摘要
新型電力系統(tǒng)背景下，未來中國面臨著遠距離、大容量西電東送的重大需求?；谌嵝灾绷鞯膱F塊狀互聯(lián)大型西部送端直流電網可以實現西部風、光、水、火等不同特性電源之間的互補調節(jié)，解決新能源出力的隨機性和波動性問題。在研究直流電網的穩(wěn)態(tài)模型、電磁暫態(tài)模型和協(xié)調控制策略的基礎上，構建西部送端直流電網的仿真系統(tǒng)，分析西部送端直流電網的穩(wěn)態(tài)運行特性和暫態(tài)運行特性，以及大規(guī)模新能源出力波動對直流電網運行的影響。結果表明，面對交直流故障擾動引起的新能源換流站功率變化以及天氣原因引起的新能源出力波動，西部送端直流電網換流站之間可以進行功率協(xié)調，實現各類能源的緊急增援，降低擾動影響。因此，構建西部送端直流電網可以實現大規(guī)模新能源的遠距離、安全穩(wěn)定傳輸。
1 西部送端直流電網
1.1 直流電網結構
本文計算目標年為2050年，研究邊界條件見文獻[24]。
依據西部送端電源特性和地理分布，本文構建了西部送端直流電網，網絡結構見圖1。西部送端直流電網包含119座直流換流站，其中火電電源23座、水電電源16座、風電電源23座、光伏電源9座、直流負荷48個。換流站額定功率均為10 GW，直流電壓等級為±1000 kV。西部送端直流電網共劃分為7個直流子網，直流子網間有通道相連。
1.2 直流組網技術
西部送端直流電網主要面向匯集和輸送大型新能源基地的能源，無常規(guī)的水電或火電聯(lián)合打捆外送。由于沒有常規(guī)電源提供短路電流，傳統(tǒng)的電流源換流器直流輸電（line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）無法穩(wěn)定運行。近年來，基于電壓源換流器技術的柔性直流輸電（voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC）可與弱交流電網甚至無源網絡互連，具有較強的電壓和功率調控能力，適合用于構建直流電網。依托柔性直流輸電技術，構建西部送端直流輸電網，能夠滿足電力由西部向中東部地區(qū)遠距離和大容量輸送的重大需求。因此，本文采用基于VSC-HVDC的柔性直流技術進行西部送端直流組網。
2 直流電網模型
2.1 直流電網穩(wěn)態(tài)模型
VSC換流站是直流電網重要組成設備，一般包括聯(lián)結變壓器、無功補償、相阻抗、VSC換流器等，VSC換流站的穩(wěn)態(tài)潮流模型如圖2所示。
在進行潮流計算時，若VSC非平衡站采用定交流功率控制方式，給定的直流功率需要通過計算換流站交流部分得到。由VSC換流站模型可得
式中：Usys和Isys為換流站的交流電壓和注入電流；Psys、Qsys分別為交流系統(tǒng)向換流器輸出的有功功率和無功功率；Rt、Xt分別為聯(lián)結變壓器的電阻和電抗；Us、Ps、Qs分別為聯(lián)結變壓器副邊的交流電壓、有功功率和無功功率； Qf 為換流站無功補償容量。
進一步得到換流器側的電壓與功率分別為
2.2 直流電網電磁暫態(tài)模型
2.2.1 直流電網模型
本文直流電網電磁暫態(tài)模型共模擬了5類元件，包括換流器等效電流源、等效電容、直流線路RL串聯(lián)支路、直流線路對地電容、故障短路支路。直流電網電磁暫態(tài)模型如圖3所示。
2.2.2 換流器模型
換流器等效電流源的電流值isci為注入直流電網的功率 Pdi 與直流母線電壓 Udi 之比，即
換流器等效電容電磁模型為
式中： Ceqi 為第i個換流站的等效電容。
2.2.3 直流線路串聯(lián)RL支路模型
