李春叶 李 胜

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024；2.北京林业大学工学院，北京 100083）

1 引言

保障城市供电可靠性和安全性具有重要的社会和经济意义。把柔性直流输电引入用电密集的城市电网，利用它的输电能力强，潮流快速可控等特点，解决城市供电中存在的线路走廊缺乏、电力设施与城市景观不和谐、无功功率消耗较大、供电成本高以及潮流难以控制等问题，有利于维持城市电网的安全、可靠、经济运行。因此有必要对柔性直流输电在城市电网中的作用做进一步分析。

本文分析了当前城市电网面临的问题和柔性直流输电的原理及技术优势，针对柔性直流输电在城市电网中的应用，利用PSS/E对柔性直流输电在城市电网中在提高暂态稳定性、抑制低频振荡及提高电压稳定性等方面的作用进行了仿真研究，仿真结果表明柔性直流输电在城市电网中具有良好的应用前景。

2 柔性直流输电

随着基于 PWM 和大功率全控型器件的电压源换流器（VSC）、高压交联聚乙烯（XLPE）电缆的出现以及换流站造价的降低，柔性直流技术越来越受到重视。国内外针对柔性直流输电技术开展了一系列研究，文献[1-6]讨论了柔性直流输电的特点，模型以及控制策略。文献[7]从柔性直流输电的优点出发，定性地讨论了柔性直流输电在城市电网运用的可行性，但对于柔性直流输电在城市电网中应用的可行性问题研究不够充分，缺乏从经济性方面的定量分析。文献[8－9]均利用经济手段对比分析了柔性直流输电与其他手段措施对城市电网的某一方面影响进行了量化分析。文献[8]仅从减小短路电流方面将柔性直流输电与利用限流装置的投资进行了对比分析，而文献[9]从设备投资方面将柔性直流输电与交流输电进行了对比分析。这些对于柔性直流输电的量化分析不够全面，不足以体现柔性直流输电的真正优势所在。文献[10－11]分析了柔性直流输电在改善电能质量、提供无功支持以及对系统稳定性的影响进行了仿真分析，文献[10]介绍了柔性直流输电在改善电压质量方面所采取的控制措施，文献[11]分析了柔性直流输电在低频振荡、功角稳定、次同步振荡方面的作用，但它们并没有深入分析这种影响的原因，没有得出一些结论性的控制规律。

柔性直流输电系统原理如图1所示。由于采用全控型器件组成电压源换流器，可以随意控制开通和关断，结合PWM技术可以快速改变交流输出电压的相位与幅值, 从而能实现有功与无功的单独和迅速调节。

图1 柔性直流输电原理图

采用脉宽调制（PWM）技术的 VSC具有两个控制变量：调制比M（即VSC输出电压的基频相电压幅值与直流电压的比值）和相对于VSC交流母线电压Us的移相角度δ，其输出交流母线电压的基波分量为

式中，ud为VSC直流侧电压；μ为与PW˙M方式相关的直流电压利用率；δs为交流母线电压Us的相角。

进一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为

式中，Uc为VSC输出电压的基波分量；Us为交流母线电压的基波分量；δ为Us和Uc之间的相角差；X为换流电抗器电抗。

分析可知，有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于Uc。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Uc就可以控制 VSC发出或者吸收的无功功率。

从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四个象限运行。

3 柔性直流输电对城市电网的影响

本文利用修改的四机两区域系统来模拟一个等效的城市电力网络，网络结构如图2所示。新增一条柔性直流线路：额定电压等级 200kV，额定传输功率400MW，主要网络的参数文献见[12]。

图2 城市电力网络结构图

本文以图2所示的等效城市电力网络为例，应用PSS/E软件进行时域仿真，分析柔性直流输电改善系统稳定性以及无功支持等方面对城市电网的作用，对以后柔性直流输电在城市电网中的实际应用提供一定的参考价值。

3.1 抑制城市电网的低频振荡

能源分布不均匀、环境保护和投资成本等因素造成电力系统中的电源远离城市等负荷中心，这就需要经过长距离输电线路与系统中其他发电机并列运行。当系统受到小干扰后，发电机转子间会发生低频振荡，输电线路上的功率也会发生相应的振荡。若系统缺乏足够的阻尼，振荡衰减较慢。目前增加系统低频振荡阻尼的方法主要有两种：一种常用方法是在发电机上装设电力系统稳定器（PSS），通过对发电机励磁系统的调节，形成一个与转子转速偏差同相位的电磁力矩增量，从而为振荡提供附加的阻尼力矩[13]；另外一种是利用灵活交流输电系统（FACTS）技术从输电环节中施加控制以增加系统振荡阻尼。静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器（STATCOM）、可控串联补偿器（TCSC）、统一潮流控制器（UPFC）以及传统 HVDC等装置，在配置适当的阻尼控制器的情况下，均能够有效地抑制系统振荡，增加系统阻尼[14]。

