張文濤，房鑫炎

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

多端直流異步聯(lián)網(wǎng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)災(zāi)變恢復(fù)的支撐

張文濤，房鑫炎

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

建立了雙端柔性直流輸電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)模型，提出了交流主網(wǎng)發(fā)生災(zāi)變事故后，多端直流電網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行負(fù)荷恢復(fù)功率支撐的策略。支撐功率受到了非故障區(qū)域電網(wǎng)輸送容量，故障電網(wǎng)的可受電能力，直流線路過(guò)負(fù)荷能力，換流站的輸送容量等限制條件的影響。在這些約束條件下，提出了直流功率支援的最大可輸送容量，以保證主網(wǎng)重要負(fù)荷盡快恢復(fù)供電，加速故障電網(wǎng)的災(zāi)變恢復(fù)過(guò)程。通過(guò)仿真驗(yàn)證了提出的多端直流異步聯(lián)網(wǎng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)災(zāi)變恢復(fù)的支撐策略的可行性。

多端柔性直流；換流站；災(zāi)變恢復(fù)；恢復(fù)電源；功率輸送方案

0 引 言

目前，我國(guó)南方電網(wǎng)和華東電網(wǎng)都已經(jīng)形成了交直流混聯(lián)的大規(guī)模電力系統(tǒng)，隨著能源緊缺、環(huán)境問(wèn)題、大容量的遠(yuǎn)距離電能傳輸和可再生資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，直流輸電的應(yīng)用將會(huì)更為廣泛?；陔妷涸磽Q流器(Voltage Source Converter, 簡(jiǎn)稱VSC)的柔性直流輸電技術(shù)憑借其能向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、在電壓極性不變的情況下實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)，成為了今后電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的主流趨勢(shì)。而由三個(gè)及以上電壓源換流站構(gòu)成的多端柔性直流輸電系統(tǒng)(Voltage Sourced Converter Based Multi-terminal High Voltage Direct Current，簡(jiǎn)稱VSC-MTDC)可以協(xié)調(diào)控制各換流站之間的功率，有著更高的靈活性和可靠性。

目前對(duì)于VSC-MTDC的研究很大一部分集中對(duì)在其控制策略的改善。文獻(xiàn)[1]從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、數(shù)學(xué)模型、運(yùn)行特性等方面分析了VSC-MTDC的研究現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[2]分析了采用電壓下垂控制的VSC-MTDC系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[3]改進(jìn)了電壓下垂控制，使得下垂斜率能自適應(yīng)變化，并達(dá)到功率協(xié)調(diào)。文獻(xiàn)[4]根據(jù)直流電壓偏差法和直流電壓斜率法的缺點(diǎn)提出了一種新的混合控制策略，實(shí)現(xiàn)了有功潮流的精確控制。而對(duì)于災(zāi)變恢復(fù)的研究主要是在于黑啟動(dòng)的啟動(dòng)方案上，文獻(xiàn)[5]提出了多端直流輸電系統(tǒng)在換流站黑啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)策略。文獻(xiàn)[6]提出了交直流混聯(lián)系統(tǒng)的黑啟動(dòng)策略。但少有文獻(xiàn)提及多端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)災(zāi)變恢復(fù)是否能起到支撐作用。當(dāng)某一端的區(qū)域同步電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障，失步解列，甚至是大面積停電后，其他端的區(qū)域電網(wǎng)能否及時(shí)地為其輸送出足夠的有功功率，保障系統(tǒng)盡快恢復(fù)。因此，本文提出了多端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)交流主網(wǎng)發(fā)生大面積停電后，多端直流的區(qū)域電網(wǎng)對(duì)主網(wǎng)災(zāi)變恢復(fù)的支撐策略，并在PSCAD/EMTDC上建立了三端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 多端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1 多端柔性直流系統(tǒng)模型

本文建立了如圖1所示的并聯(lián)型的三端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 VSC-MTDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在該模型中，換流器采用了PWM控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)PWM的調(diào)制波相角δ的控制就可以改變直流電流的方向，從而實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)以及控制輸送的有功功率的大小。區(qū)域3為主網(wǎng)，與區(qū)域1和區(qū)域2通過(guò)直流異步聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成了一個(gè)三端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。各區(qū)域之間電力均可雙向傳輸。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由主網(wǎng)向區(qū)域1和區(qū)域2送電。

