多端直流异步联网对区域电网灾变恢复的支撑

张文涛，房鑫炎

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

多端直流异步联网对区域电网灾变恢复的支撑

张文涛，房鑫炎

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

建立了双端柔性直流输电系统与交流电网异步联网的系统模型，提出了交流主网发生灾变事故后，多端直流电网对其进行负荷恢复功率支撑的策略。支撑功率受到了非故障区域电网输送容量，故障电网的可受电能力，直流线路过负荷能力，换流站的输送容量等限制条件的影响。在这些约束条件下，提出了直流功率支援的最大可输送容量，以保证主网重要负荷尽快恢复供电，加速故障电网的灾变恢复过程。通过仿真验证了提出的多端直流异步联网对区域电网灾变恢复的支撑策略的可行性。

多端柔性直流；换流站；灾变恢复；恢复电源；功率输送方案

0 引 言

目前，我国南方电网和华东电网都已经形成了交直流混联的大规模电力系统，随着能源紧缺、环境问题、大容量的远距离电能传输和可再生资源的持续开发，直流输电的应用将会更为广泛。基于电压源换流器(Voltage Source Converter, 简称VSC)的柔性直流输电技术凭借其能向无源网络供电、在电压极性不变的情况下实现潮流反转等优势，成为了今后电网联网的主流趋势。而由三个及以上电压源换流站构成的多端柔性直流输电系统(Voltage Sourced Converter Based Multi-terminal High Voltage Direct Current，简称VSC-MTDC)可以协调控制各换流站之间的功率，有着更高的灵活性和可靠性。

目前对于VSC-MTDC的研究很大一部分集中对在其控制策略的改善。文献[1]从拓扑结构、控制策略、数学模型、运行特性等方面分析了VSC-MTDC的研究现状。文献[2]分析了采用电压下垂控制的VSC-MTDC系统稳定性。文献[3]改进了电压下垂控制，使得下垂斜率能自适应变化，并达到功率协调。文献[4]根据直流电压偏差法和直流电压斜率法的缺点提出了一种新的混合控制策略，实现了有功潮流的精确控制。而对于灾变恢复的研究主要是在于黑启动的启动方案上，文献[5]提出了多端直流输电系统在换流站黑启动时的启动策略。文献[6]提出了交直流混联系统的黑启动策略。但少有文献提及多端柔性直流异步联网系统对区域电网灾变恢复是否能起到支撑作用。当某一端的区域同步电网发生严重故障，失步解列，甚至是大面积停电后，其他端的区域电网能否及时地为其输送出足够的有功功率，保障系统尽快恢复。因此，本文提出了多端柔性直流异步联网系统交流主网发生大面积停电后，多端直流的区域电网对主网灾变恢复的支撑策略，并在PSCAD/EMTDC上建立了三端柔性直流异步联网系统模型进行验证。

1 多端柔性直流异步联网系统数学模型

1.1 多端柔性直流系统模型

本文建立了如图1所示的并联型的三端柔性直流异步联网系统。

图1 VSC-MTDC系统结构图

在该模型中，换流器采用了PWM控制技术，通过对PWM的调制波相角δ的控制就可以改变直流电流的方向，从而实现潮流反转以及控制输送的有功功率的大小。区域3为主网，与区域1和区域2通过直流异步联网，构成了一个三端柔性直流异步联网系统。各区域之间电力均可双向传输。在正常运行状态下，由主网向区域1和区域2送电。

1.2 多端柔性直流系统控制策略

换流站的有功功率控制主要分为以下三种：定直流电压控制，直流电压下垂控制以及定有功功率控制，如图2所示。在本文建立的模型中，由于VSC3连接主网，其容量较大，所以选取VSC3作为主站，采用定直流电压控制，当其过载时，切换至定有功功率控制。VSC2采用定有功功率控制。VSC1采用直流电压下垂控制，其下垂系数为直流电压最大偏差与有功功率之间最大偏差的比值，即

(1)

其中ΔUdcmax为直流输电线路所允许的最大电压偏差，ΔPmax为VSC1换流站能承受的最大功率偏差。

图2 换流器有功功率控制方式

此外，为了保持系统稳定，VSC-MTDC中各换流站间需保持输送功率与损耗功率的平衡，即

∑Pi+Plosses=0

(2)

其中Pi为各换流站输送的有功功率，定义流入直流侧的有功功率为正，流入交流侧的有功功率为负，Plosses是VSC-MTDC系统中所有换流站的功率损耗以及直流输电线路的功率损耗之和。

当换流站j发生故障退出运行时，由其他换流站承担损失的有功功率输送，即:

(3)

2 区域电网灾变恢复支撑目标及影响因素

2.1 区域电网灾变恢复支撑目标

当主网内部发生严重故障，导致系统发生失步解列，甚至是大面积停电后，此时对系统的潮流、频率、交流母线电压等都会产生很大的冲击，并会导致大量负荷失电。对于传统的交流输电系统而言，往往采用系统中具有自启动能力的机组进行黑启动，逐步实现重要负荷及网架的恢复。但这种方式耗时较长，往往要好几个小时的时间。而采用多端柔性直流异步联网的系统，可以通过非故障的区域电网作为主网电网的支撑电源，实现对主网的功率支援，帮助主网快速恢复供电，多端直流孤网就成为广域意义上的大区域系统恢复电源。在正常运行状态下，由主网向区域电网供电，但当主网出现大面积停电时时，在VSC-MTDC系统中，可以调出非故障区域电网的备用容量，甚至切除一部分该区域电网的非重要的就地负荷，进行潮流反转，改为由区域电网向主网供电，帮助启动主网的机组以及主网架的恢复，优先保障主网的重要负荷恢复供电。为了实现非故障区域电网对故障主网的功率支撑，其关键在于确定区域电网的功率输送方案及其影响因素。

2.2 目标网架恢复

当非故障区域电网提供直流功率支援后，多端直流孤网作为系统的恢复电源，通过多端直流线路迅速充电主干网架，从而进行目标网架恢复。

可选择采用多区域同期并行恢复网架的方式，即将故障主网进行分区，各个子系统并行恢复网架，等到条件成熟后，在各个子系统的同期点实现子系统并列，从而实现整个故障主网的网架恢复[7]。这种网架恢复方式可以大量节省网架恢复时间，提高系统恢复速度及可靠性。

2.3 功率支撑的影响因素及约束条件

1)非故障区域电网输送容量的限制：

Pipat≤Pispare+Pi_load-Pi_re

(4)

其中Pipat为区域电网i在主网发生大面积停电后能向主网传输的有功功率，Pispare为区域电网i的可用备用容量，Pi_load为区域电网i在紧急情况下可切除的二级或者三级负荷，Pi_re是正常运行情况下区域电网i接受的有功功率。

2)故障区域电网的可受电能力

在多端直流异步联网系统中，直流功率对于送端相当于一个固定的负荷，对于受端则相当于一个出力固定的机组，所以直流功率支援会造成送端和受端交流系统的频率变化。如果故障区域电网接受过大的有功功率，将导致系统频率波动过大。所以引入了有效惯性时间常数Hdc，来保证交流系统的频率稳定性。

(5)

其中Mac为系统的总转动惯量，Pdc为直流输送功率。

如果有效惯性时间常数过小，将会导致交流系统频率变化增大。

(6)

其中PG为发电机组的总容量，Δf为频率变化量，fN为50 Hz，K一般取3.0。

由此可知随着直流输送功率Pdc的增大，即有效惯性时间常数Hdc过小，Δf也会随之增大。

电力系统正常状况下，电网装机容量在300万千瓦及以上的，电网的频率波动不超过±0.2 Hz，电网装机容量在300万千瓦以下的，电网频率波动不超过±0.5 Hz。但当电网处于灾变恢复模式下，系统频率波动允许增大调节范围，不超过1 Hz[8]。

3)直流线路过负荷能力：

直流线路过负荷可分为三种：暂态过负荷、短时过负荷以及持续过负荷。在本文所研究的多端柔性直流异步联网对区域电网灾变恢复的支撑中，主要考虑的是短时过负荷这个指标。短时过负荷指的是在一定时间内，输电线路的直流电流高于其额定值的能力。一般而言，短时过负荷能力不超过额定电流的1.1倍。

PL≤PLmax

(7)

其中PL为流经该直流线路的直流功率，PLmax为该直流线路的最大可承受功率。

4)换流器容量的限制

电压源换流器的控制容量是有限的。所以进行功率支撑时，输出功率和输入功率不能超过换流器的容量。

3 多端直流异步联网系统区域电网灾变恢复策略

在多端直流异步联网系统中，能否实现多端直流孤网形成的区域电网对交流灾变电网的功率恢复支撑，有两个关键点。一是非故障区域电网能否输出足够的直流功率。二是直流功率能否传输至故障主网中，而不会导致主网进一步崩溃。只有满足这两个条件后，才能进行非故障区域电网对故障主网的功率支撑。

非故障区域电网可输出的总直流功率为:

(8)

