【精彩论文】新型电力系统背景下西部送端直流电网及系统运行特性

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新型电力系统背景下西部送端直流电网及系统运行特性

李惠玲

（中国电力科学研究院有限公司，北京　100192）

摘要：新型电力系统背景下，未来中国面临着远距离、大容量西电东送的重大需求。基于柔性直流的团块状互联大型西部送端直流电网可以实现西部风、光、水、火等不同特性电源之间的互补调节，解决新能源出力的随机性和波动性问题。在研究直流电网的稳态模型、电磁暂态模型和协调控制策略的基础上，构建西部送端直流电网的仿真系统，分析西部送端直流电网的稳态运行特性和暂态运行特性，以及大规模新能源出力波动对直流电网运行的影响。结果表明，面对交直流故障扰动引起的新能源换流站功率变化以及天气原因引起的新能源出力波动，西部送端直流电网换流站之间可以进行功率协调，实现各类能源的紧急增援，降低扰动影响。因此，构建西部送端直流电网可以实现大规模新能源的远距离、安全稳定传输。

引文信息

李惠玲. 新型电力系统背景下西部送端直流电网及系统运行特性[J]. 中国电力, 2023, 56(8): 166-174.

LI Huiling. Sending-terminal dc power grid in western china and its operation characteristics in the context of new power system[J]. Electric Power, 2023, 56(8): 166-174.

引言中国西部蕴含着丰富的风、光、水、火等资源^[1-3]，而负荷中心则位于中东部地区、京津冀地区，以及珠三角等地区。为满足日益增长的用电需求，西电东送容量将保持增长态势。传统交流电网难以解决西部大规模风、光、水等可再生能源的汇集以及远距离传输等难题^[4-6]。直流电网具有较好的电力平衡特性，为构建新型电力系统提供了新的解决思路^[5-8]。随着直流电网核心装备及关键技术的发展，直流电网将在西部新能源外送中发挥重要作用^[9-18]。国内柔性直流电网目前仍处于理论研究和小规模工程示范阶段^[19-23]。已投运的±500 kV张北四端环形柔性直流电网工程^[19-21]实现了10 GW级风、光新能源的接入和外送，是世界上电压等级最高、输电容量最大、并网新能源最多的柔性直流电网工程。文献[19]基于张北柔性直流电网示范工程，分析了网络拓扑结构、主接线方式和设备配置方案，研究了直流电网低惯性弱阻尼特性，针对多电力电子设备协调配合难题和器件支撑能力不足的问题，提出了解决方案。文献[22]结合全球能源互联网中清洁能源并网和跨国电网互联特点，提出了直流电网在全球能源互联网中的定位及应用场景，并以中南半岛为例设计了直流电网构想方案。文献[23]选取新疆东部、青海南部等具有代表性新能源基地，提出了基于柔性直流技术的直流组网方案，并对所提直流系统建立了仿真模型，对系统的潮流分布及转移能力、故障穿越特性等进行了初步仿真分析。以上研究均针对小型直流电网，为大型直流电网的研究奠定了技术基础。西部送端直流电网规模大、新能源容量高，其系统运行特性和协调控制更为复杂，需要开展深入研究。

基于文献[2]对中国能源的远期预测结果，文献[24]提出了多种西部送端直流电网组网方案，并根据可靠性、经济性等指标确定了最优方案。本文在此基础上，继续深化直流电网模型及控制策略研究，并构建西部送端直流电网仿真系统，分析其稳态和暂态运行特性。西部送端大型直流电网的运行特性分析将有助于深入了解大型直流电网的运行机理，保障西电东送的安全运行。

1  西部送端直流电网1.1  直流电网结构本文计算目标年为2050年，研究边界条件见文献[24]。

依据西部送端电源特性和地理分布，本文构建了西部送端直流电网，网络结构见图1。西部送端直流电网包含119座直流换流站，其中火电电源23座、水电电源16座、风电电源23座、光伏电源9座、直流负荷48个。换流站额定功率均为10  GW，直流电压等级为±1000 kV。西部送端直流电网共划分为7个直流子网，直流子网间有通道相连。

图1  西部直流电网结构

Fig.1  DC grid structure of western China

1.2  直流组网技术西部送端直流电网主要面向汇集和输送大型新能源基地的能源，无常规的水电或火电联合打捆外送。由于没有常规电源提供短路电流，传统的电流源换流器直流输电（line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）无法稳定运行。近年来，基于电压源换流器技术的柔性直流输电（voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC）可与弱交流电网甚至无源网络互连，具有较强的电压和功率调控能力^[17-18]，适合用于构建直流电网。依托柔性直流输电技术，构建西部送端直流输电网，能够满足电力由西部向中东部地区远距离和大容量输送的重大需求^[5-6]。因此，本文采用基于VSC-HVDC的柔性直流技术进行西部送端直流组网。2  直流电网模型2.1  直流电网稳态模型