1.2 多端柔性直流系統(tǒng)控制策略

換流站的有功功率控制主要分為以下三種：定直流電壓控制，直流電壓下垂控制以及定有功功率控制，如圖2所示。在本文建立的模型中，由于VSC3連接主網(wǎng)，其容量較大，所以選取VSC3作為主站，采用定直流電壓控制，當(dāng)其過(guò)載時(shí)，切換至定有功功率控制。VSC2采用定有功功率控制。VSC1采用直流電壓下垂控制，其下垂系數(shù)為直流電壓最大偏差與有功功率之間最大偏差的比值，即

(1)

其中ΔUdcmax為直流輸電線路所允許的最大電壓偏差，ΔPmax為VSC1換流站能承受的最大功率偏差。

圖2 換流器有功功率控制方式

此外，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，VSC-MTDC中各換流站間需保持輸送功率與損耗功率的平衡，即

∑Pi+Plosses=0

(2)

其中Pi為各換流站輸送的有功功率，定義流入直流側(cè)的有功功率為正，流入交流側(cè)的有功功率為負(fù)，Plosses是VSC-MTDC系統(tǒng)中所有換流站的功率損耗以及直流輸電線路的功率損耗之和。

當(dāng)換流站j發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，由其他換流站承擔(dān)損失的有功功率輸送，即:

(3)

2 區(qū)域電網(wǎng)災(zāi)變恢復(fù)支撐目標(biāo)及影響因素

2.1 區(qū)域電網(wǎng)災(zāi)變恢復(fù)支撐目標(biāo)

當(dāng)主網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生失步解列，甚至是大面積停電后，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)的潮流、頻率、交流母線電壓等都會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，并會(huì)導(dǎo)致大量負(fù)荷失電。對(duì)于傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)而言，往往采用系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)，逐步實(shí)現(xiàn)重要負(fù)荷及網(wǎng)架的恢復(fù)。但這種方式耗時(shí)較長(zhǎng)，往往要好幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。而采用多端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，可以通過(guò)非故障的區(qū)域電網(wǎng)作為主網(wǎng)電網(wǎng)的支撐電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)主網(wǎng)的功率支援，幫助主網(wǎng)快速恢復(fù)供電，多端直流孤網(wǎng)就成為廣域意義上的大區(qū)域系統(tǒng)恢復(fù)電源。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由主網(wǎng)向區(qū)域電網(wǎng)供電，但當(dāng)主網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電時(shí)時(shí)，在VSC-MTDC系統(tǒng)中，可以調(diào)出非故障區(qū)域電網(wǎng)的備用容量，甚至切除一部分該區(qū)域電網(wǎng)的非重要的就地負(fù)荷，進(jìn)行潮流反轉(zhuǎn)，改為由區(qū)域電網(wǎng)向主網(wǎng)供電，幫助啟動(dòng)主網(wǎng)的機(jī)組以及主網(wǎng)架的恢復(fù)，優(yōu)先保障主網(wǎng)的重要負(fù)荷恢復(fù)供電。為了實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域電網(wǎng)對(duì)故障主網(wǎng)的功率支撐，其關(guān)鍵在于確定區(qū)域電網(wǎng)的功率輸送方案及其影響因素。

2.2 目標(biāo)網(wǎng)架恢復(fù)

當(dāng)非故障區(qū)域電網(wǎng)提供直流功率支援后，多端直流孤網(wǎng)作為系統(tǒng)的恢復(fù)電源，通過(guò)多端直流線路迅速充電主干網(wǎng)架，從而進(jìn)行目標(biāo)網(wǎng)架恢復(fù)。

可選擇采用多區(qū)域同期并行恢復(fù)網(wǎng)架的方式，即將故障主網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)，各個(gè)子系統(tǒng)并行恢復(fù)網(wǎng)架，等到條件成熟后，在各個(gè)子系統(tǒng)的同期點(diǎn)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)并列，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)故障主網(wǎng)的網(wǎng)架恢復(fù)[7]。這種網(wǎng)架恢復(fù)方式可以大量節(jié)省網(wǎng)架恢復(fù)時(shí)間，提高系統(tǒng)恢復(fù)速度及可靠性。

2.3 功率支撐的影響因素及約束條件

1)非故障區(qū)域電網(wǎng)輸送容量的限制：

Pipat≤Pispare+Pi_load-Pi_re

(4)

其中Pipat為區(qū)域電網(wǎng)i在主網(wǎng)發(fā)生大面積停電后能向主網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β?，Pispare為區(qū)域電網(wǎng)i的可用備用容量，Pi_load為區(qū)域電網(wǎng)i在緊急情況下可切除的二級(jí)或者三級(jí)負(fù)荷，Pi_re是正常運(yùn)行情況下區(qū)域電網(wǎng)i接受的有功功率。

