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MMC柔直换流站稳态无功能力研究

王炳辉 黄天啸 吴涛 谢欢 李长宇 陈瑞

王炳辉, 黄天啸, 吴涛, 谢欢, 李长宇, 陈瑞. MMC柔直换流站稳态无功能力研究[J]. 现代电力, 2021, 38(2): 164-170. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
引用本文: 王炳辉, 黄天啸, 吴涛, 谢欢, 李长宇, 陈瑞. MMC柔直换流站稳态无功能力研究[J]. 现代电力, 2021, 38(2): 164-170. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
Binghui WANG, Tianxiao HUANG, Tao WU, Huan XIE, Changyu LI, Rui CHEN. Research on Steady-state Reactive Power Capacity of Flexible MMC-HVDC Converter Station[J]. Modern Electric Power, 2021, 38(2): 164-170. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
Citation: Binghui WANG, Tianxiao HUANG, Tao WU, Huan XIE, Changyu LI, Rui CHEN. Research on Steady-state Reactive Power Capacity of Flexible MMC-HVDC Converter Station[J]. Modern Electric Power, 2021, 38(2): 164-170. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282

MMC柔直换流站稳态无功能力研究

doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFB0900502);华北电力科学研究院有限责任公司科技项目(KJZ2020069)
详细信息
    作者简介:

    王炳辉(1990),男,硕士,工程师,研究方向为电力系统网源协调,柔性直流输电,E-mail:hbwzztx@163.com

    黄天啸(1986),男,硕士,高级工程师,研究方向为电力系统继电保护,柔性直流输电,E-mail:huangtianxiao04@163.com

    吴涛(1968),男,博士,教授级高工,主要研究方向为电力系统稳定分析,E-mail:wutao@jibei.sgcc.com.cn

    谢欢(1979),男,博士,教授级高工,主要研究方向为电力系统稳定分析,高压直流输电,E-mail:xiehuan@jibei.sgcc.com.cn

    李长宇(1978),女,硕士,高级工程师,主要研究方向为自动电压控制,电力系统稳定分析,E-mail:lichangyu@jibei.sgcc.com.cn

    陈瑞(1989),男,硕士,工程师,主要研究方向为电力系统继电保护,柔性直流输电,Email:chenrui@jibei.sgcc.com.cn

  • 中图分类号: TM 73

Research on Steady-state Reactive Power Capacity of Flexible MMC-HVDC Converter Station

Funds: National Key Research and Development Program of China(2016YFB0900502); Scientific Program of North China Electric Power Research Institute Co. Ltd(KJZ2020069)
  • 摘要: 模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)能够实现无功功率的独立控制和快速调节,MMC柔直换流站可以作为一种厂站级调节资源,提升电力系统无功区域优化水平。为此,针对MMC柔直换流站无功调节能力展开研究。首先,基于典型单端MMC柔直换流站拓扑建立数学模型;其次,分析影响柔直换流站无功能力的设备能力限制和系统运行状态2大类影响因素,提出联结变压器额定容量、联结变压器阀侧耐过电流水平和电压调制比3个约束条件,并推导了无功能力的计算步骤;最后,以张北±500 kV四端柔直电网工程为例,阐述了其在不同有功负荷、直流电压、并网点电压等稳态运行工况下的无功能力和对应的主要约束条件,为柔直工程无功电压控制策略设计和无功安全裕度控制提供了依据。
  • 图  1  单端MMC柔直换流站和交流系统连接的等效电路

    Figure  1.  Equivalent circuit of single-terminal flexible MMC-HVDC converter station connected with HVAC system

    图  2  MMC典型拓扑示意图

    Figure  2.  Typical topologic diagram of MMC

    图  3  MMC柔直换流站无功调节能力计算流程图

    Figure  3.  Flow chart calculating reactive power regulation capability of flexible MMC-HVDC converter station

    图  4  张北±500 kV四端柔直电网工程示意图

    Figure  4.  Sketch map of Zhangbei ±500 kV four-terminal flexible HVDC power grid project

    表  1  丰宁换流站计算参数

    Table  1.   Calculating parameters of Fengning converter station

    参数数值
    PN/MW1500
    STN/(MV·A)1700
    联结变压器电压比525/290.88
    L0/mH100
    XT/pu0.15
    Udc额定值/kV500
    Udc_min/kV485
    Udc_max/kV535
    Upcc额定值/kV525
    Upcc_min/kV500
    Upcc_max/kV550
    IvN/kA1.688
    IdcN/kA1.65
    Iarm_max/kA1.2
    mmin0.85
    mmax1.05
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    表  2  典型有功负荷工况下丰宁换流站无功能力及约束因素

    Table  2.   Reactive power regulation capability of Fengning converter station under typical active load operating condition and constraint factors.

