一、研究背景

目前大型城市電網(wǎng)受制于短路容量的限制和500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)的安全隱患，一般采取220 kV電壓等級(jí)分區(qū)運(yùn)行模式。如圖1所示，采用柔性電力電子裝置可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)間的柔性互聯(lián)，是解決大型城市電網(wǎng)發(fā)展問(wèn)題的一個(gè)新思路。

圖1 城市電網(wǎng)分區(qū)柔性互聯(lián)示意圖

城市電網(wǎng)分區(qū)柔性互聯(lián)以后，一方面，分區(qū)間有功功率支援能緩解城市電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行所面臨的電力平衡和N-1故障后潮流過(guò)載的問(wèn)題;另一方面，分區(qū)發(fā)生故障的暫態(tài)過(guò)程中，互聯(lián)裝置兩端都能提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐電網(wǎng)電壓，平抑電壓波動(dòng)，為預(yù)防電壓穩(wěn)定提供了新手段。

由于分區(qū)柔性互聯(lián)裝置的容量大小決定了裝置造價(jià)，研究裝置定容方法是規(guī)劃階段的重要內(nèi)容。目前，有關(guān)城市電網(wǎng)分區(qū)互聯(lián)運(yùn)行方式下的研究已有較多進(jìn)展，但對(duì)于分區(qū)柔性互聯(lián)裝置的容量確定方法尚未見(jiàn)報(bào)道。本文首次研究了城市電網(wǎng)分區(qū)柔性互聯(lián)裝置的定容問(wèn)題，并在國(guó)內(nèi)首個(gè)示范工程方案論證中應(yīng)用。

二、分區(qū)柔性互聯(lián)裝置

分區(qū)柔性互聯(lián)裝置是指能在不增加短路電流的前提下實(shí)現(xiàn)分區(qū)間相互聯(lián)絡(luò)并能靈活控制聯(lián)絡(luò)間潮流的柔性電力電子裝置。由于柔性直流換流站占地相對(duì)較少，適合在城市電網(wǎng)中應(yīng)用，因此分區(qū)柔性互聯(lián)裝置也特指基于柔性直流技術(shù)的裝置。

分區(qū)柔性互聯(lián)裝置采用基于模塊化多電平換流器(MMC)的兩端背靠背結(jié)構(gòu)。MMC具有高度模塊化的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整子模塊數(shù)量可實(shí)現(xiàn)MMC系統(tǒng)的電壓和功率等級(jí)的靈活配置，便于系統(tǒng)擴(kuò)容，有利于縮短工程設(shè)計(jì)和加工周期;同時(shí)，MMC具有公共直流母線，這使得MMC結(jié)構(gòu)的分區(qū)柔性互聯(lián)裝置可以工作在高電壓大功率場(chǎng)合。

三、裝置容量與無(wú)功輸出

改變MMC輸出線電壓，就可以改變MMC與交流電網(wǎng)間等效電抗上的電壓，從而改變裝置注入電網(wǎng)的無(wú)功功率大小。由于MMC輸出線電壓幅值受到電壓調(diào)制比的約束，因此裝置無(wú)功輸出大小也受到相應(yīng)約束限制。

本文依據(jù)已有研究中MMC的功率運(yùn)行范圍進(jìn)一步推導(dǎo)得出容量和最大無(wú)功輸出的關(guān)系(圖2所示)，發(fā)現(xiàn)裝置容量和最大無(wú)功輸出呈分段線性關(guān)系，并存在兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)——無(wú)功輸出效率轉(zhuǎn)折點(diǎn)t和無(wú)功輸出起步點(diǎn)s。

圖2 容量和最大無(wú)功輸出關(guān)系Qmax-Sr曲線

通過(guò)對(duì)曲線參數(shù)進(jìn)行敏感性分析(圖3所示)，得到提高裝置無(wú)功輸出的方法：

1)適當(dāng)調(diào)節(jié)裝置兩端聯(lián)接變的變比k。

2)減小裝置與公共連接點(diǎn)PCC點(diǎn)間的等效電抗Xeq。圖3中隨著相關(guān)參數(shù)的減小，圖(a)中曲線①將逐次變化到曲線④，圖(b)中曲線前半段斜率逐漸增加。

圖3 參數(shù)對(duì)裝置無(wú)功輸出能力的影響

四、裝置的定容方法

由于分區(qū)柔性互聯(lián)裝置能夠?qū)Τ绷骱碗妷浩鸬娇焖俚恼{(diào)節(jié)作用，分區(qū)故障情況下應(yīng)能起到緊急有功支援和無(wú)功電壓支撐的作用，裝置的定容流程如下所示：

