徐政

(浙江大学电气工程学院，杭州市 310027)



电网发展的终极目标与恒电压运行的实现途径

徐政

(浙江大学电气工程学院，杭州市 310027)

提出恒电压运行的概念并论证恒电压运行是电网发展的终极目标。从恒电压运行的效益、恒电压运行的实现手段和恒电压运行的成本估计3个方面展开论述。恒电压运行的效益包括4个方面，分别为恒电压运行是坚强智能电网的终极表现形式；恒电压运行能够最大程度地抵御故障扰动并提高系统稳定性；恒电压运行可彻底解决大规模可再生能源接入电网引起的电压波动问题；恒电压运行可实现网损最小化。恒电压运行的实现手段主要是采用基于模块化多电平换流器技术的静止同步补偿器(modular multilevel converter based STATCOM，MMC-STATCOM)，目前技术水平下单个MMC-STATCOM的合理容量为500 MVA。对一个具有2万km、500 kV输电线路的受端骨干网架进行了恒电压运行成本估计，表明所需要安装的MMC-STATCOM容量在3 000万 kVA以下，其投资成本在100亿人民币以内。

电网规划；恒电压运行；受端系统；无功平衡；多直流馈入；可再生能源接入电网；电压波动；模块化多电平换流器(MMC)；静止同步补偿器

0 引 言

本文所谓的恒电压运行，指的是电力系统中某个局部区域的骨干网架上的变电站母线电压，在一年365天、每天24 h的任何时刻(除电网遭受大扰动的故障时段外)，都运行在统一的电压值上。例如，广东电网珠三角区域的500 kV网架上的变电站母线电压永远在一个恒定值上运行；上海电网的500 kV网架上的变电站母线电压永远在一个恒定值上运行等。对于交流电力系统，由于无功调节能力的限制，恒电压运行一直是一种奢望。电力系统运行的2个基本约束是有功功率平衡和无功功率平衡[1-12]，目前电力系统运行的一些基本概念，如大方式、小方式、顺调压、逆调压等，都与这2个基本约束有关。由于交流电力系统元件所消耗的无功功率与所流过的有功功率相关，因此无功功率平衡的水平随有功功率的变化而变化。如果无功功率平衡的水平一直维持在某一恒定值不变，即不随有功功率的变化而变化，那么电网电压也能维持在某一恒定值不变，达到恒定电压运行的目标。

1 实现恒电压运行的效益

1.1 恒电压运行是坚强智能电网的终极表现形式

电网坚强的程度在学术上并没有严格的定义，而电力系统界一直强调的加强电网建设，其理解也因人而异。但坚强电网的终极形式则是一个非常成熟的概念，这就是所谓的无穷大电网，其基本特征是：(1)电网频率不随输入或输出的功率而变化；(2)电网电压不随输入或输出的功率而变化。在有功充足的情况下，恒定电压运行就意味着实现了无穷大电网的2个基本特性，因而显然是坚强智能电网的终极表现形式。

1.2 恒电压运行能够最大程度地抵御故障扰动并提高系统稳定性

如果能在局部电网的骨干网架上实现恒电压运行，则意味着该局部电网的骨干网架具有充足的无功功率调控能力，因而在电网遭受大扰动故障时，只要这些无功功率调控能力得到发挥，则该局部电网的电压就能最大程度地保持恒定，从而会比常规电网具有大得多的抗扰动能力，大大提高系统的稳定水平。

恒电压运行的上述优势在提高多直流馈入受端系统的稳定性从而提高受端系统接纳直流馈入容量方面表现得尤为突出。

例如对于广东电网的珠江三角洲区域或上海电网，其500 kV网架上有近10个直流馈入点，每个直流馈入点的馈入容量都很大，一般为300万kW，有的超过500万kW。对于这样的多直流馈入受端系统，交流系统故障或直流系统故障都有可能对整个系统造成巨大的冲击，特别是送端系统与受端系统处于同一个同步电网内时，交流侧或直流侧的一般性故障都有可能导致整个系统的崩溃[13]。