將直流輸電線路分解為RL串聯(lián)支路和對地電容支路（見圖4），并建立電磁暫態(tài)模型，其他元件的電磁暫態(tài)模型與直流輸電線路類似。
直流線路串聯(lián)RL支路的電磁模型可表示為
式中：Rl、Ll分別為直流輸電線路的電阻、電感。
直流線路對地電容電磁模型可表示為
式中： Cl 為直流線路對地電容。
2.2.4 直流線路短路支路模型
直流線路經過RL支路短路的模型如圖5所示，故障點將原線路分割成2條，短路支路的模型和直流線路串聯(lián)RL支路的模型相同。
2.3 直流電網協(xié)調控制
2.3.1 直流子網-網內協(xié)調控制
換流器控制系統(tǒng)是直流電網控制的執(zhí)行者，直流子網控制策略需要考慮多個換流站之間的直流電壓協(xié)調穩(wěn)定，非常復雜。直流電網系統(tǒng)控制方式主要包括主從控制、電壓下垂控制、主從式裕度控制和自適應控制。
1）主從控制。主從控制是指柔性直流輸電系統(tǒng)中只有一個換流站控制直流電壓恒定，其余換流站通過控制有功進行功率分配。
2）電壓下垂控制。電壓下垂控制實質上是定直流電壓控制和定有功功率控制的結合。當系統(tǒng)有功功率出現不平衡時，直流電壓會發(fā)生變化，各個換流器根據自身的下垂系數進行功率調節(jié)，平衡系統(tǒng)有功功率，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當任一換流站故障退出運行時，其余換流站仍具有獨立控制功率和穩(wěn)定直流電壓的能力。
3）主從式裕度控制。主從式裕度控制指主（從）站設置一定裕量的恒定電流（電壓）控制。當定直流電壓控制端切出時，系統(tǒng)有功功率發(fā)生缺額，直流電壓變化，直流電壓裕度小的即優(yōu)先級高的定功率控制端將會切換成新的定直流電壓控制端，平衡功率變化，達到新的穩(wěn)定。
4）自適應控制。自適應控制方式下，各換流器負責自己的功率目標，沒有換流器負責系統(tǒng)的電壓。與交流系統(tǒng)的發(fā)電機出力和負荷自動調節(jié)類似，采用自適應控制的換流器不能準確定義功率的傳輸點，只能設定電壓-電流特性曲線，每一個換流器都需要給定一個負荷參考點。
2.3.2 直流電網網間協(xié)調控制
西部直流電網將多個換流站并入同一電網運行，實現其靈活調控、協(xié)調運行，發(fā)揮其功率匯集、轉運、外送功能優(yōu)勢，高度依賴直流電網的控制系統(tǒng)，需面向各級控制構建多層級協(xié)調控制系統(tǒng)。多層級協(xié)調控制系統(tǒng)共包括3個層級，功能架構如圖6所示。各層級主要功能如下。
1）換流站本站控制?？刂齐妷涸磽Q流器與交流電網的有功、無功、直流側電壓等。
2）直流子網網內協(xié)調控制。協(xié)調子網各換流站，合理分配送電功率或負荷；優(yōu)化子網內部潮流分布；改善子網受擾動態(tài)響應特性；執(zhí)行局部交直流協(xié)調控制。
3）直流子網網間協(xié)調控制。實現統(tǒng)計各子網外送需求與送電能力；優(yōu)化分配子網互濟容量，提升外送通道利用效率，實現風、光、水、火多源廣域互濟；子網間聯(lián)絡線潮流控制；全網拓撲結構分析與潮流優(yōu)化控制；子網故障的緊急支援控制；嚴重受擾子網的阻隔控制（解列聯(lián)絡線）。
3 西部送端直流電網系統(tǒng)運行特性
西部送端直流電網換流站多，輸送容量大，且新能源電源出力間歇性強，運行復雜，協(xié)調控制非常困難。
基于在ADPSS仿真系統(tǒng)開發(fā)的直流電網仿真模型，本文搭建了西部送端直流電網的仿真系統(tǒng)。
