基于功率传递的电网间同期并列理论与应用研究综述

刘家军，支建刚，宋潇

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

基于功率传递的电网间同期并列理论与应用研究综述

刘家军，支建刚，宋潇

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

介绍了电压源型换流器（VSC）通过功率传递实现电网间同期并列的方法和原理。阐述了并网装置在并网操作完成后通过相应断路器倒闸操作和控制策略转变拓展为FACTS装置的研究，对并网装置转换为UPFC、STATCOM及SSSC等实现对联络线潮流控制的方法，以及基于功率传递电网间同期并列方式转化为UPFC对覆冰线路融冰的应用方法进行了综述，对并网复合装置各元件参数的选取原则和计算方法做了总结。最后，对VSC-HVDC同期并网复合系统存在的问题以及研究新方向进行了展望。

功率传递；同期并列；复合系统；线路融冰；装机容量

电网互联带来诸多益处的同时也给电网的安全稳定运行带来挑战，特别是造成系统稳定性破坏连锁反应的大面积停电事故[1]，在事故情况下，电网之间同期并网操作的安全性与快速性，决定了系统供电能否快速恢复[2]。有时为了尽快恢复系统的联接，强行在不完全满足同期条件的情况下进行并列，对系统的冲击很大。这一现状造成变电站中同期并列操作的自动化程度大大落后于电力系统的自动化水平，不满足当代智能电网的技术要求[3]。

电压源换流器型直流输电（VSC-HVDC）技术在国内外无论是理论仿真还是工程应用已经相当成熟，到目前为止，已经有多座轻型直流输电项目建成[4]。在联网方面，国内外VSC-HVDC主要应用于不同额定频率的电力系统的互联，如我国的灵宝背靠背工程，实现西北电网与华中电网的互联。但是，大多数研究集中于VSC-HVDC在直流输电中的应用研究以及VSC-HVDC拓扑结构、建模仿真、控制和保护策略等[5-6]，对于VSC-HVDC在电网间同期并列中的应用研究相对很少。文献[7]提出将背靠背结构的VSC-HVDC应用于电网间的同期并列，可通过功率传递快速调整两侧系统电压差、频率差与相角差，完成同期并列操作。文献[8]提出将VSC-HVDC同期并网系统与SSSC技术相结合形成具有一种电网间同期并列与联络线潮流控制相结合的复合系统。本文主要对VSC-HVDC在电网同期并列方面的应用以及并网装置的功能拓展研究进行综述与展望。

1 基于功率传递的电网间同期并列方法

根据VSC可以同时独立控制有功与无功这一原理[9]，可通过背靠背VSC在两侧系统之间进行功率的定向定量传递，从而达到电网同期并列的条件。文献[10]介绍了VSC-HVDC同期并网的原理和方法。其接线方式如图1所示。

图1 VSC-HVDC装置同期并网电路结构图Fig.1 Structure diagram of the synchronization circuit of the VSC-HVDC device

通过背靠背VSC从高频侧向低频侧传递有功调整频率差，同时，从电压高的一侧的向电压低的一侧传递无功来调整电压差。从相角超前的一侧向相角滞后的一侧传递有功来缩小相角差。文献[11]提出了一种试探性的策略来确定功率传递值的大小，其核心思路是：先按照确定的功率传递方向传递一个较小的功率值，再计算功率传递前后频率差、电压差与相角差的变化量与所传递功率值的相对变化率，最后计算出总共传递的功率值。设需传递的有功功率值和无功功率值分别为Pref和Qref，则其计算公式分别为

式中：P1为传递的一个较小有功值；Δf0为传递P1前的频率差；Δf1为传递P1后频率差；Δfset为满足同期并列条件的频率差整定值；Q1为传递的一个较小无功值；ΔU0为传递Q1前两待并系统间的电压差；ΔU1为传递Q1后两待并系统间的电压差；ΔUset为满足同期并列条件的电压差整定值；kpf与kqu为修正系数。

将背靠背VSC-HVDC用于交流同步联网，待并两系统间通过快速传递有功功率和无功功率调整频差、电压差及相角差达到并网条件，从而实现电网间的差频并列和同频环网并列操作。变电站运用基于VSC-HVDC的同期并网装置，在当电网发生失步振荡解列后，在恢复供电的过程中，与电网调度、调频电厂配合，在待并系统间通过功率传递可缩短并网时间，加快电网恢复供电的速度，并向低周电网提供紧急功率支援。此并网技术为电网同期并列提供了一种新方法及原理，为智能电网实现自愈和并网自动化提供了依据和技术。