    P/MWUpcc/kVQ/(MV·A)S/(MV·A)Iv/kAm
    150050061016181.6870.981
    51573016681.6871.017
    52580017001.6871.040
    535−800 17001.6560.902
    550−800 17001.6100.930
    1200500108816191.6871.026
    515109616251.6441.050
    52593815231.5121.050
    535−1204 17001.6550.859
    550−1204 17001.6100.888
    300500138614181.4781.050
    515116412021.2161.050
    525100210441.0381.050
    535−1216 12521.2200.850
    550−1536 15641.4830.850
    0500139213921.4511.050
    515116611661.1801.050
    525100610060.99841.050
    535−1212 12121.1800.850
    550−1532 15321.4510.850
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    表  3  典型并网点电压工况下丰宁换流站无功能力

    Table  3.   Reactive power regulation capability of Fengning converter station under the operating condition of typical voltage at grid connecting point

    Upcc/kV无功能力
    Udc=485 kV时Udc=500 kV时Udc=515 kV时Udc=535 kV时
    500610610610610
    510690690690690
    525580800800800
    530−800 −800 −800 −627
    550−800 −800 −800 −800
    下载: 导出CSV
  • [1] 徐政, 薛英林, 张哲任. 大容量架空线柔性直流输电关键技术及前景展望[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(29): 5051−5062.

    XU Zheng, XUE Linying, Zhang Zheren. VSC-HVDC technology suitable for bulk power overhead line transmission[J]. Proceeding of the CSEE, 2014, 34(29): 5051−5062(in Chinese).
    [2] 杨晓峰, 林智钦, 郑琼林, 等. 模块组合多电平变换器的研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(6): 1−14.

    YANG Xiaofeng, LIN Zhiqin, ZHENG Trillion, et al. A review of modular multievel converters[J]. Proceeding of the CSEE, 2013, 33(6): 1−14(in Chinese).
    [3] 汤广福, 贺之洲, 庞辉. 柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 3−14. doi:  10.7500/AEPS20130224003

    TANG Guangfu, HE Zhizhou, PANG Hui. Research application and development of VSC-HVDC engineer-ingtechnology[J]. Automation of Electric Power Sys-tems, 2013, 37(15): 3−14(in Chinese). doi:  10.7500/AEPS20130224003
    [4] ALYAMI H, MOHAMED Y. Review and development of MMC employed in VSC-HVDC systems[J]. 2017 IEEE 30th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE). Windsor: IEEE, 2017: 1-6.
    [5] 宋平岗, 罗剑, 游小辉, 等. 基于MMC的多端柔性直流输电系统控制策略研究[J]. 现代电力, 2017, 34(1): 55−61. doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2017.01.009

    SONG Pinggang, LUO Jian, YOU Xiaohui, et al. Re-search on control strategy of multi-terminal HVDC based on MMC[J]. Modern Electric Power, 2017, 34(1): 55−61(in Chinese). doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2017.01.009
    [6] 李国庆, 董博, 陈继开, 等. 一种交直流混联双端MMC运行状态评价新方法[J]. 现代电力, 2017, 34(2): 50−54. doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2017.02.008

    LI Guoqing, DONG Bo, CHEN Jikai, et al. A new evaluation method of operation state for hybrid AC/DC double-ended MMC system[J]. Modern Electric Power, 2017, 34(2): 50−54(in Chinese). doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2017.02.008
    [7] 李翠萍, 余芳芳, 李军徽, 等. 基于MMC的多端高压直流输电系统研究综述[J]. 现代电力, 2017, 34(1): 62−66. doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2017.01.010

    LI Cuiping, YU Fangfang, LI Junhui, et al. Review of multi-terminal HVDC transmission system based on modular multilevel converter[J]. Modern Electric Power, 2017, 34(1): 62−66(in Chinese). doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2017.01.010
    [8] 屠卿瑞, 陈志光, 曾耿晖, 等. 模块化多电平换流器稳态功率运行范围的确定方法[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(10): 131−137. doi:  10.7500/AEPS20140325018

    TU Qingrui, CHEN Zhiguang, ZENGGenghui, et al. A method of determining steady-state power operation range for modular multilevel converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(10): 131−137(in Chinese). doi:  10.7500/AEPS20140325018
    [9] 刘莹, 吴林林, 徐曼, 等. 考虑新能源集群孤网接入的柔直换流站稳态运行区间研究[J]. 华北电力技术, 2017, 6: 8−13.