柔性直流输电中每一个 VSC换流器可同时调节其输出电压的幅值和相角，能够控制其与交流系统之间交换的有功和无功，即该装置能够实现与STATCOM 相似的无功功率控制，同时还可以实现与传统HVDC相似的有功功率控制，通过有功调制、无功调制或混合调制来快速改变其传输功率，从而达到抑制交流输电线路功率振荡、增加系统阻尼的目的。

对于图2所示系统，柔性直流输电的附加阻尼控制器装设在定有功功率控制的VSC上，其输入信号选为节点5和6之间交流输电线路有功功率P56，输出信号 Δ Pdcref则附加到定有功功率控制VSC的有功设定值Pdcref之上，以实现对有功功率的调制，如图3所示。

图3 含阻尼控制的VSC换流器控制图

当节点6和7之间的任一回线在1s发生三相短路时，在持续80ms后将故障回路切除，利用PSS/E对无附加控制和有附加控制模式分别进行仿真，采用的附加控制模为 PSS/E 中的直流辅助信号模型HVDCAU，系统的暂态仿真计算结果如图 4－7所示。其中，整流侧换流器直流定值采取定直流功率控制，运行定值为300 MW；整流侧的交流定值采取定交流母线电压控制。相应地在逆变侧，直流定值采取定直流电压控制，交流定值采取定交流母线电压控制。

图4 节点5和6之间交流输电线路有功功率

图5 发电机G1相对于无穷大系统G3的功角摇摆曲线

图6 发电机G4相对于无穷大系统G3的功角摇摆曲线

图7 柔性直流输电传输的有功功率曲线

从图4－7仿真计算结果可以看出，在柔性直流配置附加阻尼控制的情况下，故障扰动后通过对直流系统输送有功功率的调制，动态调节其输送的有功功率，系统阻尼特性可得到明显地增强，扰动后交流输电线路有功功率、发电机的功角以及交流母线电压的振荡均可得到快速抑制，快速恢复系统稳定。

3.2 为城市电网提供无功电压支撑改善电压稳定性

近年来，国际上发生过多起因电压失稳和电压崩溃而导致城市电网大面积停电事故，造成了巨大的经济损失和社会影响。主要是由于远离电源的城市负荷中心负荷的无功电压支撑能力不足造成的，而且随着城市负荷中心负荷的急剧增加，特别是空调等温控负荷比例的增大和电力市场化改革的逐步推进，城市电网面临电压失稳的威胁越来越大。

柔性直流输电独立的有功功率和无功功率控制，在输送有功功率的同时，还可以向系统提供无功功率以维持系统电压稳定，克服了传统的直流输电消耗大量无功功率加剧电压失稳的弊端。而且柔性直流输电在系统电压较低时其无功支持能力是最强的，这一点与传统的电容无功补偿相反。柔性直流的这些特性可以为城市电网提供无功电压支撑改善电压稳定性。

对于图2所示系统，当系统负荷逐渐增加时，即节点5和节点7的负荷以5%/s增长时，利用PSS/E进行仿真，仿真计算结果如图8－11所示。其中，整流侧换流器直流定值采取定直流功率控制，运行定值为400 MW；整流侧的交流定值采取定交流母线电压控制。相应地在逆变侧，直流定值采取定直流电压控制，交流定值采取定交流母线电压控制。

图8 节点5和节点7负荷增加变化曲线

图9 节点5和节点7电压变化曲线

图10 柔性直流线路有功功率变化曲线

图11 柔性直流线路两端换流器的无功功率变化曲线

从图8－11仿真计算结果可以看出，在负荷逐渐增长的过程中，柔性直流两侧换流器采取定交流母线电压控制策略后，不仅可以维持正常有功功率输送，而且可以发出更多的无功功率以支持其所连接的交流侧母线电压，从而维持节点5和节点7电压的基本恒定。因此，柔性直流采取合适的控制策略可以为城市电网提供无功电压支撑以改善交流系统的电压稳定性。

4 结论

本文分析了柔性直流输电的技术优势，利用PSS/E对柔性直流输电对城市电网在抑制低频振荡及提高电压稳定性等方面的作用进行了仿真研究。仿真表明柔性直流输电技术在城市电网供电中能发挥积极的作用，具有良好的应用前景。

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