柔性输电系统实验教学物理模型的设计与实践

张凤鸽， 李红斌， 张 蓉， 朱秋华， 吴 彤， 杨德先

（华中科技大学电气与电子工程学院电力安全与高效湖北省重点实验室，武汉 430074）

0 引 言

随着全球气候变暖以及传统化石能源短缺，清洁的可再生能源越来越受到世界的重视。绝大部分新能源都是通过转化为电能才能被利用，但风能、太阳能发电受到气候影响大，与传统发电厂发电存在着明显不同的技术特点，这对现代电力系统提出了更高的技术要求。另一方面，为了实现碳达峰和碳中和目标，国家在大力推进新能源的大规模接入与能源互联网，推动微电网、主动配电网技术的不断发展，不断提高分布式电源及储能装置在用户侧的柔性接入，使得电力系统朝着更智能、更灵活的泛在电力物联网方向发展［1-2］。

在电力电子化的电力系统中，使现代电力系统的灵活性和可控性更强，这类基于电力电子技术的电力系统新型设备统称为柔性设备，主要应用领域包括柔性直流输电、柔性交流输电、新能源与储能、主动配电网与微电网4个方面。柔性设备在电力系统中的应用有效提升了电网对可再生能源的消纳能力和电能的转换传输效率，增加了电力系统的稳定性与灵活性，满足了用户对于电能质量的要求［3］。

柔性直流输电、柔性交流输电作为现代电力系统的关键技术，近年来已成为研究热点并得到国内外广泛关注，新型变流技术与控制策略层出不穷，大量装备已投入实际工程应用。科学技术的进步推动着新装备不断涌现，电力系统综合实验的教学内容和教学设备也要跟上现代电力行业高速发展的步伐，推陈出新提高实验教学质量，将新思想、新知识传授给学生，进一步培养学生成为具有创新能力的复合型人才［4-5］。

1 柔性直流输电实验

柔性直流输电指的是基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（HVDC），这种技术既适用于小容量输电，也适用于大容量输电，还能实现不同频率或电压等级电网之间的互连，是输配电技术领域的一项重大突破，会对未来电力系统的格局和形态产生重要影响［6］。

1.1 柔性直流输电特点

与传统直流输电技术相比，柔性直流输电技术主要优点在于：①没有无功补偿问题；②无换相失败问题；③可以向无源系统供电；④系统谐波含量低，电能质量高；⑤可同时独立调节系统的有功和无功；⑥可灵活组成多端直流输电系统；⑦占地面积小。

柔性直流输电的主要应用场景有：①大容量长距离输电；②电网异步互联；③分布式电源接入主网；④向偏远地区或海上孤岛供电；⑤为对电能质量有特殊要求的负荷供电；⑥城市建筑直流供配电系统。

1.2 柔性直流输电系统组成

在柔性直流输电系统中，整流侧将交流电转换为直流电，逆变侧将直流电转换为交流电。柔性直流输电系统主要由基于全控型电力电子器件的电压源换流器、换流变压器、桥臂电抗器、直流电容器（对于MMC柔性直流系统电容包含在换流阀模块中）、开关设备、测量装置、控制与保护系统等组成。根据不同的系统结构与工程需要，可能还会包括交/直流滤波器、启动电阻、平波电抗器、直流线路等。

如图1所示，与常规高压直流输电系统类似，柔性直流输电系统的主要设备均装设在换流站内。换流站按运行状态可以分为整流站和逆变站，两站的主体结构基本相同。

1.3 三端柔性直流输电系统实验教学平台

为了配合课堂理论教学，理论结合实际，让学生全面了解柔性直流输电技术，理解全控器件换流技术的原理、深入掌握柔性直流输电系统构成与运行原理，在我校电力系统动态模拟实验室（简称动模实验室）设计搭建了三端柔性直流输电系统实验教学平台，实验主接线图如图2所示。