VSC换流站是直流电网重要组成设备，一般包括联结变压器、无功补偿、相阻抗、VSC换流器等，VSC换流站的稳态潮流模型如图2所示。

图2  VSC换流站潮流模型

Fig.2  Power flow model of VSC converter station

在进行潮流计算时，若VSC非平衡站采用定交流功率控制方式，给定的直流功率需要通过计算换流站交流部分得到。由VSC换流站模型可得式中：U_sys和I_sys为换流站的交流电压和注入电流；P_sys、Q_sys分别为交流系统向换流器输出的有功功率和无功功率；R_t、X_t分别为联结变压器的电阻和电抗；U_s、P_s、Q_s分别为联结变压器副边的交流电压、有功功率和无功功率； Q_f 为换流站无功补偿容量。进一步得到换流器侧的电压与功率分别为式中：为流经相阻抗的电流； R_c 、 X_c 分别为相阻抗的电阻和电抗；P_c、 Q_c 为换流器从交流系统侧吸收的有功功率和无功功率；U_c 为换流器输出的交流电压。最后，注入直流网络的有功功率为式中： P_d 为换流站注入直流网络的有功功率；k为换流站的换流器有功损耗率。2.2  直流电网电磁暂态模型

2.2.1  直流电网模型

本文直流电网电磁暂态模型共模拟了5类元件，包括换流器等效电流源、等效电容、直流线路RL串联支路、直流线路对地电容、故障短路支路。直流电网电磁暂态模型如图3所示。

图3  直流电网电磁暂态模型

Fig.3  Electromagnetic transient model of DC grid

2.2.2  换流器模型换流器等效电流源的电流值i_sci为注入直流电网的功率 P_di 与直流母线电压  U_di 之比，即换流器等效电容电磁模型为式中： C_eqi 为第i个换流站的等效电容。2.2.3  直流线路串联RL支路模型

将直流输电线路分解为RL串联支路和对地电容支路（见图4），并建立电磁暂态模型，其他元件的电磁暂态模型与直流输电线路类似。

图4  直流线路模型

Fig.4  Model of DC line

直流线路串联RL支路的电磁模型可表示为式中：R_l、L_l分别为直流输电线路的电阻、电感。直流线路对地电容电磁模型可表示为式中： C_l 为直流线路对地电容。2.2.4  直流线路短路支路模型

直流线路经过RL支路短路的模型如图5所示，故障点将原线路分割成2条，短路支路的模型和直流线路串联RL支路的模型相同。

图5  直流线路经RL支路短路的模型

Fig.5  Model of short circuit of DC line through RL branch

2.3  直流电网协调控制2.3.1  直流子网-网内协调控制换流器控制系统是直流电网控制的执行者，直流子网控制策略需要考虑多个换流站之间的直流电压协调稳定，非常复杂。直流电网系统控制方式主要包括主从控制、电压下垂控制、主从式裕度控制和自适应控制。1）主从控制。主从控制是指柔性直流输电系统中只有一个换流站控制直流电压恒定，其余换流站通过控制有功进行功率分配。2）电压下垂控制。电压下垂控制实质上是定直流电压控制和定有功功率控制的结合。当系统有功功率出现不平衡时，直流电压会发生变化，各个换流器根据自身的下垂系数进行功率调节，平衡系统有功功率，使系统稳定运行。当任一换流站故障退出运行时，其余换流站仍具有独立控制功率和稳定直流电压的能力。3）主从式裕度控制。主从式裕度控制指主（从）站设置一定裕量的恒定电流（电压）控制。当定直流电压控制端切出时，系统有功功率发生缺额，直流电压变化，直流电压裕度小的即优先级高的定功率控制端将会切换成新的定直流电压控制端，平衡功率变化，达到新的稳定。4）自适应控制。自适应控制方式下，各换流器负责自己的功率目标，没有换流器负责系统的电压。与交流系统的发电机出力和负荷自动调节类似，采用自适应控制的换流器不能准确定义功率的传输点，只能设定电压-电流特性曲线，每一个换流器都需要给定一个负荷参考点。2.3.2  直流电网网间协调控制

