基于多端柔性直流输电系统潮流控制策略的交直流电网合环模型研究

蔡建逸 林裕新 白 浩

（1. 广东电网有限责任公司汕头供电局，广东 汕头 515000；2. 南方电网科学研究院，广州 510663）

0 引言

随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，对供电可靠性的要求越来越高，合环操作可实现不停电倒闸，减少用户的停电次数[1]。交流配电网合环操作一般要求相序、相位核对正确即可进行，以提高供电可靠性。然而，对于多端柔性直流输电系统（voltage source converter multi-terminal DC,VSC-MTDC）[2]潮流控制策略的交直流混合运行电网，在电网合环后，可能因VSC-MTDC系统潮流控制策略启动，形成潮流迂回[3]，导致多电压等级的设备过载或跳闸，严重威胁电网安全运行，因此，要确保电网合环前后潮流控制策略不启动，需要调整线路潮流参数。本文通过建立电流约束的合环模型，计算合环边界参数，找到最优合环条件，确保电网安全稳定运行。

1 交直流混合运行电网的合环场景

1.1 VSC-MTDC系统潮流控制策略

广东汕头南澳岛是广东电网公司智能电网的示范区，为更好地实现清洁能源输送，将海岛风能通过直流通道输送至大陆（最大约169MW），构建基于VSC-MTDC系统潮流控制策略的交直流（ACDC）混合运行电网[4]，如图1所示。

正常方式下，变电站1的100、500、600开关（合环点）均在断开位置，风电场2发电功率分别通过交流线路WJ和换流站2直流通道送往大陆。所以，换流站2可控制其换流器的有功功率输出，使风电场2就地平衡后剩余的有功功率全部通过直流线路进行传输，从而使交流线路WJ的有功功率接近0。当风电场2的发电功率升高导致WJ有功功率超过±5MW时，换流站2将调整换流器导通角，加大直流线路送往大陆的有功功率，并降低WJ送往大陆的有功功率（使WJ功率接近0）。同理，换流站1也可控制其换流器的有功功率向JH1输出，将风电场1有功功率就地平衡，使交流线路LJ的有功功率接近0后，剩余的全部通过直流线路进行传输。

图1 正常方式的AC-DC混合运行电网

1.2 合环状态下的潮流迂回

潮流迂回的AC-DC混合运行电网如图2所示，当变电站1的合环点闭合时，风电场2与大陆电网的连接就不仅有交流线路WJ和换流站2直流通道，还增加了交流线路LJ和换流站1直流通道。此时，当风电场1、风电场2增大出力时将向换流站2输送功率并使换流站2满载，剩余功率从WJ输出并升高超过5MW，在此方式下，换流站2将调整换流器导通角，继续加大直流线路送往大陆（经过换流站3和交流线路SH）的有功功率，直至换流站1、换流站2满载；同时由于潮流在换流站3→变电站4→变电站5→变电站1的流向，当造成LJ输入功率升高并超过−5MW时，换流站1调整换流器导通角，将其剩余直流通道的功率通过交流线路JH1源源不断地注入变电站1的Ⅰ母，并经过Ⅱ母流向WJ和JH2，重新进入直流通道，形成潮流迂回。

2 建立合环模型

2.1 场景分析

当变电站1的100/500/600开关（合环点）闭合时，根据VSC-MTDC系统的潮流控制策略启动前后的状态，分为两种场景：

1）控制策略启动前的状态，即WJ和LJ在±5MW范围内，此时将换流站1、换流站2等效成负荷1、负荷2，风电场1、风电场2、换流站3等效成电源1、电源2、电源3，形成合环回路如图3（设合环点为600开关）所示。

图2 潮流迂回的AC-DC混合运行电网

图3 启动策略前的合环回路

2）控制策略启动后的状态，形成潮流迂回，根据图2，潮流从变电站1的合环点Ⅰ母流向Ⅱ母，因换流站1、换流站2满载，并从换流站1的JH1和换流站3的SH输出恒功率，可将换流站3等效成电源3。因风电场1和换流站1功率都汇入变电站1的Ⅰ母，可将两者等效成电源1，风电场2等效成电源2，而换流站2因功率只进不出，可等效成负荷2，如图4（设合环点为600开关）所示。

2.2 策略启动前的合环模型

图4 启动策略后的合环回路

根据图3，将合环点Ⅰ母侧一端视作变电站a，传输功率为Sa，该侧用电功率为S2，合环点Ⅱ母侧一端视作变电站b，传输功率为Sb，该侧用电功率为S3，电源1、电源2的输出功率为Sw1、Sw2，电源3不涉及合环计算，不纳入电路，形成等效电路如图5所示。

图5 启动策略前的等效合环电路

或

合环后约半个周期时将出现最大电流瞬时值[6-7]，设其为IM，当合环点为500/600开关时对环路两台主变开关和环路配网开关的过电流Ⅰ段保护定值产生影响（只影响节点5～10，合环点不投过电流保护不受影响；当合环点为100开关时，110kV环路上线路开关不投过电流保护而不受影响），Ii过电流Ⅰ为环路各节点开关的过电流Ⅰ段保护定值，为确保冲击电流小于过电流Ⅰ段保护定值，合环暂态电流约束条件为

式中：R、L分别为合环点等值电阻和电感；Im为合环稳态电流幅值，。

当合环点为500/600开关时，合环后稳态电流应小于环路上各节点开关的过电流Ⅱ段保护定值（与上述原理相同，只影响主变和配网开关），设其为Ii过电流Ⅱ，合环稳态电流约束公式为