下面以交流侧故障为例说明其机理。(1)当受端交流电网某处发生故障时，必然造成受端直流输电逆变站交流母线电压的跌落。(2)一般情况下，当逆变站交流母线电压跌落幅度超过10%时，逆变站会发生换相失败，导致直流输电线路的输送功率中断。由于受端系统有多个逆变站，因此，一个交流侧故障可能导致多个甚至所有逆变站同时发生换相失败，所造成的输送功率中断的量是巨大的，比如对于珠三角电网或上海电网，这个量可以达到2 000万kW。(3)由于送受端处于同一个同步电网中，中断的直流输送功率必然会转移到与其并列的交流输电线路上，而巨量的转移功率很容易导致并列的交流输电线路严重过载，从而导致沿线电压严重下降，由电压下降又进一步导致无功功率消耗大幅上升，最终的结果是电压崩溃，系统失稳。

当送端系统与受端系统不在同一个同步电网内时，情况会好一些；但受端电网内部的大幅度潮流转移也是不可避免的，控制不当同样会造成很严重的后果。

如果受端电网采用恒电压运行方式，那么对多直流馈入受端系统安全稳定性的提高主要表现在如下2个方面。

(1)减少换相失败的逆变站数目：当受端电网某处发生故障时，远离故障点的逆变站由于恒电压运行控制的作用，会使逆变站交流母线电压几乎不发生跌落，从而避免了换相失败的发生，这从总体上减少了输送功率中断的量，从而大大改善了整个系统的稳定特性。

(2)保证故障后直流输送功率的快速恢复：当故障切除后，对于常规电网，各逆变站交流母线电压的恢复速度可能较慢，比如经过200 ms后才恢复到正常值，这样就造成了直流线路的功率也滞后200 ms后才恢复到正常值，对整个系统的稳定性非常不利。而采用恒电压运行方式后，由于恒电压运行的控制作用，各逆变站交流母线电压瞬间恢复到正常值，使得各直流线路功率在故障后立刻恢复到正常值，从而大大提高了整个系统的稳定性。

1.3 恒电压运行可彻底解决大规模可再生能源接入电网引起的电压波动问题

可再生能源由于其波动性，其消纳所遇到的根本问题就是可能对电力系统运行的2个基本约束构成挑战。在有功平衡电源充足的情况下，恒电压运行意味着无功功率平衡问题已得到解决，因而可以彻底解决大规模可再生能源接入引起的电压波动问题。

1.4 恒电压运行可实现网损最小化

在恒电压运行条件下，电网中的无功功率流动达到了最小化，因而电力系统中各元件流过的电流也达到了最小化。由于有功功率损耗与元件流过的电流的平方成正比，电流最小化就意味着有功功率损耗的最小化，因而整个系统的网损也达到最小化。

2 实现恒电压运行的技术手段

实现恒电压运行的物理基础是，一年365天、每天24小时的任何时刻(除电网遭受大扰动的故障时段外)，电网的无功功率都能够精确平衡在某个特定的水平上。因此开发超大容量的动态无功补偿装置是实现恒电压运行的关键。

令人欣慰的是，随着电力电子技术的发展，特别是近年来模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)技术的发展[14]，这种超大容量的动态无功补偿装置已实现产品化，这种基于MMC技术的动态无功补偿装置我们将其称为MMC-STATCOM[15]。按照目前电力电子器件的发展水平，特别是IGBT器件的发展水平，在技术上和经济上合理的MMC-STATCOM单台容量在500 MVA左右。国内已有多家制造商在柔性直流输电用MMC制造方面具有很成熟的经验，大规模生产MMC-STATCOM已不是问题。