西部送端直流電網網內控制系統(tǒng)中，火電和水電等有源換流站交流側采用定無功、定有功控制，直流側采用電壓下垂控制；連接風電和光伏等新能源基地的換流站交流側采用定電壓、定頻率控制，直流側采用電壓下垂控制。
3.1 穩(wěn)態(tài)運行特性
本文針對西部送端直流電網北電南送方式進行研究。穩(wěn)態(tài)運行直流母線電壓如圖7所示。由圖7可以看出，西部送端直流電網母線電壓均運行在額定電壓附近，最高電壓1009.6 kV，最低電壓999.1 kV，平均電壓1003.4 kV，滿足直流電網電壓運行要求。
直流子網通過重要直流通道互聯(lián)，西部送端直流電網共包含5個重要斷面通道，各斷面通道支路組成及斷面通道功率如表1所示。由表1可以看出，斷面1和斷面5交換功率較大，其中斷面1功率達到10920 MW，斷面5次之，約為7208 MW。南北互濟斷面共包含7條直流線路，潮流北電南送方式下，斷面交換功率為504 MW。
北電南送方式下，西部直流電網內潮流較重的直流線路有：XJ8—XJ12（10920 MW）、NM15—NM16（9739 MW）、XZ01—XZ04（9140 MW）、XJ1—XJ8（8456 MW），均未超過導線熱穩(wěn)極限。其中，XJ8—XJ12為直流子網間傳輸通道，潮流輸送較大。對于潮流傳輸較重的直流通道，可架設多回直流線路，減輕單回線路的輸送壓力。
南電北送方式下，南部電網大量功率可穿越南北互濟斷面支援北部電網，南北互濟斷面交換總功率為46289 MW。通過南北互濟方式，可實現區(qū)域能源的靈活調度，減輕新能源季節(jié)性波動引起的區(qū)域電力緊張。
3.2 暫態(tài)運行特性
由于直流電網內部慣性遠小于交流電網的機械慣性，直流電網易受交直流電網故障及以及新能源出力波動而發(fā)生變化。從交流電網故障、直流電網故障和新能源出力波動這3類典型擾動角度，分析西部送端直流電網的暫態(tài)運行特性。
3.2.1 交流電網故障
交流電網故障是常見的直流網外故障，故障擾動將直接快速傳遞到與之相連的換流站，并影響近區(qū)局部直流電網的運行。以XJ3換流站送端交流電網短路故障為例，分析交流電網故障對直流電網的影響。XJ3換流站上送交流網絡結構如圖8所示，故障近區(qū)系統(tǒng)動態(tài)響應過程如圖9所示。
圖9 交流故障西部直流電網動態(tài)響應特性
Fig.9 Dynamic response characteristics of western DC grid under AC short circuit fault
0.1 s時，XJ3G—XJ3S交流線路發(fā)生三永N–1故障，XJ3換流站交流電壓跌落，換流閥有功輸出也快速下跌。由于交流網內有功輸出受阻，XJ3交流電網頻率最高上升到50.06 Hz。受故障影響，故障點近區(qū)直流母線電壓下降，對于采用電壓下垂控制的換流站，直流電壓上升，同時換流閥有功輸出增加，以彌補故障點所在換流站的上送功率損失。0.2 s時XJ3G—XJ3S交流故障線路切除，XJ3換流站交流母線電壓和直流母線電壓恢復，近區(qū)直流母線電壓和換流閥輸出功率也隨之恢復正常。因此，交流線路XJ3G—XJ3S發(fā)生三永N–1短路故障，西部送端交直流電網均可保持穩(wěn)定運行。
3.2.2 直流電網故障
