柔性直流输电在城市配电网 应用中的仿真研究

郭 张红斌 杨卫红 刘海波

（国网北京经济技术研究院，北京 102209）

利用柔性直流输电技术对城市配电网进行供电，能够有效提升站址和通道资源的利用效率；同时，灵活、快速和高效的有功和无功控制能力，能够解决电压闪变、短路电流超标问题、降低谐波等对电网系统的危害。柔性直流输电技术必将成为解决城市电网发展的有效途径之一，因此有必要对柔性直流输电在配电网中的作用做进一步直观地分析。

国内外在城市电网柔性直流输电应用方面已有一定的研究。文献[1-3]讨论了多端柔性直流输配电系统的特点、模型以及控制策略，但未能定性地研究其对城市电网的影响；文献[4-5]利用一定的经济手段对柔性直流输电与其它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[5]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；文献[6]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；文献[7-8]采用PSS/E 等软件对城市电网柔性直流输电进行仿真分析，但电压等级均为230kV 的城市高压网，未涉及10kV 及以下低压配电网络。这些对于城市配电网柔性直流输电的分析不够直观全面，不足以体现柔性直流输电在城市配电网中应用的真正优势所在。

本文分析了当前城市配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配电网中的应用，利用PSCAD/EMTDC 对柔性直流输电在城市电网中的对提高暂态稳定水平，改善电压稳定性等方面的作用进行了仿真研究，结果表明柔性直流输电技术在城市配电网中具有良好的应用前景。

1 柔性直流输电技术

柔性直流输电技术是在可关断器件组成的电压源换流器（VSC）和交联聚乙烯电缆（XLPE）出现之后，采用脉宽调制控制技术（PMW）而发展起来的。它可以将直流输电的经济应用功率范围降低到几十兆瓦。柔性直流输电系统原理如图1所示。

图1 柔性直流输电系统原理图

图1中所示为两电平拓朴结构的柔性直流输电线路，其送端和受端换流器均采用VSC，2 个换流器具有相同的结构，它由换流器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。

图2为柔性直流输电稳态运行基波相量图，通过控制换流桥输出电压的幅值与相位，就能改变的幅值及其相对于交流系统电压Us*的相位，从而改变换流电抗器上的电压降，从而实现了VSC 与交流系统间有功功率与无功功率的控制。

图2 柔性直流输电稳态运行基波相量图

由图2可知，接入柔性直流输电系统的配电网的数学模型可用式（1）、式（2）表示。

即

由式（2）和图2可知：

1）若δ>0，则为逆变状态，换流站向交流系统注入有功功率，对应于图2（a）、（b）。

2）若δ<0，则为整流状态，换流站从交流系统吸收有功功率，对应于图2（c）、（d）。

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。

2 柔性直流输电在城市配电网中的应用仿真

2.1 配电网柔性直流输电系统仿真模型

本文模拟一个等效的符合受端电网性质的城市配电网络，网络结构如图3所示。随着城市电力负荷的增长，需要新增输电通道，新增一条柔性直流线路：额定电压等级10kV，额定传输功率10MVA。

图3 仿真模型系统结构示意图

本文利用自主研发的柔性直流成套设计软件计算相应的主回路参数，详细参数见表1。本文以图3所示的等效城市电力网络为例，应用 PSCAD/ EMTDC 软件进行时域仿真，通过仿真验证成套设计的正确性，分析柔性直流技术对提高暂态稳定水平，改善电压稳定性以及无功支持等方面的作用，对以后柔性直流输电在城市配电网中的实际应用提供一定的参考价值。

仿真程序中送端采用定直流电压、定交流电压控制；受端采用定有功功率、定交流电压控制。同时，在模型搭建中选用了11 电平，采用NLM 调制策略。

表1 仿真模型系统参数

2.2 系统稳态响应特性及其仿真分析

图4为受端换流站稳态下控制器的输出特性。

图4 MMC2 站控制器输出特性

从图4中可以看出，稳态运行时，受端换流站内的定有功功率控制器和定交流电压控制有很好的稳态控制特性。当换流站自然起动时，公共连接点处的交流线电压能在0.2s 内达到并维持稳定运行于交流电压参考值；在0.1s 时，换流站传输的有功功率达到最大值，随后，在控制器的调节下，运行至0.5s，换流站就可以向配电网输送额定的有功功率，稳定运行，满足正常的用电需求。