2.1 模块化多电平换流器的基本结构

模块化多电平换流器MMC的基本结构如图1(a)所示。一个换流器有6个桥臂，每个桥臂有N个子模块(SM)，每一相的上下2个桥臂合在一起称为1个相单元。交流侧中性点用O′表示，直流侧中性点用O表示。电阻R0用来等效整个桥臂的损耗，L0为桥臂电抗器。同一桥臂所有子模块构成的桥臂电压为urj(r=p、n，分别表示上下桥臂；j=a、b、c，表示abc三相)，流过桥臂的电流为irj。Udc为直流侧电压。usj为交流系统j相等值电势，Lac为换流器交流出口va、vb、vc到交流系统等值电势之间的等效电感(包含系统等效电感和变压器漏电感)。MMC交流出口处输出电压和输出电流分别为uvj和ivj。uEpn为点Epa和点Ena之间的电位差。所考虑的MMC子模块结构如图1(b)所示，T1和T2代表IGBT，D1和D2代表反并联二极管，C0代表子模块的直流侧电容器；uc为电容器的电压，usm为子模块两端的电压，ism为流入子模块的电流。

2.2 MMC-STATCOM的运行原理

根据MMC的解析模型[16-17]，对于基波等值电路，相单元中2个桥臂电抗器各自的非公共连接端(即图1中的Epj和Enj)是等电位的，因此可以将Epj和Enj这2个点连接起来，用ndiff来表示该点，称为上下桥臂电抗器的虚拟等电位点。就可以得到MMC的单相基波等值电路，如图2所示。

根据图2，可以直接推导出：

(1)

(2)

(3)

其中：

(4)

(5)

这样，udiff不但可以理解为上下桥臂的差模电压，同时也可以理解为上下桥臂电抗器虚拟等电位点ndiff上的电压。

图1 MMC基本结构Fig.1 Basic structure of MMC

图2 MMC的单相基波等值电路与接入交流系统示意图Fig.2 Single-phase fundamental wave equivalent circuit of MMC and connecting AC system

由于udiff可以直接由upj和unj控制，即可由控制器进行直接控制，因而将图2中的ndiff点选作电压调制波的定义节点。这样，定义MMC的输出电压调制比m等于ndiff上的基波相电压幅值Udiffm除以Udc/2，即

(6)

显然，电压调制比m的变化范围是0

对图2所示的模型系统采用标幺值进行分析。设电压基准值为连接变压器网侧和阀侧的额定电压，功率基准值取MMC的额定容量，约定MMC的额定容量以v点作为参考点，也就是从v点输出的额定容量就是MMC的额定容量。这样，MMC从ndiff点输出的有功功率和无功功率可以分别表示为：

(7)

(8)

对于MMC-STATCOM，消耗的有功功率很小，近似认为Pdiff=0，因此，δdiff=δpcc，这样式(8)可以改写为

(9)

设Upcc按恒定电压UpccN控制，即Upcc=UpccN。则定义Udiff的额定值UdiffN为UdiffN=UpccN，同时定义所对应的调制比m为额定调制比mN，一般情况下，mN为0.85左右。当m>mN时，Udiff>Upcc，Qdiff>0，MMC-STATCOM输出无功功率，通常当m≈1时，MMC-STATCOM输出无功功率达到额定值。当m

3 局部电网实现恒电压运行所需的MMC-STATCOM的容量评估及其成本分析

3.1 输电线路的无功吞吐特性分析

首先，以输电线路为例分析无功功率的吞吐情况[18]。交流输电线路的一般性模型可以用图3来表示，其中输电线路采用正序模型。由于高压输电线路工频下的单位长度电阻与电抗之比一般较小(不超过0.1)，因此分析输电线路无功吞吐情况时，忽略电阻不会对分析结果产生明显的影响。

图3 交流输电线路一般性模型

Fig.3 General model of AC transmission line

在假设输电线路无损的条件下，描述输电线路基本特性的著名的长线方程变为

(10)

(11)

式中：Zc为波阻抗(也称为特征阻抗)；β为相位常数，即：

(12)

β=ω/c≈0.06°/km

(13)

式中：L1、C1分别为线路单位长度的电感和电容；ω为工频角频率；c为光速。

由于：

(14)