其中n为非故障区域电网的个数，Pi_vsc为换流站i的可输出功率。

故障主网可接受的直流功率由有效惯性时间常数Hdc决定。其传输功率Pdc应满足:

(9)

其中Pvsc为故障主网的连接的换流站的最大可输入功率。

所以直流功率支援的最大功率Pmax为:

Pmax=min{Pout,Pdc}

(10)

具体的非故障区域电网对故障主网的功率支撑策略如图3所示。

图3 非故障区域电网对故障主网的功率支撑策略

4 算例仿真

为了验证本文提出的多端直流异步联网系统中多端直流区域电网对交流主网的功率支撑策略，在PSCAD/EMTDC中搭建了如图1所示的多端柔性直流异步联网系统。VSC3连接主网，为主换流站，控制方式为定直流电压，VSC1使用直流电压下垂控制，VSC2则工作在定有功功率模式下,对仿真结果采用了标幺化处理。具体参数如表1所示。

表1 仿真参数

图4 主站在主网大面积停电退出运行潮流重新分配时仿真波形

在正常运行情况下，由主网分别向区域1和区域2供电，主网输出有功功率为3 pu，区域1和区域2分别接收1.5 pu。如图4所示，在1 s时，主网发生大面积停电，为了不影响其他端的稳定性，主站VSC3退出运行，VSC3的有功降为0。由于系统发出的有功减少，直流电压降低，其损失的有功由处于电压下垂控制模式下的VSC1承担，VSC1由-1.5 pu变为了1.5 pu，运行于整流模式，即区域1调用了2 pu的可用备用容量，并切除了1 pu的非重要负荷。在1.2 s时，为了恢复区域1切除掉的负荷，区域2需调用1 pu的可用备用容量，即将VSC2的功率从-1.5 pu设定为-0.5 pu，并达到了潮流平衡。

(a) 各换流站功率变化

(b) 直流电压变化

在主换流站退出运行潮流重新分配达到平衡后，重新启动主换流站，使其运行于逆变状态。在本算例中，非故障区域电网最大可输出功率由式(8)计算得，区域1的最大可输出功率为2 pu，区域2的最大可输出功率为1.5 pu，为了保证频率变化不超过1 Hz，故障主网最大可输入功率由式(9)计算得为1.5 pu，由式(10)可得该多端直流异步联网系统功率支撑的最大可输送功率为1.5 pu。

如图5所示，在主网重新投入使用1 s后，切除区域2的1.5 pu的负荷，VSC2的功率从-0.5 pu跃变为了1 pu，从逆变模式转为整流模式，向主网供电，VSC3的有功功率从0变为了1.5 pu，直流电压升高后又恢复，波动在允许范围内，从而实现了多端直流区域电网作为系统的恢复电源对故障交流主网的功率支撑。

5 结束语

本文建立了VSC-MTDC输电系统的模型，并且从直流功率能否从多端直流区域电网送出以及能否被故障端主网接受两个角度考虑，提出了多端柔性直流异步联网系统中，当主网发生大面积停电后，其他端区域电网作为恢复电源对其进行功率支撑的策略。并且以本文提出的三端柔性直流异步联网系统模型进行仿真，验证了所提出策略的可行性。

[1] 吴博，李慧敏，别睿，等．多端柔性直流输电的发展现状及研究展望[J]．现代电力，2015，32(2)：9-15．

[2] 韩民晓，熊凌飞，丁辉．利用电压倾斜控制的VSC-MTDC稳定性分析[J]．电网技术，2015，59(7)：1808-1813．

[3] 刘瑜超，武健，刘怀远，等．基于自适应下垂调节的VSC-MTDC功率协调控制[J]．中国电机工程学报，2016，53(1)：40-48．

[4] 吴金龙，刘欣和，王先为，等．多端柔性直流输电系统直流电压混合控制策略[J]．电网技术，2015，59(6)：1593-1599．

[5] 李探，赵成勇，王朝亮，等．用于电网黑启动的MMC-HVDC系统换流站启动策略[J]．电力系统自动化，2013，37(9)：117-122．

[6] 李思宇．交直流混联系统黑启动策略研究[D]．武汉：华北电力大学，2015．

[7] 梁海平．电力系统大停电后分区恢复问题的研究[D]．武汉：华北电力大学，2013．

[8] 中华人民共和国电力工业部．供电营业规则[Z]．1996-10-08．

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

张文涛(1992-)，男，上海人，硕士生，研究方向为多端直流异步联网区域电网的灾变恢复。 房鑫炎(1963-)，男，博士，副教授，研究方向为电力系统继电保护与系统安全。

定稿日期: 2016-09-10