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我国电网正经历高速发展向高质量发展的重要阶段,为提高输电网稳定性和控制的灵活性,柔性直流输电(VSC-HVDC)技术应用愈发广泛,电压等级和输送容量不断提高,但仍存在以下问题:(1)弱交流电网自身稳定能力不足,柔性直流接入对弱交流电网稳定特性的影响机理及提高电网稳定性的控制措施研究不足;(2)交直流混联电网安全经济运行迫切要求有功功率控制更为灵活,但交流电网控制手段有限,提升电网稳态、暂态控制能力的柔性直流控制策略亟待进一步挖掘;(3)柔性直流与交流电网稳定运行相互约束及评估方法研究不足,某些情况下可能影响两者安全运行;(4)电网发展对柔性直流调控能力的需求十分迫切,但适用各典型应用场景的定量评价指标、标准化柔性直流配置方法尚有欠缺,限制了柔性直流的广泛应用。本文针对以上问题,以提高电网稳定性为目标,对柔性直流功率控制和接入电网策略开展了系列研究,主要工作归纳如下:
(1)针对弱交流电网抗故障扰动能力较差的问题,提出了提高弱交流电网稳定性的柔性直流控制策略。首先,搭建具备限幅模拟功能和交流故障穿越策略模拟功能的柔性直流机电暂态仿真模型;其次,针对故障扰动后呈现高阻抗特征的弱交流电网,揭示了大扰动冲击下交直流混联电网的失稳现象及其行为机理,提出了包括参数实时优化、施加摄动控制、有功功率紧急控制等的柔性直流有功功率灵活控制策略;然后,针对柔性直流两侧所连均为低惯量交流电网,提出了基于模块化多电平换流器的能量补偿控制策略,能量来源于MMC的桥臂电容,可短时解耦直流系统动态的能量联系,为本侧低惯量弱交流电网提供虚拟惯量的同时避免影响对侧交流电网的稳定。
(2)针对交流电网有功功率灵活调控的需求,提出了柔性直流有功功率控制策略。首先,提出了柔性直流有功功率稳态优化控制策略,在满足输电网安全稳定的基础上,通过引入二阶锥松弛算法达到潮流最优化,实现电网损耗最小,提高了电网抗故障扰动能力;其次,分析直流和新能源发电占比、电网功率缺额、负荷水平及旋转备用间的关系,基于最小二乘法拟合,提出了异步互联电网柔性直流与旋备备用协调配合控制策略,提高了频率稳定性;然后,综合以上控制策略,提出了包含正常方式稳态潮流优化、应对故障后元件过载的暂态功率控制、应对故障后电网有功功率缺额的暂态频率控制等功能的柔性直流有功功率综合控制策略,提高了电网运行的灵活性、安全性和经济性。
(3)针对柔性直流与接入电网稳定运行交互影响问题,提出了多种约束指标及评估方法。首先,提出了衡量电网供电和消纳能力的动态电压稳定裕度指标,充分计及常规和新能源机组、动态无功补偿、马达负荷等动态元件等影响,定位制约电网供电/消纳能力的薄弱环节,为柔性直流输送容量和换流站选址提供了定量评价指标;其次,针对部分柔性直流接入场景交流电网短路电流水平较高的情况,分析了柔性直流逆变侧在近区交流电网短路时向系统馈入电流的机理,提出了考虑柔性直流设备影响的交流系统短路电流量化评估方法;然后,分析了交流电网强度对柔性直流稳定运行的影响,提出了柔性直流接入交流电网安全稳定运行的临界短路比指标,确保柔性直流与有源弱交流电网稳定运行。
(4)针对我国交直流混联电网发展中出现的故障后潮流转移量过大、交流断面潮流分布不均导致输电能力受限以及多馈入直流易发生同时换相失败等问题,提出了多场景下柔性直流接入电网的配置方法。首先,针对分区电网互联场景,提出了考虑供电和消纳能力、短路电流、交流电网强度、输电走廊及系统稳定性等多目标约束的柔性直流选址定容方法及流程;其次,提出了柔性直流接入交流输电断面的配置方法,通过对线路负载率和故障后转移比分析,可最大化利用柔性直流提高交流断面整体输电能力;然后,提出了利用柔性直流接入增加常规直流逆变站间电气距离,降低交流故障引起常规直流同时换相失败风险的方法;最后,通过实际电网仿真分析验证了上述方法的有效性。
(1)针对弱交流电网抗故障扰动能力较差的问题,提出了提高弱交流电网稳定性的柔性直流控制策略。首先,搭建具备限幅模拟功能和交流故障穿越策略模拟功能的柔性直流机电暂态仿真模型;其次,针对故障扰动后呈现高阻抗特征的弱交流电网,揭示了大扰动冲击下交直流混联电网的失稳现象及其行为机理,提出了包括参数实时优化、施加摄动控制、有功功率紧急控制等的柔性直流有功功率灵活控制策略;然后,针对柔性直流两侧所连均为低惯量交流电网,提出了基于模块化多电平换流器的能量补偿控制策略,能量来源于MMC的桥臂电容,可短时解耦直流系统动态的能量联系,为本侧低惯量弱交流电网提供虚拟惯量的同时避免影响对侧交流电网的稳定。
(2)针对交流电网有功功率灵活调控的需求,提出了柔性直流有功功率控制策略。首先,提出了柔性直流有功功率稳态优化控制策略,在满足输电网安全稳定的基础上,通过引入二阶锥松弛算法达到潮流最优化,实现电网损耗最小,提高了电网抗故障扰动能力;其次,分析直流和新能源发电占比、电网功率缺额、负荷水平及旋转备用间的关系,基于最小二乘法拟合,提出了异步互联电网柔性直流与旋备备用协调配合控制策略,提高了频率稳定性;然后,综合以上控制策略,提出了包含正常方式稳态潮流优化、应对故障后元件过载的暂态功率控制、应对故障后电网有功功率缺额的暂态频率控制等功能的柔性直流有功功率综合控制策略,提高了电网运行的灵活性、安全性和经济性。
(3)针对柔性直流与接入电网稳定运行交互影响问题,提出了多种约束指标及评估方法。首先,提出了衡量电网供电和消纳能力的动态电压稳定裕度指标,充分计及常规和新能源机组、动态无功补偿、马达负荷等动态元件等影响,定位制约电网供电/消纳能力的薄弱环节,为柔性直流输送容量和换流站选址提供了定量评价指标;其次,针对部分柔性直流接入场景交流电网短路电流水平较高的情况,分析了柔性直流逆变侧在近区交流电网短路时向系统馈入电流的机理,提出了考虑柔性直流设备影响的交流系统短路电流量化评估方法;然后,分析了交流电网强度对柔性直流稳定运行的影响,提出了柔性直流接入交流电网安全稳定运行的临界短路比指标,确保柔性直流与有源弱交流电网稳定运行。
(4)针对我国交直流混联电网发展中出现的故障后潮流转移量过大、交流断面潮流分布不均导致输电能力受限以及多馈入直流易发生同时换相失败等问题,提出了多场景下柔性直流接入电网的配置方法。首先,针对分区电网互联场景,提出了考虑供电和消纳能力、短路电流、交流电网强度、输电走廊及系统稳定性等多目标约束的柔性直流选址定容方法及流程;其次,提出了柔性直流接入交流输电断面的配置方法,通过对线路负载率和故障后转移比分析,可最大化利用柔性直流提高交流断面整体输电能力;然后,提出了利用柔性直流接入增加常规直流逆变站间电气距离,降低交流故障引起常规直流同时换相失败风险的方法;最后,通过实际电网仿真分析验证了上述方法的有效性。