2)故障區(qū)域電網(wǎng)的可受電能力

在多端直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，直流功率對(duì)于送端相當(dāng)于一個(gè)固定的負(fù)荷，對(duì)于受端則相當(dāng)于一個(gè)出力固定的機(jī)組，所以直流功率支援會(huì)造成送端和受端交流系統(tǒng)的頻率變化。如果故障區(qū)域電網(wǎng)接受過(guò)大的有功功率，將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率波動(dòng)過(guò)大。所以引入了有效慣性時(shí)間常數(shù)Hdc，來(lái)保證交流系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

(5)

其中Mac為系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Pdc為直流輸送功率。

如果有效慣性時(shí)間常數(shù)過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)頻率變化增大。

(6)

其中PG為發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘?，Δf為頻率變化量，fN為50 Hz，K一般取3.0。

由此可知隨著直流輸送功率Pdc的增大，即有效慣性時(shí)間常數(shù)Hdc過(guò)小，Δf也會(huì)隨之增大。

電力系統(tǒng)正常狀況下，電網(wǎng)裝機(jī)容量在300萬(wàn)千瓦及以上的，電網(wǎng)的頻率波動(dòng)不超過(guò)±0.2 Hz，電網(wǎng)裝機(jī)容量在300萬(wàn)千瓦以下的，電網(wǎng)頻率波動(dòng)不超過(guò)±0.5 Hz。但當(dāng)電網(wǎng)處于災(zāi)變恢復(fù)模式下，系統(tǒng)頻率波動(dòng)允許增大調(diào)節(jié)范圍，不超過(guò)1 Hz[8]。

3)直流線路過(guò)負(fù)荷能力：

直流線路過(guò)負(fù)荷可分為三種：暫態(tài)過(guò)負(fù)荷、短時(shí)過(guò)負(fù)荷以及持續(xù)過(guò)負(fù)荷。在本文所研究的多端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)災(zāi)變恢復(fù)的支撐中，主要考慮的是短時(shí)過(guò)負(fù)荷這個(gè)指標(biāo)。短時(shí)過(guò)負(fù)荷指的是在一定時(shí)間內(nèi)，輸電線路的直流電流高于其額定值的能力。一般而言，短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力不超過(guò)額定電流的1.1倍。

PL≤PLmax

(7)

其中PL為流經(jīng)該直流線路的直流功率，PLmax為該直流線路的最大可承受功率。

4)換流器容量的限制

電壓源換流器的控制容量是有限的。所以進(jìn)行功率支撐時(shí)，輸出功率和輸入功率不能超過(guò)換流器的容量。

3 多端直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)區(qū)域電網(wǎng)災(zāi)變恢復(fù)策略

在多端直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，能否實(shí)現(xiàn)多端直流孤網(wǎng)形成的區(qū)域電網(wǎng)對(duì)交流災(zāi)變電網(wǎng)的功率恢復(fù)支撐，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。一是非故障區(qū)域電網(wǎng)能否輸出足夠的直流功率。二是直流功率能否傳輸至故障主網(wǎng)中，而不會(huì)導(dǎo)致主網(wǎng)進(jìn)一步崩潰。只有滿足這兩個(gè)條件后，才能進(jìn)行非故障區(qū)域電網(wǎng)對(duì)故障主網(wǎng)的功率支撐。

非故障區(qū)域電網(wǎng)可輸出的總直流功率為:

(8)

其中n為非故障區(qū)域電網(wǎng)的個(gè)數(shù)，Pi_vsc為換流站i的可輸出功率。

故障主網(wǎng)可接受的直流功率由有效慣性時(shí)間常數(shù)Hdc決定。其傳輸功率Pdc應(yīng)滿足:

(9)

其中Pvsc為故障主網(wǎng)的連接的換流站的最大可輸入功率。

所以直流功率支援的最大功率Pmax為:

Pmax=min{Pout,Pdc}

(10)

具體的非故障區(qū)域電網(wǎng)對(duì)故障主網(wǎng)的功率支撐策略如圖3所示。

圖3 非故障區(qū)域電網(wǎng)對(duì)故障主網(wǎng)的功率支撐策略

4 算例仿真

為了驗(yàn)證本文提出的多端直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多端直流區(qū)域電網(wǎng)對(duì)交流主網(wǎng)的功率支撐策略，在PSCAD/EMTDC中搭建了如圖1所示的多端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。VSC3連接主網(wǎng)，為主換流站，控制方式為定直流電壓，VSC1使用直流電壓下垂控制，VSC2則工作在定有功功率模式下,對(duì)仿真結(jié)果采用了標(biāo)幺化處理。具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖4 主站在主網(wǎng)大面積停電退出運(yùn)行潮流重新分配時(shí)仿真波形