代入方程(10)有

(15)

(16)

令式(15)和式(16)的实部和虚部分别相等有：

(17)

(18)

从而有：

(19)

(20)

由对应关系，容易得到：

(21)

(22)

如果分别取线路额定电压和自然功率作为电压基准值和功率基准值，即取：

UB=Urated

(23)

(24)

则输送功率的标幺值方程(这里用小写字母表示标么值)分别为

(25)

(26)

(27)

式中：us和ur分别为送受端电压标幺值。根据图3的参考方向，流过输电线路的有功功率可以用式(25)表示，而注入输电线路的无功功率可以用式(28)表示：

(28)

式中：qline表示注入线路的无功功率，qline>0表示线路吸收(吞)无功功率，qline<0表示线路发出(吐)无功功率。

下面以500kV线路为例，计算输电线路的无功吞吐情况。对于500kV输电线路，其自然功率约等于1 000MW。设线路长度l=100km，且us=ur=1。当输电线路空载时，ps=pr=0，δ=0，可以得到qline=-0.105，即输电线路可以发出无功功率105 Mvar。当输电线路半载时，ps=pr=0.5，δ=3°，可以得到qline=-0.078 6，即输电线路可以发出无功功率78.6Mvar。当输电线路带自然功率时，ps=pr=1，δ=6°，可以得到qline=0，即输电线路既不发出无功功率，也不消耗无功功率。当输电线路带1.5倍自然功率时，ps=pr=1.5，δ=9.02°，可以得到qline=0.132，即输电线路吸收无功功率132Mvar。当输电线路带2倍自然功率时，ps=pr=2，δ=12.07°，可以得到qline=0.318，即输电线路吸收无功功率 318Mvar。

3.2 受端骨干网架恒电压运行所需要的MMC-STATCOM的容量估算

设受端系统骨干网架为500kV网架，功率计量关口设置在变电站的500kV侧，要求变电站的功率计量关口功率因数始终保持为1。即假定220kV及更低电压等级的电网配置有充足的普通无功补偿装置(比如电力电容器和低压电抗器等)，能保证稳态运行时变电站 500kV侧功率计量关口的功率因数始终保持为1。

在上述假定条件下，要使500kV网架恒电压运行，只要在任何时候将500kV输电线路吞吐的无功功率全部补偿掉就行。根据3.1节对输电线路无功吞吐特性的分析，如果假定500kV网架的负载率变化范围为空载到1.5倍自然功率，即输电线路输送的有功功率从空载到1.5倍的自然功率之间变化。则空载时每100km输电线路会发出105Mvar的无功功率，带1.5倍自然功率时会吸收132Mvar的无功功率。考虑到MMC-STATCOM既可以发出无功功率，也可以吸收无功功率，且发出和吸收无功功率的容量是对称的。因此，按无功功率吞吐的最大值确定MMC-STATCOM的容量。这样，每100km输电线路需要安装的MMC-STATCOM的容量为132MVA。

3.3 局部电网实现恒电压运行的成本估计

由3.1节分析知，若受端电网骨干网架为500kV网架，那么对于一个具有200回平均输电距离为100km的受端骨干网架，例如珠三角电网或上海电网基本上就这个规模，需要安装的MMC-STATCOM的容量为200132MVA=26 400MVA。按照MMC-STATCOM2015年的价格水平(3.5亿元人民币/1 000MVA)计算，共需人民币92.4亿元。

4 对今后受端电网建设的建议

恒电压运行是电网发展的终极目标，实现恒电压运行，可以彻底解决大规模可再生能源接入所引起的电压波动问题，在很大程度上解决由传统直流输电引起的多直流馈入问题，对受端电网的安全稳定特性具有根本性的改善作用。实现恒电压运行的主要技术手段是安装MMC-STATCOM，今后受端电网的500kV变电站新建或改造时应考虑安装大容量的MMC-STATCOM；受端电网中的500kV直流输电换流站一方面应考虑安装大容量的MMC-STATCOM，另一方面应考虑直接将传统的电网换相换流器更换为MMC，从而使直流输电的逆变站本身就具有恒电压运行的能力。

[1]韩英铎，姜齐荣，谢小荣，等. 从美加大停电事故看我国电网安全稳定对策的研究[J]. 电力设备, 2004, 5(3):8-12.HanYingduo,JiangQirong,XieXiaorong,etal.August14thblackoutintheUSandproposeforchinesepowersystemtoimprovingstabilityandsecurity[J].ElectricalEquipment, 2004, 5(3):8-12.