    LIU Ying, WU Linlin, XU Man, et al. Study on steady-state operation region of VSC-HVDC converter station connectingnew energy cluster by isolated net-work[J]. North China Electric Power, 2017, 6: 8−13(in Chinese).
    [10] 张静, 孙维真, 费建平, 等. MMC-HVDC的稳态运行范围研究[J]. 电力建设, 2015, 36(3): 1−6. doi:  10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.001

    ZHANG Jing, SUN Weizhen, FEI Jianping, et al. Steady-state operation range of MMC-HVDC[J]. Elec-tric Power Construction, 2015, 36(3): 1−6(in Chinese). doi:  10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.001
    [11] 何俊佳, 袁召, 赵文婷, 等.直流断路器技术发展综述[J]. 南方电网技术, 2015, 9(2):9−14

    HE Junjia, YUAN zhao, ZHAO Wenting, et al. Review of DC circuit breaker technology development[J]. South Power System Technology, 2015, 9(2):9−14(in Chinese).
    [12] 马尚, 王毅. 模块化多电平换流器电容电压均衡控制策略研究[J]. 现代电力, 2015, 32(2): 50−55. doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2015.02.008

    MA Shang, WANG Yi. Research on strategy of capac-itor voltage balancing of modular multilevel convert-er[J]. Modern Electric Power, 2015, 32(2): 50−55(in Chinese). doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2015.02.008
    [13] 罗程, 赵成勇, 张宝顺, 等. 基于MMC的柔性直流输电站级控制器的设计及其动模实验[J]. 现代电力, 2015, 32(2): 64−69. doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2015.02.010

    LUO Cheng, ZHAO Chengyong, ZHANG Baoshun, et al. The design of station controller of flexible HVDC based on MMC and its dynamic simulation experiment[J]. Modern Electric Power, 2015, 32(2): 64−69(in Chinese). doi:  10.3969/j.issn.1007-2322.2015.02.010
    [14] 李国庆, 辛业春, 吴学光. 模块化多电平换流器桥臂电流分析及其环流抑制方法[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(24): 62−66. doi:  10.7500/AEPS20140319011