2 并网联络线功率波动特性研究

当并网装置控制背靠背VSC按计算所得的指令功率在待并电网之间进行传递时，在基本满足并网条件下，合闸瞬间的功率波动可看作是由于交流系统功率不足产生的。联络线的功率在合闸瞬间波动较大，可能会导致保护误动作，影响两端交流电网的安全稳定运行。为了保证并列两端电网能安全可靠运行，必须分析并网装置传递功率与并网合闸两种状态下，联络线上的功率波动状况。

文献[12]提出了2大区互联交流系统由于功率缺额引起的联络线功率振荡的线性化模型，基于二阶线性系统时域分析理论和电力系统冲击功率的功率分配理论，提出了联络线功率波动的分析方法。文献[13-14]阐明了系统功率缺额后联络线功率的波动机制。文献[15-16]研究VSC-HVDC并网装置在并网过程中，因传递功率在联络线上引起功率波动的机理与波动峰值的计算方法。从理论上分析了并网装置在并网过程中的传递功率情况，及产生联络线功率波动的机理，提出了并网联络线功率波动峰值的计算方法。

设并网联络线功率初始值为Ptie（0），tp为达到头摆峰值的时间，系统1和系统2的总惯性常数比为HΣ1/ HΣ2，则功率扰动后联络线功率波动峰值Ptie（tp）的计算公式为

式中：ΔP为系统功率扰动值，当系统功率缺额时，ΔP取正，反之ΔP取负；ζ为阻尼比。若子系统2发生扰动，则式（3）的分子变为HΣ1。

并网联络线功率波动的动态特性直接关系到并网操作的安全性和可靠性，研究并网过程中联络线波动情况很有必要。同时研究也为并网系统配置合理的保护方案以及分析联络线上的功率波动对保护性能的影响奠定了理论基础。同时，对联络线潮流的控制必须考虑并网过程中联络线功率的波动情况。

3 并网装置转换为FACTS装置

随着电网互联的快速发展，以及电力电子技术的不断深入研究，并网技术和FACTS技术也得到了发展和应用，将并网装置与FACTS装置相结合，可实现并网及并网后对联络线潮流的综合控制，提高线路传输能力[17]。同时可发挥装置除并网功能以外的综合效益，使装置完成并网功能退出运行后，设备不被闲置，从而使并网装置使用价值得以充分发挥，实现其综合效益的最大化目标。下面就几种转换模式进行介绍。

3.1 基于功率传递并网装置拓展为STATCOM

静止同步补偿器（STATCOM）作为基于电压源型换流器的并联补偿装置，是第二代FACTS的代表，已经在电力系统中得到了广泛应用。为了提高背靠VSC-HVDC并网装置的利用率，文献[18]提出了一种基于功率传递并网装置与STATCOM相结合的控制策略，可实现并网操作以及并网完成后作为无功补偿装置，不会造成造成并网装置的资源浪费，具有一定的应用价值。转换电路如图2所示。

图2 并网装置转换为STATCOM的等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of the grid connected device converted to STATCOM

并网成功后，联络线断路器QF闭合，其它断路器都为断开状态。通过控制相应的断路器可实现3种不同结构的STATCOM电路。第一种STATCOM电路：将GK2断开，背靠背电压源换流器被分为2部分，将GK1、QF1合闸，形成一个以VSC1为主电路STATCOM电路。第二种STATCOM电路：断开GK2，合闸GK3，再合上QF3、OF1，形成一个以VSC2为主电路的STATCOM电路。第三种STATCOM电路：断开GK2，将GK1、GK3闭合，再合上QF3、QF1，形成一个分别以VSC1和VSC2为主电路，容量为并网装置容量一半的2个STATCOM电路并联，并接在电网母线M上。通过相应的断路器操作只是实现电路的转换，还必须改变相应的控制策略才能够实现STATCOM的功能[19]。

3.2 基于功率传递并网装置转化为SSSC的研究

静止同步串联补偿器（SSSC）作为FACTS技术中发展的一种可控串联补偿技术。可以对线路潮流进行控制，进行线路阻抗补偿，抑制次同步谐振等。文献[20]研究发现基于功率传递的并网装置在并网完成后可以转化为SSSC，不仅可以提高装置的利用率，使并网系统功能得到扩展，更能够通过对SSSC的控制，转换电路如图3所示。

图3 并网系统转化为SSSC的结构框图Fig.3 Structure diagram of the grid connected system converted into SSSC

