多端柔性直流接入对交流系统功角稳定性的影响

多端柔性直流接入对交流系统功角稳定性的影响

李雨轩程宁高炜

(国网山东省电力公司检修公司山东济南250118)

摘要：目前，环境与能源紧缺问题、要求能够经济环保地实现孤岛供电、可再生能源联网，并提高现有输电走廊的电能输送能力。传统的直流或交流输电技术无法很好地解决上述难题。柔性直流输电作为新一代直流输电技术，可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解，为输电方式变革和未来电网构建提供了崭新的解决方案。

关键字：多端柔性直流接入；交流系统功角；稳定性的影响

近年来，由于多端柔性直流输电在多个方面展现出了明显的优越性，众多学者对多端柔性直流电网(multiterminaldirectcurrentnetworkbasedonvoltagesourceconverter，VSC-MTDC)进行了研究，包括潮流计算、建模、控制和保护等。针对交直流混联系统的稳定性，目前的研究状况基本分为2类，一类是研究直流电网自身的稳定性问题，另一类是研究交直流混联系统整体的稳定性问题。直流电网的输入功率会改变交流系统中发电机的出力，故输入功率变化等效于发电机出力改变对交流系统小干扰功角稳定性的影响。此外，当直流电网的注入功率一定时，接入不同的地点会不同程度地改变原有交流系统的潮流分布，显然，如果其接入地点在平衡机附近，则注入功率会在较小的区域内被平衡机抵消，对潮流的影响范围较小，反之，则会引起较大的潮流变化，对交流系统产生较大的影响。

1LCC-HVDC直流输电技术的特点

上世纪五十年代，世界上第一代直流输电技术诞生，采用的是汞弧阀换流技术，到了七十年代，晶闸管换流阀开始在直流输电工程中得到应用，标志着第二代直流输电技术的诞生。传统电网换相高压直流输电(LineCommutatedConverterbasedHighVoltageDirectCurrent，LCC-HVDC)技术自问世以来已经过了60多年的发展，与传统的交流输电网络相比，LCC-HVDC具有下列优势:

(1)不存在稳定性问题，可在大功率系统中应用;

(2)电力电子器件响应快速，可以对有功功率实现灵活控制;

(3)输电线路损耗小，在远距离、大容量功率传输应用中有很高的经济性;

(4)可实现不同频率或非同步的区域性特大电网互联。

LCC-HVDC技术适用于电压等级高、传输容量大的远距离点对点输电，并在当今电力传输中发挥着巨大作用，但也存在无功消耗多、不易组网、逆变侧受交流电压影响较大易发生换相失败等缺点，在当今输配电网络越来越复杂、智能化程度越来越高的背景下，传统LCC-HVDC逐渐无法满足直流输电系统坚强、灵活、完全可控的要求。

2MMC-HVDC直流输电技术的特点

基于VSC-HVDC的技术特点，德国学者R.Marquardt等人首次提出了模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)。作为一种新型VSC换流器拓扑，MMC设计灵活，易于扩展，有着两电平VSC和NPC型三电平VSC不可比拟的优势。

与传统的VSC相比，MMC主要具备以下优势:

2.1可扩展性强，应用范围广

严格的模块化结构可缩短开发周期和延长使用周期。通过子模块级联的方式，能够提高换流器的功率与电压等级，不仅有利于容量升级，而且解决了电平数增加时控制电路软硬件实现难度大幅度上升的难题，拓宽了换流器的应用领域，使其既可运用于电力机车牵引和大功率电机拖动技术领域，也十分适用于柔性直流输电等场合。

2.2稳定可靠，运行效率高

通过较低的开关频率便可达到较高的输出频率，有效地降低了谐波含量，有利于减少开关损耗，提升系统运行效率。不必配置滤波器件对换流器直流侧实施滤波，避免了系统直流侧因短路故障引发的浪涌电流问题，增强了系统可靠性，减小了用地面积，缩减了系统建设成本。