    LI Guoqing, XIN Yechun, WU Xueguang. Arm Current Analysis of Modular Multilevel Converter and Its Cir-culating Current Suppressing Method[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(24): 62−66(in Chinese). doi:  10.7500/AEPS20140319011
    [15] 徐政. 柔性直流输电系统[M]. 2版. 机械工业出版社, 2017.
  • [1] 刘云.  巴西高压直流输电运行情况及启示 . 现代电力, 2021, 38(1): 32-40. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2021.0373
    [2] 张虹, 孔冠荀, 杨杨, 葛得初, 代宝鑫.  柔性直流输电系统显式模型预测低复杂度控制技术 . 现代电力, 2020, 37(1): 90-97. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0232
    [3] 陈继开, 曾强, 李林, 贾肖华, 辛业春, 李国庆.  基于虚拟同步发电机的MMC受端换流器控制策略 . 现代电力, 2020, 37(4): 408-415. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0998
    [4] 冯智博, 辛业春, 李国庆.  基于改进时域法的多端MMC-HVDC故障电流计算 . 现代电力, 2020, 37(6): 575-583. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.1044
    [5] 张迪, 辛业春, 李国庆, 王威儒, 江守其.  基于RT-LAB的模块化多电平换流器半实物仿真平台设计 . 现代电力, 2019, 36(4): 57-64.
    [6] 叶有名, 朱清代, 滕予非, 焦在滨, 李小鹏.  基于特高压直流输电无功调制的直流近区交流过电压优化控制策略 . 现代电力, 2018, 35(6): 25-32.
    [7] 徐东旭, 刘崇茹, 郑伟, 王洁聪, 凌博文, 钱康.  一种基于载波移相调制的模块化多电平换流器冗余策略 . 现代电力, 2018, 35(6): 62-70.
    [8] 李越, 刘崇茹, 赵云灏, 拾杨.  两种可适用于分层接入的特高压直流输电控制系统 . 现代电力, 2017, 34(5): 1-6.
    [9] 宋平岗, 罗 剑, 游小辉, 吴继珍, 章 伟.  基于MMC的多端柔性直流输电系统控制策略研究 . 现代电力, 2017, 34(1): 55-61.
    [10] 李翠萍, 余芳芳, 李军徽, 丛海洋.  基于MMC的多端高压直流输电系统研究综述 . 现代电力, 2017, 34(1): 62-68.
    [11] 薛花, 李杨, 王育飞, 邓兴成.  大功率模块化多电平并网变流器无源性PI控制方法 . 现代电力, 2017, 34(5): 44-50.
    [12] 杜佳豹, 辛业春.  模块化多电平换流器电容电压均衡混合预测控制 . 现代电力, 2017, 34(5): 38-43.
    [13] 张立奎, 张英敏, 苗 淼.  多端柔性直流输电系统协调控制策略 . 现代电力, 2016, 33(1): 1-7.
    [14] 张立奎, 张英敏, 李兴源, 李保宏.  柔性直流附加鲁棒阻尼控制器设计 . 现代电力, 2015, 32(2): 70-75.
    [15] 罗程, 赵成勇, 张宝顺, 倪晓军, 翟晓萌, 郭春义.  基于MMC的柔性直流输电站级控制器的设计及其动模实验 . 现代电力, 2015, 32(2): 64-69.
    [16] 郑华, 高芬.  统一潮流控制器潮流模型及功率调节能力分析 . 现代电力, 2015, 32(2): 43-49.
    [17] 马尚, 王毅.  模块化多电平换流器电容电压均衡控制策略研究 . 现代电力, 2015, 32(2): 50-55.
    [18] 郭捷, 胡鹏飞, 周月宾, 林志勇.  具有储能功能的模块化多电平换流器的控制方法 . 现代电力, 2015, 32(5): 73-78.
    [19] 吕金历, 王毅, 王纯, 付媛.  多端柔性直流输电系统的直流电压优化控制策略 . 现代电力, 2014, 31(6): 15-21.
    [20] 孔圣立, 王君亮, 寇晓, 郭 磊, 石 光.  750MW换流站高压晶闸管换流阀低压加压试验分析 . 现代电力, 2011, 28(1): 24-27.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-06
  • 网络出版日期:  2021-04-09
  • 刊出日期:  2021-04-10

MMC柔直换流站稳态无功能力研究

doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2016YFB0900502);华北电力科学研究院有限责任公司科技项目(KJZ2020069)
    作者简介:

    王炳辉(1990),男,硕士,工程师,研究方向为电力系统网源协调,柔性直流输电,E-mail:hbwzztx@163.com

    黄天啸(1986),男,硕士,高级工程师,研究方向为电力系统继电保护,柔性直流输电,E-mail:huangtianxiao04@163.com

    吴涛(1968),男,博士,教授级高工,主要研究方向为电力系统稳定分析,E-mail:wutao@jibei.sgcc.com.cn

    谢欢(1979),男,博士,教授级高工,主要研究方向为电力系统稳定分析,高压直流输电,E-mail:xiehuan@jibei.sgcc.com.cn

    李长宇(1978),女,硕士,高级工程师,主要研究方向为自动电压控制,电力系统稳定分析,E-mail:lichangyu@jibei.sgcc.com.cn

    陈瑞(1989),男,硕士,工程师,主要研究方向为电力系统继电保护,柔性直流输电,Email:chenrui@jibei.sgcc.com.cn

  • 中图分类号: TM 73

摘要: 模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)能够实现无功功率的独立控制和快速调节,MMC柔直换流站可以作为一种厂站级调节资源,提升电力系统无功区域优化水平。为此,针对MMC柔直换流站无功调节能力展开研究。首先,基于典型单端MMC柔直换流站拓扑建立数学模型;其次,分析影响柔直换流站无功能力的设备能力限制和系统运行状态2大类影响因素,提出联结变压器额定容量、联结变压器阀侧耐过电流水平和电压调制比3个约束条件,并推导了无功能力的计算步骤;最后,以张北±500 kV四端柔直电网工程为例,阐述了其在不同有功负荷、直流电压、并网点电压等稳态运行工况下的无功能力和对应的主要约束条件,为柔直工程无功电压控制策略设计和无功安全裕度控制提供了依据。