稳态运行时，受端（MMC2）换流站交流母线的输出特性如图5所示，仿真时长为2.0～2.1s，即五个周波。

图5 公共连接点PCC 处的相电压

桥臂的输出电压为正弦趋势变化的阶梯波，不需要额外增加滤波设备，在公共连接点出即可输出基本正弦的正弦波形，所以，采用多电平拓扑的换流站能够实现无源逆变，向无源的配电网供电，并且输出的电能具有较高的电能质量。

综上，经过MMC-HVDC 结构接入直流输电系统的配电网在稳态下有很好的响应特性，能够迅速响应并追踪控制器的输出信号，轻而易举的实现对受端电网特定运行状态的控制；允许受端电网实现无源逆变，并且在换流站出口处输出基本正弦的波形，有着较高的电能质量。

2.3 系统静态稳定性仿真分析

1）直流线路的扰动

为了测试送端的运行状态的变化对配电网的影响，图6至图8仿真模拟了直流电压阶跃变化时受端系统的响应特性。送端定直流电压控制器参考值在t=1.0s 时，由额定值10kV 阶跃上升至11kV；在t=3.0s 时。由11kV 阶跃下降致9kV。

图6 直流电压的阶跃变化

直流线路的测量电压如图6所示，直流线路的测量电压在±10%范围内波动。

在直流电压阶跃上升（t=1.0s）、下降（t=3.0s）的过程中，图7表明受端换流站（MMC2）交流母线的线电压有效值、相电压的幅值、波形能基本保持不变。图8表明受端换流站向配电网输出的有功功率、无功功率基本保持在额定值。这说明接入柔性直流输电系统的区域配电网能在直流输电系统波动的情况下，安全可靠地供电，满足负荷的用电需求的同时，保证较高的电能质量。

图7 受端交流母线电压

图8 受端传输的有功功率与无功功率

2）冲击性负荷的接入与退出

冲击负荷的接入和退出将导致配电网的有功需求发生较大范围的波动，图9至图12仿真模拟了配电网有功功率阶跃变化时系统的响应特性：受端换流站（MMC2）向系统输送的有功功率参考值在t=1.0s 时刻由额定值3MW 阶跃上升为4MW，在t=3.0s 时刻阶跃下降为1.5MW。

图9 有功功率的阶跃变化

图10 受端换流站向系统输出无功功率

图11 第一次跃变时的电压

图12 第二次跃变时的电压

实际传输的有功功率的变化如图9所示，变化范围在-35%～50%之间，并且能够在0.2s 内达到预定的输出。

换流站输出的有功功率变化时，其吸收的无功功率将随之改变。有功功率上升时，换流站吸收的无功功率也将上升；而有功功率下降时，换流站吸收的无功功率也将下降。但无论功率怎么变化，交流母线的线电压有效值都能基本保持不变。

当换流站输出的有功功率指令变化时，换流站能通过控制系统的响应，迅速的追踪控制指令的变化，实现潮流的快速调节和控制；并且，由图10可知，换流站输出的有功功率与无功功率是相互耦合的，在有功功率变化的同时，换流站能够通过改变输出的无功功率以保证稳定的交流电压有效值，同时，由图11、图12可知，交流相电压的波形基本没有畸变，由较高的电能质量。

3）无功设备的接入与退出

考虑随着配电网的发展，接入系统的电力电子设备的增多，将导致交流母线电压的变化，图13至图15仿真模拟了配电网交流母线电压阶跃变化的系统的响应特性。t=1.0s 时刻，交流母线线电压参考值由额定值10kV 上升至10.5kV，t=3.0s 时刻。交流母线线电压参考值由10.5kV 阶跃下降至9.5kV。