西部直流电网将多个换流站并入同一电网运行，实现其灵活调控、协调运行，发挥其功率汇集、转运、外送功能优势，高度依赖直流电网的控制系统，需面向各级控制构建多层级协调控制系统。多层级协调控制系统共包括3个层级，功能架构如图6所示。各层级主要功能如下。

图6  西部直流电网多层级协调控制体系架构

Fig.6  Architecture of multi-level coordinated control system in western sending DC grid

1）换流站本站控制。控制电压源换流器与交流电网的有功、无功、直流侧电压等。2）直流子网网内协调控制。协调子网各换流站，合理分配送电功率或负荷；优化子网内部潮流分布；改善子网受扰动态响应特性；执行局部交直流协调控制。

3）直流子网网间协调控制。实现统计各子网外送需求与送电能力；优化分配子网互济容量，提升外送通道利用效率，实现风、光、水、火多源广域互济；子网间联络线潮流控制；全网拓扑结构分析与潮流优化控制；子网故障的紧急支援控制；严重受扰子网的阻隔控制（解列联络线）。

3  西部送端直流电网系统运行特性西部送端直流电网换流站多，输送容量大，且新能源电源出力间歇性强，运行复杂，协调控制非常困难。基于在ADPSS仿真系统开发的直流电网仿真模型，本文搭建了西部送端直流电网的仿真系统。西部送端直流电网网内控制系统中，火电和水电等有源换流站交流侧采用定无功、定有功控制，直流侧采用电压下垂控制；连接风电和光伏等新能源基地的换流站交流侧采用定电压、定频率控制，直流侧采用电压下垂控制。3.1  稳态运行特性

本文针对西部送端直流电网北电南送方式进行研究。稳态运行直流母线电压如图7所示。由图7可以看出，西部送端直流电网母线电压均运行在额定电压附近，最高电压1009.6  kV，最低电压999.1 kV，平均电压1003.4 kV，满足直流电网电压运行要求。

图7  直流母线电压

Fig.7  DC bus voltages

直流子网通过重要直流通道互联，西部送端直流电网共包含5个重要断面通道，各断面通道支路组成及断面通道功率如表1所示。由表1可以看出，断面1和断面5交换功率较大，其中断面1功率达到10920  MW，断面5次之，约为7208 MW。南北互济断面共包含7条直流线路，潮流北电南送方式下，断面交换功率为504 MW。

表1  直流电网断面功率

Table 1  Interface power flow of DC grid

北电南送方式下，西部直流电网内潮流较重的直流线路有：XJ8—XJ12（10920 MW）、NM15—NM16（9739 MW）、XZ01—XZ04（9140 MW）、XJ1—XJ8（8456 MW），均未超过导线热稳极限。其中，XJ8—XJ12为直流子网间传输通道，潮流输送较大。对于潮流传输较重的直流通道，可架设多回直流线路，减轻单回线路的输送压力。南电北送方式下，南部电网大量功率可穿越南北互济断面支援北部电网，南北互济断面交换总功率为46289 MW。通过南北互济方式，可实现区域能源的灵活调度，减轻新能源季节性波动引起的区域电力紧张。3.2  暂态运行特性由于直流电网内部惯性远小于交流电网的机械惯性，直流电网易受交直流电网故障及以及新能源出力波动而发生变化。从交流电网故障、直流电网故障和新能源出力波动这3类典型扰动角度，分析西部送端直流电网的暂态运行特性。3.2.1  交流电网故障

交流电网故障是常见的直流网外故障，故障扰动将直接快速传递到与之相连的换流站，并影响近区局部直流电网的运行。以XJ3换流站送端交流电网短路故障为例，分析交流电网故障对直流电网的影响。XJ3换流站上送交流网络结构如图8所示，故障近区系统动态响应过程如图9所示。

图8  XJ3 换流站上送交流网络结构 

Fig.8  AC power grid topology of XJ3 converter station

图9  交流故障西部直流电网动态响应特性 

Fig.9  Dynamic response characteristics of western DC grid under AC short circuit fault

0.1 s时，XJ3G—XJ3S交流线路发生三永N–1故障，XJ3换流站交流电压跌落，换流阀有功输出也快速下跌。由于交流网内有功输出受阻，XJ3交流电网频率最高上升到50.06 Hz。受故障影响，故障点近区直流母线电压下降，对于采用电压下垂控制的换流站，直流电压上升，同时换流阀有功输出增加，以弥补故障点所在换流站的上送功率损失。0.2 s时XJ3G—XJ3S交流故障线路切除，XJ3换流站交流母线电压和直流母线电压恢复，近区直流母线电压和换流阀输出功率也随之恢复正常。因此，交流线路XJ3G—XJ3S发生三永N–1短路故障，西部送端交直流电网均可保持稳定运行。3.2.2  直流电网故障