English Abstract

王炳辉, 黄天啸, 吴涛, 谢欢, 李长宇, 陈瑞. MMC柔直换流站稳态无功能力研究[J]. 现代电力, 2021, 38(2): 164-170. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
引用本文: 王炳辉, 黄天啸, 吴涛, 谢欢, 李长宇, 陈瑞. MMC柔直换流站稳态无功能力研究[J]. 现代电力, 2021, 38(2): 164-170. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
Binghui WANG, Tianxiao HUANG, Tao WU, Huan XIE, Changyu LI, Rui CHEN. Research on Steady-state Reactive Power Capacity of Flexible MMC-HVDC Converter Station[J]. Modern Electric Power, 2021, 38(2): 164-170. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
Citation: Binghui WANG, Tianxiao HUANG, Tao WU, Huan XIE, Changyu LI, Rui CHEN. Research on Steady-state Reactive Power Capacity of Flexible MMC-HVDC Converter Station[J]. Modern Electric Power, 2021, 38(2): 164-170. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0282
    • 随着柔性直流输电技术的快速发展,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)以控制方式灵活、谐波含量低、可快速独立解耦四象限调节有功功率和无功功率的优势在可再生能源并网、多端跨区电网等应用场景受到了青睐[1-7]。我国已成功建成上海南汇两端、广东南澳三端、浙江舟山五端等多个采用MMC的柔直工程,并正在建设采用真双极MMC结构的张北±500kV四端柔直电网工程。从电力系统稳定运行角度出发,当MMC与联结变压器、桥臂电抗器等一次设备构成柔直换流站并与交流电网连接时,不仅需要重视其有功负荷,还应关注其无功能力。事实上,鉴于MMC可迅速独立调节无功输出,MMC柔直换流站已经成为电力系统中一种潜在的厂站级自动电压控制(automatic voltage control, AVC)资源。当近区交流电网发生无功电压调节需求时,如果MMC柔直换流站能够快速调节无功参与AVC,将有利于避免无功功率的长距离或多级传输,实现无功功率的分层分区和就地平衡,提高电网电压稳定运行水平和网源协调管理水平。因此,MMC柔直换流站的无功能力对于电力系统的无功区域优化和安全裕度控制显得尤为重要。

      目前关于柔直换流器或换流站无功输出的研究多围绕P-Q稳态运行范围展开。文献[8]分析了稳态工况下MMC的P-Q图与电气向量图之间的映射关系,并指出MMC内部电动势大小是限制无功输出的主要因素;文献[9]分析了新能源集群孤岛接入场景下电压源换流器 (voltage source converter,VSC) 柔直换流站的稳态运行区间,并分析了联结变压器分接头位置、柔直交流电压设定值、新能源集群与送端换流站之间等效阻抗的影响;文献[10]分析了交流系统短路比、联结变压器容量以及无功补偿装置对MMC-HVDC稳态运行范围的影响。上述文献从系统运行状态或换流器自身角度分析了VSC柔直换流站或MMC的稳态运行区间,但均未针对MMC柔直换流站的无功能力及潜在的限制条件作专题细致地探讨。

      从参与AVC角度看,MMC柔直换流站可以作为一种厂站级调节资源,提升电力系统无功区域优化水平。因此,本文针对MMC柔直换流站无功能力展开研究并分析潜在约束条件,为柔直AVC策略计算和无功安全裕度控制提供参考。

    • 单端MMC柔直换流站主电路由直流断路器、MMC、桥臂电抗器、联结变压器等一次设备构成,其与交流系统连接的方式见如图1

      图  1  单端MMC柔直换流站和交流系统连接的等效电路

      Figure 1.  Equivalent circuit of single-terminal flexible MMC-HVDC converter station connected with HVAC system

      图1中:PCC点为MMC柔直换流站与交流系统的公共连接点;V点为联结变压器阀侧(低压侧),点为MMC交流出口;Us为交流系统等效电源电压;Upcc为并网点电压;Uv为联结变压器阀侧电压;Udiff为MMC输出的交流电压(即上下桥臂的差模电压);Udc为直流侧电压;Zs为交流系统等效阻抗;XT为联结变压器基波漏抗;L0为MMC桥臂电感;ipcc为联结变压器网侧(高压侧)电流;iv为联结变压器阀侧电流;iarm为桥臂电流;Idc为直流电流。

