15］。