[2]夏祖华，沈斐，胡爱军，等. 动态无功补偿技术应用综述[J]. 电力设备, 2004, 5(10):27-31.XiaZuhua,ShenFei,HuAijun,etal.Applicationsummarizationontechnologyofdynamicreactivepowercompensation[J].ElectricalEquipment, 2004, 5(10):27-31.

[3]刘振亚，张启平，王雅婷，等. 提高西北新甘青750kV送端电网安全稳定水平的无功补偿措施研究[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(5):1015-1022.LiuZhenya,ZhangQiping,WangYating,etal.Researchonreactivecompensationstrategiesforimprovingstabilitylevelofsending-endof750kVgridinNorthwestChina[J].ProceedingsoftheCSEE, 2015, 35(5):1015-1022.

[4]莫浪娇，骆树权. ±200MvarSTATCOM在500kV水乡站的工程实践[J]. 高压电器, 2015, 51(6):47-52.MoLangjiao,LuoShuquan.Engineeringpracticeof±200MvarSTATCOMin500kVShuixiangsubstation[J].HighVoltageApparatus, 2015, 51(6):47-52.

[5]田昕，钟胜，王慧来，等. 大型受端电网动态无功配置[J]. 中国电力, 2014, 47(6):12-17.TianXin,ZhongSheng,WangHuilai,etal.DynamicVARconfigurationinalargereceiving-endpowergrid[J].ElectricPower, 2014, 47(6):12-17.

[6]熊超英，覃琴，王轩，等. 移动式百兆乏级STATCOM在上海电网的应用研究[J]. 华东电力, 2012, 40(6):919-923.XiongChaoying,QinQin,WangXuan,etal.Applicationof100MvarrelocatableSTATCOMinShaanghaigrid[J].EastChinaElectricPower, 2012, 40(6):919-923.

[7]王吉利，李小腾，范越，等. 电力系统延迟电压恢复问题综述[J]. 陕西电力, 2014, 42(8):34-39.WangJili,LiXiaoteng,FanYue,etal.Anoverviewofdelayedvoltagerecoveryinpowersystems[J].ShaanxiElectricPower, 2014, 42(8):34-39.

[8]申毅，姜纯，宋生麒，等. 青海海西电网动态无功配置方案初探[J]. 青海电力, 2015, 34(1):4-8.ShenYi,JiangChun,SongShengqi,etal.DiscussiononthedynamicalreactivepowerconfigurationschemefortheWesternQinghaipowergrid[J].QinghaiElectricPower, 2015, 34(1):4-8.

[9]桂永光，刘桂英，粟时平，等.STATCOM在海南电网中的应用[J]. 中国电力, 2015, 48(4):141-146.GuiYongguang,LiuGuiying,SuShiping,etal.ApplicationofstaticsynchronouscompensatordeviceinHainanpowergrid[J].ElectricPower, 2015, 48(4):141-146.

[10]马兆兴，陈昊，万秋兰. 计及STATCOM容量约束的电压失稳性分析[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(28):88-93.MaZhaoxing,ChenHao,WanQiulan.AnalysisonvoltageinstabilityconsideringSTATCOMcapacityconstraint[J].ProceedingsoftheCSEE, 2013, 33(28):88-93.