      设MMC柔直换流站有功功率、无功功率及视在功率分别为PQS,方向以换流站流向交流系统为正(即P>0、Q>0分别表示柔直换流站向交流系统发出有功功率、无功功率)。将图1中各电气量统一用标幺值表示且归算到联结变压器网侧,并将电路中各元件视为理想元件忽略损耗,则有:

      $$ \left\{ \begin{array}{l}\dot {S}{\rm{=}}P{\rm{+j}}Q\\ {\dot {i}}_{\rm{v}}={\dot {i}}_{\rm{pcc}}={(\dot {S}/{\dot {U}}_{\rm{pcc}})}^{\rm{*}}\\ {\dot {U}}_{\rm{pcc}}={\dot {U}}_{\rm{s}}+{\dot {i}}_{\rm{pcc}}{Z}_{\rm{s}}\\ {\dot {U}}_{\rm{diff}}={\dot {U}}_{\rm{pcc}}+{\rm{j(}}{X}_{\rm{T}}+\omega {L}_{0}/2{\rm{)}}\dot {i}_{\rm{pcc}}\\ {I}_{\rm{dc}}=P/{U}_{\rm{dc}}\end{array} \right.$$ (1)
    • 图1及公式(1)可知,MMC柔直换流站无功能力的限制因素可分为设备能力和系统运行状态两大类。其中设备能力限制因素包括联结变压器的额定容量和耐过电流能力,直流断路器的耐过电流能力和MMC的耐过电流能力;系统运行状态限制则要求在柔直换流站有功负荷、直流电压、电压调制比、联结变压器分接头位置、并网点电压等方面不超过工程允许的稳态运行范围。

    • 柔直换流站的视在功率与无功输出、有功负荷之间的关系为

      $$ S=\sqrt{P^{2}+Q^{2}} $$ (2)

      稳态运行时要求柔直换流站视在功率S不超过联结变压器的额定容量STN,于是有:

      $$ \sqrt{P^{2}+Q^{2}} \leqslant S_{\mathrm{TN}} $$ (3)

      因此联结变压器的额定容量决定了柔直换流站无功能力的上限。

      另外,稳态运行时联结变压器不能过流,有

      $$ I_{\mathrm{v}} \leqslant I_{\mathrm{vN}} $$ (4)

      式中IvIvN分别为联结变压器阀侧电流的有效值和额定值。

    • 直流断路器一般包含晶闸管或绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)等电力电子元器件[11],而电力电子元器件的耐过电流能力较差。稳态运行时流过直流断路器的电流(即直流电流Idc)不能超过其额定值$I_{\mathrm{dcN}}$,即

      $$ I_{\mathrm{dc}} \leqslant I_{\mathrm{dcN}} $$ (5)
    • MMC的桥臂由多个相同的子模块组成,各子模块包含的IGBT和电容器等电力电子元器件[12-13]不具备过流能力,因此要求桥臂电流不大于最大持续运行电流Iarm_max(Iarm_max根据工程实际考虑)。MMC的典型拓扑如图2所示。

      图  2  MMC典型拓扑示意图

      Figure 2.  Typical topologic diagram of MMC

      图2可知,理想情况下MMC桥臂电流有效值Iarm与联结变压器阀侧电流有效值Iv和直流电流Idc的关系[14]可表示为

      $$ I_{\mathrm{arm}}=\sqrt{\left(I_{\mathrm{dc}} /3\right)^{2}+\left(I_{\mathrm{v}} /2\right)^{2}} $$ (6)

      因此稳态运行时,有:

      $$ \sqrt{\left(I_{\mathrm{dc}} /3\right)^{2}+\left(I_{\mathrm{v}} /2\right)^{2}} \leqslant I_{\mathrm{arm}\_ \max } $$ (7)

      由于柔直换流站稳态运行时公式(5)必定成立,因此当公式(4)也成立时,公式(7)将自动成立。于是,在公式(4)所示的联结变压器耐过电流能力约束、公式(5)所示的直流断路器耐过电流能力约束和公式(7)所示的MMC耐过电流能力约束中,只需考虑联结变压器的耐过电流能力约束即可。

    • 由公式(3)可知,当联结变压器额定容量一定时,柔直换流站有功负荷大小将间接反映其无功能力的裕度。有功负荷越大,无功能力就相对越小,反之则越大。

      工程上柔直换流站有功负荷P稳态运行范围一般不超过MMC额定功率PN,于是P应满足:

      $$ -P_{\mathrm{N}} \leqslant P \leqslant P_{\mathrm{N}} $$ (8)
    • 直流电压稳定是柔直电网稳定运行的标志,是MMC自身是否正常运行的体现,间接影响柔直换流站的无功能力。直流电压运行范围一般根据工程实际考虑,应不超过稳态运行允许的最大值Udc_max和最小值Udc_min,即

      $$ {U_{{\rm{dc\_min}}}} \leqslant {U_{{\rm{dc}}}} \leqslant {U_{{\rm{dc\_max}}}} $$ (9)
    • 电压调制比m是对控制MMC子模块工作状态的调制波的参考量。正常工况下调制波电压(即差模电压)保持正弦波形输出控制上下桥臂子模块的投入和退出,如果电压调制比过大或者过小,会导致调制波波形削顶,进而引发控制紊乱。因此,电压调制比是制约柔直换流站无功能力的重要因素。