换流站吸收的无功功率将随母线电压的变化而变化，当母线电压参考值上升，换流站吸收的无功功率将减小，甚至能够接近于0，以保证向配电网输出足够的无功功率；当母线电压参考值下降时，换流站吸收的无功功率将增大，即消耗多余的无功功率。

图13 配电网交流母线电压

图14 换流站向配电网传输的无功功率

图15 换流站向配电网传输的有功功率

交流母线电压参考值的变化同样将引发换流站吸收的有功功率的波动。在交流母线电压阶跃上升的瞬间，换流站吸收的有功功率将减小（即向配电网提供的有功功率将增加）；在交流母线电压阶跃下降的瞬间，换流站吸收的有功功率将增加（即向受端提供的有功功率将减小）。但在控制系统的作用下，换流站输出的有功功率将最终稳定在额定值运行。

采用多电平换流器拓扑的换流站能够动态的补偿交流母线的无功功率，保证交流母线电压能快速准确的追踪控制器设定的参考值，稳定交流母线电压，起到STATCOM 的作用，为系统提供可靠优质可控的电能。

2.4 系统暂态稳定性仿真分析

1）单相接地故障

图16至图19仿真模拟了受端系统的交流母线处发生瞬时性单相接地故障，故障发生时间t=0.1s，持续时间0.05s 时，系统的响应特性。

如图17所示，当配电网交流母线处发生单相接地过程中，送端的直流电压会有很小的波动，但能基本维持不变。

图16 受端交流母线电压

图17 送端的直流电压

图18 换流站向配电网传输的有功功率

图19 换流站向配电网输送的无功功率

由于故障的存在，换流站输出的有功功率瞬间减小，其吸收的无功功率同时减小甚至发出大量无功。配电网的交流侧故障并不会影响直流输电系统的稳定运行，并且在故障期间，可以通过直流网络实现与其他交流系统的相互隔离，限制故障的进一步扩大，避免发生连锁故障。

瞬时性故障发生后，由于交流母线电压降低，负荷需要吸收大量的无功功率，换流站能够在故障发生时，迅速向系统发出无功功率，为故障的交流系统提供及时的支援，缓解故障对配电系统造成的影响；并且，换流站能在故障消失后的0.25s 内向系统恢复供电，保证配电网的正常运行，有着良好的恢复特性。

2）三相短路故障

交流系统主要通过继保装置向断路器等设备发出信号，切断故障电流，由于机械惯性，交流系统切除短路故障将需要80～100ms。在配电网发生三相瞬时性短路故障时，这可能导致在故障消失后很长一段时间内都无法保证对负荷的正常供电。而对于接入柔性直流输电系统的区域配电网，可以通过换流站内控制器的配合，向换流器发出闭锁信号来切断对故障点的供电并且在故障切除后及时发出解锁信号恢复对系统的正常供电。

图20至图22仿真模拟了配电网发生三相瞬时性短路故障，故障发生时间为1.0s，持续时间为50s。

图20表明，而通过换流站内控制器的配合，向换流器发出闭锁信号来切断对故障点的供电仅需10ms 左右。在故障消失后，控制器能在10ms 内向换流器发出解锁信号，反应迅速可靠。

图20 换流器（MMC2）的闭锁解锁信号

图21 受端交流母线电压

图22 受端换流站传输的功率

故障发生后，交流母线电压能够在1.1s 恢复额定值，在1.4s 后整个系统恢复至稳定运行状态。瞬时性故障发生、消失的过程中，交流侧的继保装置无需动作，仅仅依靠对换流器的控制就可以及时有效的实现故障的切除、和恢复供电，实现故障的快速切除。限制故障扩大的同时，保证故障对受端系统的影响最小，避免和减小不必要的损失。

3 结论

本文分析了柔性直流输电的原理及在城市配电网中应用的技术优势，对柔性直流输电在城市配电网中应用的静态稳定性及暂态稳定性进行仿真分析，仿真表明柔性直流技术对提高配电网暂态稳定水平，改善电压稳定性以及无功支持等方面具有积极的作用，应用前景良好。

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