单极短路故障是直流网内典型故障，由于直流电网阻抗较小，故障将迅速在直流网内传导。以XJ3—XJ4直流单极短路故障为例分析该类故障下交直流系统的交互影响。故障后交直流电网动态响应特性如图10所示。0.1  s故障发生，直流网内短路电流激增，直流线路保护动作快速开断故障极线路。潮流大量转移至XJ4—XJ5—XJ6，XJ5—XJ6潮流增加至7572 MW。受直流故障影响，和该直流电网相连的换流站交流母线电压亦发生不同程度的跌落，导致各交流电网上送功率受阻，引起交流电网频率升高。其中，离故障点最近的XJ04交流电网频率最高上升到50.28 Hz，稳态频率恢复到50.07 Hz，满足交流电网系统频率要求。因此，直流线路XJ3—XJ4发生单极短路故障，若直流保护快速动作，西部送端交直流电网均可保持稳定运行。

图10  直流故障西部直流电网动态响应特性

Fig.10  Dynamic response characteristics of western DC grid under monopole short circuit fault

3.2.3  新能源出力波动受自然因素影响，新能源机组出力极易发生波动。对于接入直流电网的大型新能源基地，出力波动将传导到直流电网，由控制系统协调，网内换流站共同承担功率波动。以西部直流电网中XJ4换流站为例，分析新能源波动时直流电网换流站间的功率协调。

XJ4为风电换流站，XJ2、XJ3为火电换流站。假设XJ4下接风场风速从1 s开始发生渐变，风电出力逐渐减弱，在6.5 s时达到最小值8078 MW；6.5 s后，风速逐渐增强，风电恢复正常出力，风电出力变化如图11所示。

图11  风电波动曲线

Fig.11  Wind power fluctuation curve

风电出力变化过程中，直流电网换流站功率、交流母线电压及直流母线电压如图12所示。

图12  风电波动直流电网动态响应特性

Fig.12  Dynamic response characteristics of western DC grid under wind power fluctuation

正常运行时，XJ4换流站交流母线电压0.9958 p.u.，有功功率9900 MW。由图12  a）可以看出，1.0~6.5 s风速逐渐下降，XJ4风电基地外送功率逐步降低，XJ4换流站有功功率最低下降到7850 MW。风电出力减小过程中，XJ4交流电网无功消耗减少，再加上换流站功率降低，盈余无功流向交流电网，引起XJ4换流站交流母线电压上升，最高达0.997 p.u.，见图12  b）。XJ2和XJ3换流站采用电压下垂控制方式，直流电压分别下降到1.0223 p.u.和1.0233 p.u.，见图12  c）；XJ2和XJ3换流站有功功率调制分别提升到10040 MW和10060 MW，以补偿XJ4风电产生的功率缺额，见图12  a）。

因此，通过直流电网的协调控制，换流站间可以实现功率互动，降低新能源出力波动的不利影响。

4  结论在新型电力系统背景下，未来中国面临着电力由西部向中东部地区远距离和大容量输送的重大需求。面对此需求，本文提出了基于柔性直流的西部送端直流电网结构，将地域相邻的风、光、火大型能源基地互连，形成局部多能源直流子网，利用直流线路连接各直流子网，实现风、光、水、火等不同特性电源之间的互补调节，解决新能源出力的随机性和波动性问题。西部送端直流电网稳态运行特性表明，远端能源基地可以通过直流子网进行能源远距离和大容量的安全传输。典型的交、直流电网故障扰动表明：基于VSC-HVDC技术的西部直流电网，在交流电网发生严重故障，引起新能源上送换流站功率下降后，换流站间可以进行功率协调，降低大扰动引起的功率缺额；在直流电网发生严重故障后，由于直流输电通道功率可以双向传输，换流站间可以协调控制实现功率的紧急转移和增援。在面对新能源出力波动时，直流电网亦可发挥其协调特长，平抑整个直流电网的功率波动。随着直流电网和仿真技术的发展，需要建立更加完整和精细的直流设备和保护控制等模型，如潮流控制器、DC/DC变换器、短路电流控制器；针对制约直流电网运行的关键问题开展深入研究，如大规模新能源并网引起的宽频振荡问题，以获得更加全面深入的直流电网系统运行特性。

（责任编辑　李博）

作者介绍

李惠玲（1978—），女，通信作者，高级工程师，从事电力系统分析与控制、多能互补协调控制技术研究，E-mail：[e-mail]

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