并网完成后，背靠背电压源换流器退出运行，联络线上断路器QF、QF8处于合闸状态，可控制相应的断路器使其转化为SSSC电路。具体实现方法为：将QF8分闸，然后将QF5、QF6、QF7合闸，此时只有断路器QF、QF5、QF6、QF7处于合闸状态，从而使串联变压器、换流器VSC2、直流电容接入电网，从而构成SSSC电路，可通过改变电压源换流器的控制策略来实现SSSC的功能。

3.3 基于功率传递并网装置转为UPFC的研究

统一潮流控制器（UPFC）作为FACTS中最具代表性和功能多样化的装置，既有STATCOM的优点，亦包含SSSC的功能，被认为是目前最具应用价值的一种柔性控制装置。运用UPFC可以对电网联络线上的潮流进行控制、改善电网性能，提高联络线输电能力，缓解输电阻塞。根据UPFC系统电路结构与VSC-HVDC同期并网装置电路结构的差异，可在并网装置基础上增加一台三相变压器与若干隔离开关或断路器，并网操作退出后，可转化为UPFC电路[21]。其转换电路基本结构如图4所示。

图4 并网装置向UPFC装置的转换结构图Fig.4 Structure diagram of the grid connected device converted into UPFC

并网成功后，联络线断路器QF、4QF闭合，当并网装置转化为UPFC装置时，将3QF、5QF、6QF合闸，使得用于并网的一侧电压源型换流器与线路上串联的变压器3BT相连，再使1QF闭合，4QF断开即可构成UPFC电路，运用相应的控制策略即可实现UPFC的功能。

3.4 关于VSC-HVDC同期并网复合系统的研究

文献[22]提出将背靠背VSC-HVDC同期并网装置拓展为一复合系统，实现了并网及并网后对联络线潮流的综合控制，将同期并网、SSSC、STATCOM、及UPFC装置有机的结合在一起，定义了并网复合系统支路变量以及具有功能选择的开关矩阵，根据不同功能下的开关矩阵的特征，可形成复合装置工作模式选择的判据，根据判据选择装置相应的控制策略实现其对应的功能。复合系统转换电路如图5所示，可通过相应断路器的倒闸操作以及相应的控制策略的切换实现对应的功能。

图5 VSC-HVDC并网复合系统转换电路Fig.5 The circuit of the VSC-HVDC device for compound functions

4 并网装置自动融冰模式的实现

我国是世界上覆冰最严重的国家之一，由输电线路覆冰引发的事故对电网的安全稳定运行造成了严重影响[23]。文献[24]介绍了国内外输电线路覆冰的研究现状，比较了的几种融冰方法，常用的融冰法有3种：过负载融冰、交流短路融冰、直流融冰方法。直流融冰和交流短路融冰都需要线路与主网断开，影响了电网的正常运行，而过负载融冰虽然不需要断开线路，但对于线路负荷的合理调度，操作复杂。文献[25]在基于功率传递并网装置转化为UPFC对联络线潮流控制的基础上，提出了将其运用到覆冰线路融冰的思想，即实现一种具有电网并列、联络线潮流控制、线路融冰功能的复合系统。可控制并网装置转化为UPFC装置，然后运用UPFC控制线路上传输功率，增大覆冰线路电流而融冰。文献[26-27]详细介绍了基于功率传递并网装置转化为UPFC进行线路融冰的原理和方法。输电系统接入UPFC装置等效图如图6所示，设2侧系统电压分别为和，线路阻抗为X，用相量表示UPFC注入系统的电压，它可以在以为端点的圆盘内任意运行。设

图6 接入UPFC的电力系统等效电路及其相量图Fig.6 Equivalent circuit and phasor diagram of power system connected to UPFC

可以得到UPFC传输的功率为[27]

在图7中系统S1与系统S2是待并的2个电网，线路AB段代表并网联络线，需要进行融冰。通过控制UPFC串联侧注入联络线上的可调电压，使AB段线路传输功率增加，达到融冰所需电流值，开始融冰。待线路覆冰融化，调节UPFC恢复到融冰前的运行方式。文献[29]给出了融冰电流大小的确定方法和融冰时间的计算公式。

图7 装置转为UPFC装置时进行线路融冰的结构图Fig.7 Diagram of ice melting on the transmission line by UPFC

该方法弥补了一般的过负荷融冰对线路负荷调度分配不是很准确的缺点，以及短路融冰需要将线路与主网断开的缺点，可实现不断电融冰，不对负荷运行造成影响。为电力系统的可靠运行提供有力保障，而且提高了并网装置的利用率[30]，可带来一定的经济效益。并网装置转变为UPFC实现线路融冰功能，拓展了并网装置功能及应用范围，提高了设备的利用率和综合经济效益。这一研究成果对我国冬季出现的输电线路覆冰的情况严重影响的消除具有重要意义。