基于该模型平台可以开展一系列柔性直流输电系统的实验，包括稳态实验和暂态实验，通过实验可使学生直观了解模块化多电平换流器（Modular Multilevel Coverter，MMC）系统的基本构成、运行原理与子模块工作原理；控制系统的基本控制原理，包括换流站级基于d-q轴的解耦控制策略，载波移相正弦脉宽调制CPS-SPWM与最近电平逼近控制NLC两种常用调制方法和子模块电容电压平衡控制策略；从系统层面上掌握柔性直流输电系统各种工况的运行特性和分析研究方法，积累运行经验，为柔性输电技术掌握与应用打下基础［7-8］。

（1）实验模型设计与搭建。三端柔性直流输电实验教学平台设计参数见表1，其中交流侧电网采用无穷大电源进行模拟，A站交流侧电网采用24号无穷大电源进行模拟，B站和C站通过换流变压器（简称换流变）同时并联到22号无穷大电源上，22号无穷大电源模拟电压在一定范围可调，提高模拟系统的灵活性。交流侧电源额定电压为380 V，额定电流10 A；三侧换流站换流变交流侧分别通过66QF（A站）、65QF（B站）、64QF（C站）3个断路器与电网连接，每相均配置有电流互感器和电压互感器，其中电流互感器TA变比为10 A/5 A；电压互感器TV变比为230 V/28.9 V。

表1 系统主要参数

换流站直流侧的测量采用霍尔传感器，其中直流电流传感器LA的变比为10 A/4.8 V，直流电压传感器LV的变比为1 000 V/5 V，响应频率为0～20 kHz，线性度1%；直流侧和交流侧分别设置了故障点D21和D22，用于模拟直流和交流侧系统故障，进行对系统暂态过程的模拟和分析。

实验模型还配备了多通道故障录波仪，主要用于测量3站交流侧三相交流电压和交流电流、直流侧正负极之间的直流电压、直流侧正极电流和负极电流、正对地和负对地直流电压等。

（2）上位机主界面。上位机主界面如图3所示。上位机软件主要功能有：①与下位机设备建立通信连接；②系统运行模式的选择与控制，运行模式主要有3种：定直流电压、定有功电流、定有功/定无功功率；③系统启动和停止；④系统运行参数设定与调节，通过上位机界面可以对系统的有功、无功、直流电压等参数进行设定调节；⑤系统运行模拟量、状态量的的实时显示。模拟量主要包括：换流变压器一次侧相电压和线电流、换流变压器二次侧相电压和线电流、桥臂电流、直流电压、直流电流、有功功率、无功功率；状态量主要包括：交流侧开关状态、直流侧开关状态、充电电阻开关状态、解锁闭锁状态以及系统启动停止状态等。

1.4 柔性直流输电教学实验内容

（1）柔性直流换流站启动实验。主要实验项目：①柔性直流输电系统换流阀充电实验；②系统紧急停运实验；③换流站空载升压实验；④柔性直流输电系统性能实验；⑤定交流电压控制实验；⑥子模块冗余实验；⑦控制保护系统冗余切换实验。

（2）柔性直流输电系统稳态实验。主要实验项目：①带直流线路充电实验；②带直流线路空载升压；③双端或三端系统紧急停运实验；④双端或三端系统启动实验；⑤双端或三端系统功率升降实验。

（3）柔性直流输电系统暂态实验。主要实验项目：①双端或三端系统阶跃响应实验；②双端或三端系统功率反转实验；③双端或三端系统直流线路故障实验；④双端或三端系统交流线路故障实验；⑤系统低电压穿越实验。

2 柔性交流输电实验

柔性交流输电技术（Flexible AC Transmission Systems，FACTS），又称为灵活交流输电技术，是以大功率电力电子元件代替传统元件（传统电压、阻抗、功角控制元件）的机械开关，从而灵活精准地实现系统参数的调控，FACTS元件有着不改变系统网络和大幅提高系统线路传输功率能力、控制能力以及动态性能的优点［9］。

