城市電網分區(qū)柔性互聯裝置的定容方法

一、研究背景

目前大型城市電網受制于短路容量的限制和500 kV/220 kV電磁環(huán)網的安全隱患，一般采取220 kV電壓等級分區(qū)運行模式。如圖1所示，采用柔性電力電子裝置可以實現分區(qū)間的柔性互聯，是解決大型城市電網發(fā)展問題的一個新思路。

圖1 城市電網分區(qū)柔性互聯示意圖

城市電網分區(qū)柔性互聯以后，一方面，分區(qū)間有功功率支援能緩解城市電網分區(qū)運行所面臨的電力平衡和N-1故障后潮流過載的問題;另一方面，分區(qū)發(fā)生故障的暫態(tài)過程中，互聯裝置兩端都能提供動態(tài)無功支撐電網電壓，平抑電壓波動，為預防電壓穩(wěn)定提供了新手段。

由于分區(qū)柔性互聯裝置的容量大小決定了裝置造價，研究裝置定容方法是規(guī)劃階段的重要內容。目前，有關城市電網分區(qū)互聯運行方式下的研究已有較多進展，但對于分區(qū)柔性互聯裝置的容量確定方法尚未見報道。本文首次研究了城市電網分區(qū)柔性互聯裝置的定容問題，并在國內首個示范工程方案論證中應用。

二、分區(qū)柔性互聯裝置

分區(qū)柔性互聯裝置是指能在不增加短路電流的前提下實現分區(qū)間相互聯絡并能靈活控制聯絡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較少，適合在城市電網中應用，因此分區(qū)柔性互聯裝置也特指基于柔性直流技術的裝置。

分區(qū)柔性互聯裝置采用基于模塊化多電平換流器(MMC)的兩端背靠背結構。MMC具有高度模塊化的特點，通過調整子模塊數量可實現MMC系統(tǒng)的電壓和功率等級的靈活配置，便于系統(tǒng)擴容，有利于縮短工程設計和加工周期;同時，MMC具有公共直流母線，這使得MMC結構的分區(qū)柔性互聯裝置可以工作在高電壓大功率場合。

三、裝置容量與無功輸出

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

本文依據已有研究中MMC的功率運行范圍進一步推導得出容量和最大無功輸出的關系(圖2所示)，發(fā)現裝置容量和最大無功輸出呈分段線性關系，并存在兩個關鍵點——無功輸出效率轉折點t和無功輸出起步點s。

圖2 容量和最大無功輸出關系Qmax-Sr曲線

通過對曲線參數進行敏感性分析(圖3所示)，得到提高裝置無功輸出的方法：

1)適當調節(jié)裝置兩端聯接變的變比k。

2)減小裝置與公共連接點PCC點間的等效電抗Xeq。圖3中隨著相關參數的減小，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 參數對裝置無功輸出能力的影響

四、裝置的定容方法

由于分區(qū)柔性互聯裝置能夠對潮流和電壓起到快速的調節(jié)作用，分區(qū)故障情況下應能起到緊急有功支援和無功電壓支撐的作用，裝置的定容流程如下所示：

第1步：計算功率需求

1)有功需求

分區(qū)發(fā)生超過其安全設計標準的嚴重故障(考慮N-x故障)，可能造成元件過載，此時有兩種方法改善潮流：①通過裝置本身的潮流調節(jié)作用，充分發(fā)揮分區(qū)間功率支援能力，增強電網安全性;②采用常規(guī)措施，開啟有功缺額分區(qū)的備用電廠、采取開關操作轉帶負荷甚至甩負荷。由于分區(qū)柔性互聯裝置調節(jié)功率遠比開啟備用電廠等常規(guī)方法快速且更經濟，電網發(fā)生N-x故障后應該優(yōu)先利用裝置進行功率支援。

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

2)無功需求

分區(qū)發(fā)生暫態(tài)故障出現電壓失穩(wěn)時，可向故障分區(qū)快速補償動態(tài)無功功率以穩(wěn)定電壓，將需要的無功功率定義為分區(qū)對裝置的無功需求。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，通過暫態(tài)仿真得到。

第2步：求解裝置容量

首先，結合容量-無功輸出曲線得到兩分區(qū)無功需求分別對應所需的換流站容量，并取有功需求和無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果，該容量正好能滿足分區(qū)對裝置的有功需求和無功需求;然后，依據MMC的模塊化設計對定容結果進行規(guī)范處理，MMC容量應是其子模塊容量和的整數倍;最后，對定容結果取整并留一定裕量。

第3步：容量校驗

在裝置容量確定以后，基于安全性的充分考慮，有必要對所得容量進行校驗。校驗分為以下4個方面。

1)有功需求校驗

檢驗裝置能夠控制支援的有功功率是否滿足互聯兩分區(qū)的有功需求。

2)動態(tài)無功需求校驗

檢驗裝置能夠輸出的動態(tài)無功是否滿足互聯兩分區(qū)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性對動態(tài)無功的需求。由于裝置兩端換流站的設計可能不一樣，需分別計算兩端的動態(tài)無功輸出范圍。

3)靜態(tài)無功輸出校驗

計算裝置在聯接變檔位可調情況下的無功輸出范圍，以確定分區(qū)出現低電壓節(jié)點時裝置的靜態(tài)無功可調范圍，便于與電網已有無功補償裝置配合。

4)送端分區(qū)及聯絡線安全性校驗

為了避免分區(qū)間的功率支援破壞送端分區(qū)安全性或導致聯絡線過載，需要控制裝置輸出，計算得到①正常運行的有功支援范圍;②N-1安全的有功支援范圍。

五、結語

本文提出了一套較完整的城市電網分區(qū)柔性互聯裝置的定容方法，并推導得到了基于柔性直流的分區(qū)互聯裝置的容量和最大無功輸出曲線。論文方法已應用到北京220 kV柔性互聯工程的可行性論證中。城市電網分區(qū)柔性互聯會帶來很多新的課題，例如：城市電網多分區(qū)柔性互聯的規(guī)劃問題、分區(qū)柔性互聯對電壓穩(wěn)定的影響等。