2.3容错性能强

得益于模块化的结构，MMC表现出了良好的软硬件兼容性，子模块单元可替换性强，系统维护简单方便。对子模块单元的结构进行改进优化后，加设相关的开关器件便可完成冗余设计。实际运行中，当子模块单元出现故障时，通过控制电路切换到备用子模块，可确保换流器正常工作，实现系统平稳运行。

2.4可实现“黑启动”

由于设有公共直流母线，且MMC的直流侧储能容量较大，当出现故障时，直流侧不会发生大规模放电现象，使得公共直流母线的电压仍可维持在较高水平，可实现电压与电流的连续调节。这既有利于MMC的正常运行，也可缩短故障恢复时间，从而具备了较强的“黑启动”能力。

3交直流混联电电力系统稳定性分析方法的评价

时域仿真法和模式分析法仍然是目前研究中采用的主要方法，但为了能够清晰地分析系统内部的动态交互过程，解析其对交直流混联电力系统稳定性的影响机理，频域法也在不断的发展和改进。

3.1时域仿真法

时域仿真法的优点是能准确模拟系统变化动态，但缺点是耗时较长且不能提供量化分析结果。

3.2模式分析法

模式分析法也是一种准确的分析方法，适用于多输入多输出系统，能够给出在不同电网运行条件下的根轨迹，分析结果更加直观。传统的模式分析法是对系统整体建模，当电网复杂度增加时，庞大的建模过程和运算量将给研究带来很大困难，此外，模式分析法很难分析内部系统之间的动态交互过程，对于机理的探索贡献有限。

文献提出的分块建模法则有效的降低了传统模式分析法在建模上的维度灾难，提升了大规模复杂交直流混联电力系统的计算效率，是一种简化的精确建模方法。此外，分块建模法建立了子系统间的动态交互过程，如果能提出一种相应的方法去分析这种动态交互过程对系统稳定性的影响规律和机理，则实现了对传统模式法的改进，也解决了多输入多输出复杂混联系统中机理分析方法缺失的难题，这应是下一步重点攻克的理论方向。

3.3频域分析法

频域分析法是目前广泛应用于研究系统间动态过程、探索稳定性内在机理的主要方法，代表性的方法有Nyuist稳定判据和阻抗法。

Nyquist分析法是频率域内对稳定性分析最准确的一种方法之一，它能够准确地判定电网在所给运行条件下是否失稳，并分析其稳定裕量。但是准确的分析结果依赖于准确的模型建立，该方法的使用需要建立全部的交直流混联电力系统的线性化模型，当交流网或者直流网趋向于复杂时，可能难以满足“单输入单输出闭环系统”的基本要求，且其分析难度和运算量也将不断增大。

阻抗法是Nyquist分析法在建模和分析上的简化，以适应复杂系统的快速分析，体现在:阻抗法在建模时，仅需建立反馈环节的单输入输出模型，不必要建立全电网反馈模型，降低了计算量。在判定条件方面，阻抗法仅需要就反馈环节进行判定，降低了分析的复杂度。虽然阻抗法实现了计算和分析的快速性，但是降低了结果的准确度，所以阻抗法的分析结果可以在一定程度上反映电网稳定性随运行参数变化的趋势，但很难精准的判定在特定条件下电网是否会失稳。

总之，当直流电网接入交流系统时，首先会改变平衡机的出力，故输入功率变化等效于平衡机出力改变对交流系统小干扰功角稳定性的影响，这将直接影响到平衡机参与性较高的振荡模式。其次直流电网的接入地点会导致交流系统的潮流发生不同程度的变化，当其接入地点在平衡机附近时，注入功率会在较小的区域内被平衡机抵消，造成的潮流改变是较小的，此时其对交流系统小干扰功角稳定性的影响也是较小的。

参考文献：

[1]李庚银，吕鹏飞，李广凯，等.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].电力系统自动化，2003，27(4):77-81.

[2]徐政，陈海荣.电压源换流器型直流输电技术综述[J].高电压技术，2007，33(1):1-10.