第1步：計(jì)算功率需求

1)有功需求

分區(qū)發(fā)生超過(guò)其安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)重故障(考慮N-x故障)，可能造成元件過(guò)載，此時(shí)有兩種方法改善潮流：①通過(guò)裝置本身的潮流調(diào)節(jié)作用，充分發(fā)揮分區(qū)間功率支援能力，增強(qiáng)電網(wǎng)安全性;②采用常規(guī)措施，開(kāi)啟有功缺額分區(qū)的備用電廠、采取開(kāi)關(guān)操作轉(zhuǎn)帶負(fù)荷甚至甩負(fù)荷。由于分區(qū)柔性互聯(lián)裝置調(diào)節(jié)功率遠(yuǎn)比開(kāi)啟備用電廠等常規(guī)方法快速且更經(jīng)濟(jì)，電網(wǎng)發(fā)生N-x故障后應(yīng)該優(yōu)先利用裝置進(jìn)行功率支援。

將電網(wǎng)故障下需要分區(qū)柔性互聯(lián)裝置支援的有功功率定義為分區(qū)對(duì)裝置的有功需求，采用基于靈敏度法的裝置有功支援算法進(jìn)行求解。

2)無(wú)功需求

分區(qū)發(fā)生暫態(tài)故障出現(xiàn)電壓失穩(wěn)時(shí)，可向故障分區(qū)快速補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無(wú)功功率以穩(wěn)定電壓，將需要的無(wú)功功率定義為分區(qū)對(duì)裝置的無(wú)功需求。由于暫態(tài)電壓穩(wěn)定需要觀察電壓的變化是否滿足電壓穩(wěn)定約束，通過(guò)暫態(tài)仿真得到。

第2步：求解裝置容量

首先，結(jié)合容量-無(wú)功輸出曲線得到兩分區(qū)無(wú)功需求分別對(duì)應(yīng)所需的換流站容量，并取有功需求和無(wú)功需求所需換流站容量中的最大值作為裝置的初步定容結(jié)果，該容量正好能滿足分區(qū)對(duì)裝置的有功需求和無(wú)功需求;然后，依據(jù)MMC的模塊化設(shè)計(jì)對(duì)定容結(jié)果進(jìn)行規(guī)范處理，MMC容量應(yīng)是其子模塊容量和的整數(shù)倍;最后，對(duì)定容結(jié)果取整并留一定裕量。

第3步：容量校驗(yàn)

在裝置容量確定以后，基于安全性的充分考慮，有必要對(duì)所得容量進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)分為以下4個(gè)方面。

1)有功需求校驗(yàn)

檢驗(yàn)裝置能夠控制支援的有功功率是否滿足互聯(lián)兩分區(qū)的有功需求。

2)動(dòng)態(tài)無(wú)功需求校驗(yàn)

檢驗(yàn)裝置能夠輸出的動(dòng)態(tài)無(wú)功是否滿足互聯(lián)兩分區(qū)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功的需求。由于裝置兩端換流站的設(shè)計(jì)可能不一樣，需分別計(jì)算兩端的動(dòng)態(tài)無(wú)功輸出范圍。

3)靜態(tài)無(wú)功輸出校驗(yàn)

計(jì)算裝置在聯(lián)接變檔位可調(diào)情況下的無(wú)功輸出范圍，以確定分區(qū)出現(xiàn)低電壓節(jié)點(diǎn)時(shí)裝置的靜態(tài)無(wú)功可調(diào)范圍，便于與電網(wǎng)已有無(wú)功補(bǔ)償裝置配合。

4)送端分區(qū)及聯(lián)絡(luò)線安全性校驗(yàn)

為了避免分區(qū)間的功率支援破壞送端分區(qū)安全性或?qū)е侣?lián)絡(luò)線過(guò)載，需要控制裝置輸出，計(jì)算得到①正常運(yùn)行的有功支援范圍;②N-1安全的有功支援范圍。

五、結(jié)語(yǔ)

本文提出了一套較完整的城市電網(wǎng)分區(qū)柔性互聯(lián)裝置的定容方法，并推導(dǎo)得到了基于柔性直流的分區(qū)互聯(lián)裝置的容量和最大無(wú)功輸出曲線。論文方法已應(yīng)用到北京220 kV柔性互聯(lián)工程的可行性論證中。城市電網(wǎng)分區(qū)柔性互聯(lián)會(huì)帶來(lái)很多新的課題，例如：城市電網(wǎng)多分區(qū)柔性互聯(lián)的規(guī)劃問(wèn)題、分區(qū)柔性互聯(lián)對(duì)電壓穩(wěn)定的影響等。