單極短路故障是直流網內典型故障，由于直流電網阻抗較小，故障將迅速在直流網內傳導。以XJ3—XJ4直流單極短路故障為例分析該類故障下交直流系統(tǒng)的交互影響。故障后交直流電網動態(tài)響應特性如圖10所示。0.1 s故障發(fā)生，直流網內短路電流激增，直流線路保護動作快速開斷故障極線路。潮流大量轉移至XJ4—XJ5—XJ6，XJ5—XJ6潮流增加至7572 MW。受直流故障影響，和該直流電網相連的換流站交流母線電壓亦發(fā)生不同程度的跌落，導致各交流電網上送功率受阻，引起交流電網頻率升高。其中，離故障點最近的XJ04交流電網頻率最高上升到50.28 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率恢復到50.07 Hz，滿足交流電網系統(tǒng)頻率要求。因此，直流線路XJ3—XJ4發(fā)生單極短路故障，若直流保護快速動作，西部送端交直流電網均可保持穩(wěn)定運行。
3.2.3 新能源出力波動
受自然因素影響，新能源機組出力極易發(fā)生波動。對于接入直流電網的大型新能源基地，出力波動將傳導到直流電網，由控制系統(tǒng)協(xié)調，網內換流站共同承擔功率波動。以西部直流電網中XJ4換流站為例，分析新能源波動時直流電網換流站間的功率協(xié)調。
XJ4為風電換流站，XJ2、XJ3為火電換流站。假設XJ4下接風場風速從1 s開始發(fā)生漸變，風電出力逐漸減弱，在6.5 s時達到最小值8078 MW；6.5 s后，風速逐漸增強，風電恢復正常出力，風電出力變化如圖11所示。
風電出力變化過程中，直流電網換流站功率、交流母線電壓及直流母線電壓如圖12所示。
正常運行時，XJ4換流站交流母線電壓0.9958 p.u.，有功功率9900 MW。由圖12 a）可以看出，1.0~6.5 s風速逐漸下降，XJ4風電基地外送功率逐步降低，XJ4換流站有功功率最低下降到7850 MW。風電出力減小過程中，XJ4交流電網無功消耗減少，再加上換流站功率降低，盈余無功流向交流電網，引起XJ4換流站交流母線電壓上升，最高達0.997 p.u.，見圖12 b）。XJ2和XJ3換流站采用電壓下垂控制方式，直流電壓分別下降到1.0223 p.u.和1.0233 p.u.，見圖12 c）；XJ2和XJ3換流站有功功率調制分別提升到10040 MW和10060 MW，以補償XJ4風電產生的功率缺額，見圖12 a）。
因此，通過直流電網的協(xié)調控制，換流站間可以實現功率互動，降低新能源出力波動的不利影響。
4 結論
在新型電力系統(tǒng)背景下，未來中國面臨著電力由西部向中東部地區(qū)遠距離和大容量輸送的重大需求。面對此需求，本文提出了基于柔性直流的西部送端直流電網結構，將地域相鄰的風、光、火大型能源基地互連，形成局部多能源直流子網，利用直流線路連接各直流子網，實現風、光、水、火等不同特性電源之間的互補調節(jié)，解決新能源出力的隨機性和波動性問題。
西部送端直流電網穩(wěn)態(tài)運行特性表明，遠端能源基地可以通過直流子網進行能源遠距離和大容量的安全傳輸。典型的交、直流電網故障擾動表明：基于VSC-HVDC技術的西部直流電網，在交流電網發(fā)生嚴重故障，引起新能源上送換流站功率下降后，換流站間可以進行功率協(xié)調，降低大擾動引起的功率缺額；在直流電網發(fā)生嚴重故障后，由于直流輸電通道功率可以雙向傳輸，換流站間可以協(xié)調控制實現功率的緊急轉移和增援。在面對新能源出力波動時，直流電網亦可發(fā)揮其協(xié)調特長，平抑整個直流電網的功率波動。
隨著直流電網和仿真技術的發(fā)展，需要建立更加完整和精細的直流設備和保護控制等模型，如潮流控制器、DC/DC變換器、短路電流控制器；針對制約直流電網運行的關鍵問題開展深入研究，如大規(guī)模新能源并網引起的寬頻振蕩問題，以獲得更加全面深入的直流電網系統(tǒng)運行特性。
注：本文內容呈現略有調整，如需要請查看原文。