      电压调制比的基本定义是差模电压的基波幅值Udiffm与直流电压一半的比值[15],即

      $$m = \frac{{{U_{{\rm{diffm}}}}}}{{{U_{{\rm{dc}}}}/2}}$$ (10)

      工程上一般要求MMC稳态运行时电压调制比在[mmin,mmax]之间,于是有:

      $${m_{\min }} \leqslant \frac{{{U_{{\rm{diffm}}}}}}{{{U_{{\rm{dc}}}}/2}} \leqslant {m_{\max }}$$ (11)
    • 联结变压器分接头影响并网点交流电压Upcc水平,当变压器分接头上移,变压器变比增加,等效于Upcc升高,反之变压器分接头下移时等效于Upcc降低。Upcc反映了对柔直换流站无功的需求,理论上当Upcc偏离稳态运行值越多,柔直换流站发出或者吸收的无功也应越多。由公式(1)可知,Upcc会影响差模电压Udiff,进而影响电压调制比。因此,联结变压器分接头位置及并网点交流电压水平对柔直换流站无功能力的影响最终均体现在电压调制比约束上。

      Upcc稳态运行范围一般结合工程实际考虑,不超过允许的最大值Upcc_max和最小值Upcc_min,即

      $$ U_{\mathrm{pcc}\_ \min } \leqslant U_{\mathrm{pcc}} \leqslant U_{\mathrm{pcc}\_ \max } $$ (12)

      综上所述,MMC柔直换流站无功能力与反映系统运行状态的换流站有功负荷、直流电压、并网点交流电压有关,并受联结变压器额定容量、联结变压器的耐过电流水平和电压调制比约束。

    • 考虑到上述3个约束均可能成为影响柔直换流站无功能力的最终限制条件,因此由公式(1)无法得出关于柔直换流站无功能力的显性数学解析表达式,可根据具体工况迭代进行计算,具体步骤如下:设置Q初始值为0,在给定PUdc工况下模拟Upcc在公式(12)所示的稳态运行范围内变化,若根据公式(1)计算得到的Q同时满足公式(3)联结变压器额定容量约束、公式(4)联结变压器阀侧电流约束和公式(11)电压调制比约束,则按步长调整Q初始值再次带入公式(1)计算,直至上述3个约束任意一个不满足时结束计算,此时的Q即为该工况下柔直换流站的无功能力。按照工程允许稳态运行范围遍历公式(8)、(9)中PUdc的所有工况,迭代计算即可得到对应工况下的柔直换流站无功能力。具体计算流程如图3所示。

      图  3  MMC柔直换流站无功调节能力计算流程图

      Figure 3.  Flow chart calculating reactive power regulation capability of flexible MMC-HVDC converter station

    • 张北±500 kV四端柔直电网工程(以下简称张北柔直工程)是世界上首个具有网络特性的柔性直流电网工程,包含张北、康保、丰宁和北京4个换流站,各换流站均采用真双极MMC结构。其中,丰宁换流站为张北柔直电网的调节端,近区建有抽蓄机组,可能涉及较多的无功电压协调问题。因此以丰宁换流站为例,对其无功能力进行仿真计算分析。张北柔直工程示意图如图4所示。

      图  4  张北±500 kV四端柔直电网工程示意图

      Figure 4.  Sketch map of Zhangbei ±500 kV four-terminal flexible HVDC power grid project

      依据张北柔直工程设计,丰宁换流站直流电压稳定运行范围为485~535 kV,并网点电压稳定运行范围为500~550 kV,计算过程中采用的相关参数见表1

      表 1  丰宁换流站计算参数

      Table 1.  Calculating parameters of Fengning converter station

      参数数值
      PN/MW1500
      STN/(MV·A)1700
      联结变压器电压比525/290.88
      L0/mH100
      XT/pu0.15
      Udc额定值/kV500
      Udc_min/kV485
      Udc_max/kV535
      Upcc额定值/kV525
      Upcc_min/kV500
      Upcc_max/kV550
      IvN/kA1.688
      IdcN/kA1.65
      Iarm_max/kA1.2
      mmin0.85
      mmax1.05
    • 假设丰宁换流站采用定直流电压控制方式且直流电压为额定值,针对不同有功负荷工况,计算得到并网点电压Upcc变化时该换流站的无功能力如表2所示。

      表 2  典型有功负荷工况下丰宁换流站无功能力及约束因素

      Table 2.  Reactive power regulation capability of Fengning converter station under typical active load operating condition and constraint factors.