5 并网复合装置容量计算

VSC-HVDC并网复合装置在并网与FACTS装置不同功能下的容量及参数要求都不相同，研究并网装置容量的系统设计、计算方法以及与待并电网容量的关系，以及各元件的选取原则，可以为实际工程应用及经济分析提供依据。

并网装置与待并系统通过换流电抗器实现功率交换，电抗器电感值大小将直接影响并网复合装置功率传输能力的大小以及电流环控制的动、静态响应。要想有很好的电流跟随能力，电感取值应较小。若要使谐波电流含量很小，则电感取值就应较大。电感的设计应同时满足控制电流跟随能力、抑制电流谐波含量、实现VSC四象限运行的要求。VSC直流侧电容参数设计应考虑满足动态响应及满足PWM电路设计要求。文献[31]详细介绍了并网复合装置各元件参数的选取原则及计算公式。依据并网复合装置完成并网后将转换为UPFC、STATCOM、SSSC等，考虑到这些功能下电路参数的设计选择对主电路参数的要求及限制，应优化选取。结合装置在各种不同功能下的容量及参数都不相同，可计算出其元件参数的取值范围，最后即可得到满足复合系统功能的合适容量大小和参数取值。

6 并网复合系统研究新方向的展望

关于VSC-HVDC应用于电网同期并列的研究，取得了一定的成果，但是尚有一些问题及研究新方向需要进一步展望。总结起来有以下几点：

1）控制参数与所传递的功率有关，有必要对并网控制策略中控制参数的自适应性做深入的研究。

2）并网保护策略的自适应性。由于本并网装置具有多种运行方式，除可运行于并网方式下，还可运行在无功补偿、线路融冰和UPFC等其他模式下。如何根据并网系统的运行模式，自动调整各区保护整定值，有待进一步研究。

3）工程实用化应用研究。关于电网并列及联络线潮流的综合控制不仅是一个学术问题，更是一个工程问题。在现有VSC-HVDC技术条件的情况下，进行实用化工程研究，用于智能电网，实现并网自动化。

4）将并网、UPFC功能与解列控制结合，优化控制参数，实现电网解列、并列与联络线潮流三合一控制是进一步研究的方向。在基于VSC-HVDC实现电网间同期并列的研究基础上，结合失步解列判据及联络线潮流控制原理，研究电网运行解列、并网与联络线潮流控制于一体的相互作用机理及控制策略，形成电网运行中三合一的控制策略，达到其三种运行状态之间有机平滑过渡，减少电网冲击及事故损失，增强系统稳定性和自动恢复能力，实现电网自愈。

7 结语

本文主要对基于功率传递实现电网间同期并列的方法原理及其并网装置功能的拓展进行了总结。可以得出，基于VSC-HVDC的并网复合系统是一种同期并网的新模式。通过分析并网过程中联络线功率的波动情况，可为并网安全可靠操作提供依据。对并网装置功能拓展进行了阐述，即在完成并网操作后，转换为FACTS装置对联络线潮流进行控制和线路融冰方面的应用方法。还介绍了并网装置容量设计及参数选择计算问题。最后，对并网技术存在的问题及研究新方向进行了展望。

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（编辑 李沈）

Review of Theory and Application Research on Power Grids Synchronous Parallel Based on Power Transmission

LIU Jiajun，ZHI Jiangang，SONG Xiao
（Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

In this paper，the methods and principles to realize the synchronization paralleling of grids through power transfer by the voltage source converter（VSC）are introduced.The study on how the grid-connected device is transformed and expanded into the FACTS device through switching operation and control strategy of the corresponding circuit breaker after completion of the grid-connected operation is expounded.The methods of converting the grid-connected devices into UPFC，STATCOM and SSSC are discussed and the application of UPFC on the ice-melting line is also discussed.And the selection principle and parameter calculation methods of each component of the composite device are summarized.Finally，the existing problems and new research direction of the VSCHVDC parallel grid connected composite system are prospected.

power transfer；system paralleling；composite system；line melting ice

2016-03-10。

刘家军（1967—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统运行与控制、电力系统监控与调度自动化；

支建刚（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统控制与保护；

宋 潇（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向为柔性交流输电。

国家自然科学基金项目（51077109）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51077109）.

1674-3814（2016）12-0021-07

TM711

A