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。