在正常運(yùn)行情況下，由主網(wǎng)分別向區(qū)域1和區(qū)域2供電，主網(wǎng)輸出有功功率為3 pu，區(qū)域1和區(qū)域2分別接收1.5 pu。如圖4所示，在1 s時(shí)，主網(wǎng)發(fā)生大面積停電，為了不影響其他端的穩(wěn)定性，主站VSC3退出運(yùn)行，VSC3的有功降為0。由于系統(tǒng)發(fā)出的有功減少，直流電壓降低，其損失的有功由處于電壓下垂控制模式下的VSC1承擔(dān)，VSC1由-1.5 pu變?yōu)榱?.5 pu，運(yùn)行于整流模式，即區(qū)域1調(diào)用了2 pu的可用備用容量，并切除了1 pu的非重要負(fù)荷。在1.2 s時(shí)，為了恢復(fù)區(qū)域1切除掉的負(fù)荷，區(qū)域2需調(diào)用1 pu的可用備用容量，即將VSC2的功率從-1.5 pu設(shè)定為-0.5 pu，并達(dá)到了潮流平衡。

(a) 各換流站功率變化

(b) 直流電壓變化

在主換流站退出運(yùn)行潮流重新分配達(dá)到平衡后，重新啟動(dòng)主換流站，使其運(yùn)行于逆變狀態(tài)。在本算例中，非故障區(qū)域電網(wǎng)最大可輸出功率由式(8)計(jì)算得，區(qū)域1的最大可輸出功率為2 pu，區(qū)域2的最大可輸出功率為1.5 pu，為了保證頻率變化不超過(guò)1 Hz，故障主網(wǎng)最大可輸入功率由式(9)計(jì)算得為1.5 pu，由式(10)可得該多端直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功率支撐的最大可輸送功率為1.5 pu。

如圖5所示，在主網(wǎng)重新投入使用1 s后，切除區(qū)域2的1.5 pu的負(fù)荷，VSC2的功率從-0.5 pu躍變?yōu)榱? pu，從逆變模式轉(zhuǎn)為整流模式，向主網(wǎng)供電，VSC3的有功功率從0變?yōu)榱?.5 pu，直流電壓升高后又恢復(fù)，波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了多端直流區(qū)域電網(wǎng)作為系統(tǒng)的恢復(fù)電源對(duì)故障交流主網(wǎng)的功率支撐。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了VSC-MTDC輸電系統(tǒng)的模型，并且從直流功率能否從多端直流區(qū)域電網(wǎng)送出以及能否被故障端主網(wǎng)接受兩個(gè)角度考慮，提出了多端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生大面積停電后，其他端區(qū)域電網(wǎng)作為恢復(fù)電源對(duì)其進(jìn)行功率支撐的策略。并且以本文提出的三端柔性直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了所提出策略的可行性。

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The Support for Regional Grid Catastrophe Recovery from Multi-terminal DC Asynchronous Interconnection

Zhang Wentao, Fang Xinyan

(College of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

A system model is established for asynchronous interconnection between the two-terminal VSC DC system and the AC grid. This article presents a strategy for the support of load recovery power by the multiple-terminal DC grid after a catastrophe occurs in the main grid. The support power is constrained by grid transmission capacity of non-faulty regions, power receiving capacity of the faulty grid, overload capacity of the DC line and transmission capacity of the converter station. Under these constraints, this article presents the maximum transmission capacity of DC power support, so as to ensure power restoration of main loads of the main grid as soon as possible and accelerate the process of catastrophe recovery of the faulty grid. Finally, simulation results verify the feasibility of the proposed strategy of support for catastrophe recovery of regional grid from VSC-MTDC.

VSC-MTDC； convertor station；catastrophe recovery； restore power； power delivery scheme

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.020

TM712

A

1000-3886(2017)01-0066-04

張文濤(1992-)，男，上海人，碩士生，研究方向?yàn)槎喽酥绷鳟惒铰?lián)網(wǎng)區(qū)域電網(wǎng)的災(zāi)變恢復(fù)。 房鑫炎(1963-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與系統(tǒng)安全。

定稿日期: 2016-09-10