2.1 柔性交流输电作用

伴随着柔性交流输电技术的快速发展，各类FACTS装置先后被提出、研制并投入应用，包括静止无功补偿器（SVC）、静止同步串联补偿器（SSSC）、统一潮流控制器（UPFC）、可控串联补偿器（TCSC）、静止同步补偿器（STATCOM）等。柔性交流输电主要作用有：①可增加系统的输电容量；②提升输电网络的运行工况，增强系统稳定性；③丰富系统的运行与控制手段；④拓展交流输电的应用领域；⑤解决大电网互联的问题［10］。

2.2 FACTS装置特点

电力系统补偿按照接入方式的不同主要分为3种：串联补偿、并联补偿及串并联混合补偿。并联补偿方式在系统运行中投退灵活、使用方便，是电力系统中应用最早也是最广泛的一种补偿方式。并联型FACTS控制器是并联补偿中最常用的一种。

串联补偿就是在电力系统输电网络上串联接入无功设备，从而改变网络的静态和动态特性，达到提升系统运行特性的目的。因为涉及补偿，所以就产生了一个补偿度（KC）的概念。所谓补偿度KC，是电容器容抗XC和线路感抗XL的比值，即KC＝XC/XL。KC＜1，称为欠补偿；KC＝1，称为完全补偿；KC＞1，称为过补偿。

2.3 可控串联补偿（TCSC）装置组成

晶闸管控制串联电容器（TCSC）又称为可控串补，主要是由于TCSC采用了易于控制的电力电子器件，补偿程度在一定范围内可调可控。其基本接线图如图4所示。

可控串补与固定串补相比，两者基本结构类似，都是由电容器组、避雷器、电抗器、阻尼电路、旁路开关等元件组成。区别是在可控串补结构中增加了一个并联的支路，它是由旁路空心电抗器与两个反向并联的晶闸管（SCR）串联构成的晶闸管控制电抗器（TR）。反向并联晶闸管SCR可以控制空心电抗器的通断时间，并通过对晶闸管的触发角的调节来控制流经空心电抗器的电流，进而达到控制回路等效阻抗的目的，实现对线路补偿度的平滑控制。在实际工程应用中，为了使TCSC装置达到一定的容量，往往需要将多组TCSC单元进行串联。由于晶闸管控制电抗器（TCR）并联支路的调控速度很快，可控串补一般取消了固定串补中常见的间隙保护支路［11］。

可控串补相比常规固定式串补有如下几个优点：①可阻尼次同步振荡；②可快速准确地调整控制线路潮流多；③可快速改变电抗，阻尼线路功率振荡，提高系统稳定性；④可减小MOV（Metal Oxide Varistors，压敏电阻）容量。

2.4 可控串补系统实验教学平台

结合动模实验室已有500 kV输电线路模型，研制了一套可控串补动模装置，该装置是以广西电网苹果站工程为原型进行模拟设计制造的。可将TCSC用于电力系统潮流调节，阻尼电力系统功率振荡，增强了电力系统暂态稳定性，可控串补本体保护配置，可控串补与常规电力系统元件保护配合的实验研究等［12］。

动模串联补偿实验系统采用FSC＋TCSC的拓扑结构，其单相主电路接线如图5所示。配备了模拟量采集系统，开关量采集系统，触发控制系统及快速响应的保护系统；FSC及TCSC的电容两端均装设有瞬态二极管TVS以模拟实际工程中MOV对电容的保护作用。

可控串补系统动模试验接线图如图6所示，该试验模型包含TCSC装置，实验系统以按照单机经每回400 km双回线向无穷大电源送电的模型设计，主要元件及参数如下：①双回输电线路，每回线路正序阻抗为22.82 Ω、阻抗角85.76°；②模型系统额定线电压800 V；③模型线路额定电流双回运行时为5.5 A、单回运行时为11 A；④串补装置安装在500 kV模拟输电线路的送电侧的一回线路上；⑤串补装置包含FSC＋TCSC，其中FSC串联补偿度为35%，可控串联补偿度在5%～15%范围内可调节。