[11]刘锦宁，刘洋，何伟斌. ±200Mvar静止同步补偿器的电网电压控制策略[J]. 电力自动化设备, 2015,35(5):29-35.LiuJinning,LiuYang,HeWeibin.Gridvoltagecontrolof±200MvarSTATCOM[J].ElectricPowerAutomationEquipment, 2015,35(5):29-35.

[12]杨林，汪惟源，曹敏敏，等. 基于特高压背景的江苏电网电压控制[J]. 电网与清洁能源, 2015,31(3):74-78.YangLin,WangWeiyuan，CaoMinmin，etal.VoltagecontrolinJiangsupowergridinthebackgroundofUHVACandDC[J].PowerSystemandCleanEnergy, 2015, 31(3):74-78.

[13]徐政,黄弘扬,周煜智. 描述交直流并列系统电网结构品质的3 种宏观指标[J]. 中国电机工程学报, 2013,33(4):1-7.XuZheng,HuangHongyang,ZhouYuzhi.ThreemacroscopicindexesfordescribingthequalityofAC/DChybridpowergridstructures[J].ProceedingsoftheCSEE, 2013,33(4):1-7.

[14]徐政. 柔性直流输电系统[M]. 北京：机械工业出版社，2012：27-52.XuZheng．VoltagesourceconverterbasedHVDCpowertransmissionsystems[M].Beijing:ChinaMachinePress, 2012：27-52.

[15]朱劲松，李磊. 基于模块化多电平换流器的STATCOM分析与控制 [J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(24):113-117.ZhuJinsong,LiLei.AnalysisandcontrolofSTATCOMbasedonmodularmultilevelconverters[J].PowerSystemProtectionandControl, 2012, 40(24):113-117.

[16]XiaoH,XuZ,XueY,etal.Theoreticalanalysisoftheharmoniccharacteristicsofmodularmultilevelconverters[J].ScienceChinaTechnologicalScience, 2013, 56(11): 2762-2770.

[17]肖晃庆, 徐政, 薛英林, 等. 模块化多电平换流器谐波特性解析分析[J]. 中国科学：技术科学, 2013, 43(11): 1272-1280.XiaoHuangqing,XuZheng,XueYinglin,etal.Theoreticalanalysisoftheharmoniccharacteristicsofmodularmultilevelconverters[J].ScienceChinaTechnologicalScience, 2013, 43(11): 1272-1280.

[18]徐政. 交直流电力系统动态行为分析[M]. 北京： 机械工业出版社，2004：15-17.XuZheng．DynamicperformanceanalysisofAC/DCpowersystems[M].Beijing：ChinaMachinePress，2004：15-17.

(编辑： 张媛媛)

Ultimate Goal of Power Grid Development and Realization Way of Constant Voltage Operation

XU Zheng

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The concept of constant voltage operation was proposed, and it was demonstrated as the ultimate goal of power grid development. The topic was expanded from three aspects, including constant voltage operation’s benefit, realization way, and cost. The benefit of constant voltage operation includes four facets: constant voltage operation is the ultimate presentation of the strong smart grid; constant voltage operation can resist fault disturbance in the most powerful manner and improve the stability of power system greatly; constant voltage operation can completely eliminate the voltage fluctuation problem caused by the integration of large-scale renewable energy; constant voltage operation can minimize the grid loss. The realization way of constant voltage operation is mainly the static synchronous compensator based on modular multilevel converter (MMC-STATCOM), whose appropriate single unit capacity at present technology level is about 500 MVA. The cost of constant voltage operation was estimated on a typical receiving system of 20 000 km 500 kV transmission line. The result shows that the capacity of the needed MMC-STATCOM is less than 30 GVA and the investment cost is less than 10 billion Yuan.

power grid planning; constant voltage operation; receiving system; reactive power balance; DC multi-infeed; renewable energy integration; voltage fluctuation; modular multilevel converter(MMC); static synchronous compensator

TM 712

A

1000-7229(2015)10-0034-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.005

2015-07-01

2015-07-27

徐政(1962)，男，博士，教授，主要研究方向为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、风力发电技术与风电场并网技术。