      P/MWUpcc/kVQ/(MV·A)S/(MV·A)Iv/kAm
      150050061016181.6870.981
      51573016681.6871.017
      52580017001.6871.040
      535−800 17001.6560.902
      550−800 17001.6100.930
      1200500108816191.6871.026
      515109616251.6441.050
      52593815231.5121.050
      535−1204 17001.6550.859
      550−1204 17001.6100.888
      300500138614181.4781.050
      515116412021.2161.050
      525100210441.0381.050
      535−1216 12521.2200.850
      550−1536 15641.4830.850
      0500139213921.4511.050
      515116611661.1801.050
      525100610060.99841.050
      535−1212 12121.1800.850
      550−1532 15321.4510.850

      表2可知,当Upcc不超过额定电压525 kV时,在相同Upcc电压水平下,丰宁换流站发出无功的能力随着有功负荷的减小而增加,但逐步受限于联结变压器阀侧电流约束和电压调制比上限约束。前者是因为换流站有功负荷较大时,无功输出将导致视在功率S增加,结合公式(1)可知,S增加且Upcc低于额定运行电压将使得联结变压器阀侧电流iv增大,进而成为换流站无功能力的主要约束因素;后者是因为换流站有功负荷较低时,无功输出增加提升了并网点电压Upcc和差模电压Udiff,最终使得电压调制比m的上限成为了限制换流站无功能力的约束因素。

      Upcc大于额定电压525 kV时,在相同Upcc电压水平下,丰宁换流站吸收无功的能力随着有功负荷的减小而增加,但逐步受限于联结变压器额定容量约束和电压调制比下限约束。前者是因为换流站有功负荷较大时,其吸收无功将导致视在功率S增加,由于此时Upcc高于额定运行电压而使得联结变压器阀侧电流iv不会过流,因此换流站无功能力始终受制于联结变压器的额定容量;后者是因为换流站有功负荷较低时,由于吸收无功,使得差模电压Udiff降低,最终使得电压调制比m的下限成为了限制换流站无功能力的约束因素。

    • 假设丰宁换流站采用定有功功率控制方式且有功负荷为额定有功,针对不同直流电压工况,计算得到并网点电压Upcc变化时该换流站的无功能力如表3所示。

      表 3  典型并网点电压工况下丰宁换流站无功能力

      Table 3.  Reactive power regulation capability of Fengning converter station under the operating condition of typical voltage at grid connecting point

      Upcc/kV无功能力
      Udc=485 kV时Udc=500 kV时Udc=515 kV时Udc=535 kV时
      500610610610610
      510690690690690
      525580800800800
      530−800 −800 −800 −627
      550−800 −800 −800 −800

      表3可知,额定有功负荷工况下,丰宁换流站的无功能力在一定范围内基本不受稳态直流电压Udc变化的影响;但当Udc过低和过高时,换流站发出无功和吸收无功的能力会分别受到限制。例如,当Udc为485 kV时,丰宁换流站发出无功的能力会随着Upcc的增加而降低,这是由于Upcc增加且Udc偏低导致电压调制比达到了上限1.05;当Udc为535 kV时,丰宁换流站吸收无功的能力会随着Upcc的减小而降低,这是由于Upcc减小且Udc偏高导致电压调制比达到了下限0.85。

    • 本文针对MMC柔直换流站无功能力展开研究,结果表明:

      1)稳态运行工况下,柔直换流站发出无功的能力随着有功负荷减小而增加,并逐步受限于联结变压器阀侧电流约束和电压调制比上限约束;吸收无功的能力也随着有功负荷减小而增加,但逐步受限于联结变压器额定容量约束和电压调制比下限约束。

      2)额定有功负荷工况下,柔直换流站无功能力在直流电压过低或过高时,会因为受制于电压调制比约束而降低。

参考文献 (15)

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