（1）静态（稳态）试验。静态性能试验主要验证TCSC的技术性能指标是否满足设计要求。主要性能指标包括额定工作电压、额定容量、调节范围、系统响应时间等。主要实验项目：①装置稳态工作试验测试；②阻抗开环控制试验测试；③定线路电流试验测试；④定输电线路有功功率试验测试。

（2）动态响应试验。装置动态响应测试实验包括阻抗阶跃实验、有功功率阶跃实验、线路电流阶跃实验、有功功率阶跃实验，阻抗调制实验。

（3）阻尼功率振荡实验。TCSC装置设有阻尼功率振荡的功能，用于在系统发生扰动后抑制可能出现的持续功率振荡。为激发功率振荡，实验时将多段模拟输电线串连构成了较长的输电线路。设置的故障形式为发电机出口或变压器高压侧三相瞬时性短路故障，短路持续时间0.1 s。

3 实验教学效果

我校利用动模实验设备开设现代电力系统综合实验课程已经3年，同学们对课程包含的柔性输电实验、新能源实验等新技术新知识非常感兴趣，普遍认为平时接触更多的是书本上的理论知识，或者是通过仿真软件去了解电力系统和电力装置，很少能够接触到实物。而动模实验可以更加直观地去理解平时所学的理论知识，更加直观地认识电力系统的物理过程，动态实验波形印象深刻。下面是3个实验示例：

（1）柔性直流输电潮流反转实验。在二端柔性直流运行下，换流B站定直流电压800 V启动，换流A站定有功功率4 kW启动，记录波形；定有功换流站按照4 kW降至0 kW降至-4 kW再升至0 kW升至2 kW再降-2 kW进行功率调整，监视和记录两站交直流电压、电流波形，计算分析有功、无功波形。图7所示为B站定电圧800 V，A站有功2～-2 kW潮流反转时的部分波形，其中A站和B站有功功率为分析计算值［13］。

（2）柔性直流输电交流侧短路实验。A、B、C站3端柔性直流系统某种工况下的交流侧D22故障点（见图2）单相接地、两相故障、两相接地故障、三相故障，记录交直流电压、电流故障波形。图8是A站交流侧三相短路时的部分波形。

（3）柔性直流输电直流短路实验。三端柔性直流系统某种工况下的直流侧D21故障点（见图2）正对地故障、负对地故障、正对负故障，记录交直流电压、电流故障波形。图9所示是直流线路正极对负极通过过渡电阻短路时的部分波形。

从完整波形可以看出3站交、直流侧电压均有微小扰动，A、C站直流电流出现两次冲击效应，向下冲击时交流侧电流有效值抬升、向上冲击时交流侧电流有效值下降；B站直流电流向下阶跃，一段时间后恢复，在该段时间内交流侧电流有效值上升［14］。

4 结 语

通过将柔性输电技术融入实验实践教学中去，拓宽实验内容和加强课堂理论教学与实验教学的结合，将进一步提高我校电气工程专业的人才培养质量，加快学生与电力行业实际工程问题相衔接，使动模实验室成为人才培养及科学研究的重要基地。在学科建设、科学研究、社会服务和人才培养等方面为电气工程争创“双一流”学科提供重要支撑。

通过现代电力系统综合实验学习，帮助学生将课堂上所学的主要专业课程的理论知识与实践相结合，使学生熟悉交直流混联大电网保护控制、新能源与微电网、柔性交直流输电等最先进的电力科技进展，进一步掌握电力系统各种设备运行特性和理论知识，为工程实际应用及后续理论研究奠定必要的基础［15］。