式中，Si、Ui、Ii分别为环路注入功率、线电压、线电流。

各节点电压根据PQ分解法[8]进行求解，设−B′为不含并联支路的修正电纳矩阵，θ、V分别为电压相位和幅值，得

通过以上各式得到合环电流约束模型为

2.3 策略启动后的合环模型

根据图4，将合环点Ⅰ母侧一端视作变电站a，传输功率为Sa，该侧用电功率为S2，合环点Ⅱ母侧一端视作变电站b，传输功率为Sb，该侧用电功率为S3，根据图2中的JH2→DC3→JH1的功率方向,合环点Ⅱ母侧不断输出功率至换流站2，因此可以把合环点Ⅱ母至换流站2这一节点等效成负荷端，该节点传输功率为S0。由于启动VSC-MTDC系统潮流控制策略后形成潮流迂回，电源2为可调节的注入功率Sw2，电源1、电源3源源不断输出功率Sw1、Sw3，潮流从合环点Ⅰ母流向Ⅱ母，且导致Re(S25)＜−5MW或Re(S30)＞5MW，因Sw3涉及电流约束模型，纳入等效电路如图6所示。

图6 启动策略后的等效合环电路

由环网功率分布规律，输出功率Sa~、S~b按式（1）、式（2）计算，电源3最大输出功率S~w3不超过换流站1、换流站2满载时输出功率和，即

或

合环暂态电流、合环稳态电流、各节点电压约束按式（5）～式（7）计算，整合得到合环电流约束模型为

3 算例

根据第2.1节中，广东南澳岛VSC-MTDC系统潮流控制策略的AC-DC混合运行电网例子，通过测试工具，获取电网开关和负荷网络拓扑关系、开关状态及合环数据[9]，形成负荷系数矩阵，模拟在变电站1分别闭合600、500、100开关时的合环状态，通过代入已知固定量，以及三种合环方式下得出的Z23，求解式（8）和式（12）两个约束模型，通过线性规划法得出的取值范围，通过校验是否满足合环暂稳态电流约束，输出潮流控制策略启动前后的环路负荷和开关状态变化。部分测试数据分别见表1、表2。

表1 策略启动前的合环测试数据

表2 策略启动后的合环测试数据

表1反映了当策略没有启动时，合环期间的Re(SLJ)、Re(SWJ)都在±5MW范围内。闭合100开关后的状态无数据，说明110kV侧的合环状态与策略无启动的状态无法共存。而闭合600或500开关，跳闸次数较少，说明10kV侧合环在该状态下可稳定运行。通过数据模拟后得，约束条件下，在电压差0.4kV范围内可控，在闭合合环点500/600开关可控，因500开关两侧阻抗小于600开关两侧阻抗，因此合环点600开关两侧阻抗≥合环点500开关两侧阻抗。

表2反映了合环期间的Re(SLJ)、Re(SWJ)超出±5MW范围导致策略启动，闭合600/500开关时合环回路上开关发生跳闸，说明10kV侧合环在该状态下不能运行。110kV侧合环期间不跳闸是因110kV线路开关未投入过电流保护，不影响稳定运行，但潮流迂回增加了输电损耗，在10kV侧能够安全合环的前提下，考虑到效益不建议在110kV侧合环。其中闭合600开关，影响策略启动的概率较小，闭合500开关影响策略启动概率接近50%，闭合100开关影响策略启动的概率最高。为确保合环稳定运行，需要改变参数条件保持策略无启动。

4 合环边界参数

合环边界模型参考图6及式（12），为保持策略无启动，要求 −5MW ≤≤ 5MW 或−5MW≤≤ 5MW ，得

将第3节算例的电网及测试数据代入上述模型，得出安全合环边界参数：合环点两侧阻抗取值范围Z23≥0.056 7+j0.768 1（即合环点可选择600/500开关），电压差调整范围−0.7kV≤Ua−Ub≤0.4kV，电源1（风电场1的部分）调整输出功率≤38.56MW，电源2（风电场2）调整输出功率≤41.44MW，控制换流站3交流输出功率≤60MW。最优合环边界如图7所示，灰色区域为最优合环边界参数。

图7 最优合环边界图

总结合环风险管控策略如下：

1）高压AC-DC混合智能配电网络正常运行，当两侧电压差−0.7kV≤Ua−Ub≤0.4kV时，在任意方式下，闭合600开关合环操作，VSC-MTDC系统潮流控制策略不会启动，该合环操作是安全的[10]。

2）控制换流站3交流输出功率≤60MW，控制合环点两端电压差−0.7kV≤Ua−Ub≤0.3kV，此时潮流控制策略不会启动，合600/500开关进行合环操作是安全的。

3）合环操作前应调节Ua、Ub电压差，当Ua＜Ub时，有利于降低回路中的循环功率，特别是在风机出力总和超过80MW的情况。

4）合环前可调整降低风电场1、风电场2的风机出力分别不超过38.6MW和41.44MW，有利于降低潮流控制策略启动概率，以及闭合回路中的循环功率。

5）用合环点100开关合环，虽不造成线路跳闸，但是潮流迂回造成输电线路线损增加，若10kV侧能够安全合环，考虑到效益不建议用100开关进行合环操作。

5 结论

本文通过展示一个典型AC-DC混合运行智能电网的合环操作案例，分析启动VSC-MTDC系统潮流控制策略前后的两种场景状态，以此建立基于合环电流约束的AC-DC混合运行电网合环模型，证明了系统潮流策略是影响安全合环的关键因素，在此基础上确定了安全合环的边界参数，并提出了有效的合环风险管控策略。研究结果表明，在AC-DC混合运行电网中，配网侧的合环操作安全性较高，通过控制功率就地平衡及控制合环操作两端电压差，能够避免潮流迂回，提高电网合环的安全性。下一步可在OS2主站建立配网开环点[11-12]合环边界算法，与“主配用”数据交互，确保多电压等级的交直流混合电网下的合环能够得到风险管控。