城市电网分区柔性互联装置的定容方法

一、研究背景

目前大型城市电网受制于短路容量的限制和500 kV/220 kV电磁环网的安全隐患，一般采取220 kV电压等级分区运行模式。如图1所示，采用柔性电力电子装置可以实现分区间的柔性互联，是解决大型城市电网发展问题的一个新思路。

图1 城市电网分区柔性互联示意图

城市电网分区柔性互联以后，一方面，分区间有功功率支援能缓解城市电网分区运行所面临的电力平衡和N-1故障后潮流过载的问题;另一方面，分区发生故障的暂态过程中，互联装置两端都能提供动态无功支撑电网电压，平抑电压波动，为预防电压稳定提供了新手段。

由于分区柔性互联装置的容量大小决定了装置造价，研究装置定容方法是规划阶段的重要内容。目前，有关城市电网分区互联运行方式下的研究已有较多进展，但对于分区柔性互联装置的容量确定方法尚未见报道。本文首次研究了城市电网分区柔性互联装置的定容问题，并在国内首个示范工程方案论证中应用。

二、分区柔性互联装置

分区柔性互联装置是指能在不增加短路电流的前提下实现分区间相互联络并能灵活控制联络间潮流的柔性电力电子装置。由于柔性直流换流站占地相对较少，适合在城市电网中应用，因此分区柔性互联装置也特指基于柔性直流技术的装置。

分区柔性互联装置采用基于模块化多电平换流器(MMC)的两端背靠背结构。MMC具有高度模块化的特点，通过调整子模块数量可实现MMC系统的电压和功率等级的灵活配置，便于系统扩容，有利于缩短工程设计和加工周期;同时，MMC具有公共直流母线，这使得MMC结构的分区柔性互联装置可以工作在高电压大功率场合。

三、装置容量与无功输出

改变MMC输出线电压，就可以改变MMC与交流电网间等效电抗上的电压，从而改变装置注入电网的无功功率大小。由于MMC输出线电压幅值受到电压调制比的约束，因此装置无功输出大小也受到相应约束限制。

本文依据已有研究中MMC的功率运行范围进一步推导得出容量和最大无功输出的关系(图2所示)，发现装置容量和最大无功输出呈分段线性关系，并存在两个关键点——无功输出效率转折点t和无功输出起步点s。

图2 容量和最大无功输出关系Qmax-Sr曲线

通过对曲线参数进行敏感性分析(图3所示)，得到提高装置无功输出的方法：

1)适当调节装置两端联接变的变比k。

2)减小装置与公共连接点PCC点间的等效电抗Xeq。图3中随着相关参数的减小，图(a)中曲线①将逐次变化到曲线④，图(b)中曲线前半段斜率逐渐增加。

图3 参数对装置无功输出能力的影响

四、装置的定容方法

由于分区柔性互联装置能够对潮流和电压起到快速的调节作用，分区故障情况下应能起到紧急有功支援和无功电压支撑的作用，装置的定容流程如下所示：

第1步：计算功率需求

1)有功需求

分区发生超过其安全设计标准的严重故障(考虑N-x故障)，可能造成元件过载，此时有两种方法改善潮流：①通过装置本身的潮流调节作用，充分发挥分区间功率支援能力，增强电网安全性;②采用常规措施，开启有功缺额分区的备用电厂、采取开关操作转带负荷甚至甩负荷。由于分区柔性互联装置调节功率远比开启备用电厂等常规方法快速且更经济，电网发生N-x故障后应该优先利用装置进行功率支援。

将电网故障下需要分区柔性互联装置支援的有功功率定义为分区对装置的有功需求，采用基于灵敏度法的装置有功支援算法进行求解。

2)无功需求

分区发生暂态故障出现电压失稳时，可向故障分区快速补偿动态无功功率以稳定电压，将需要的无功功率定义为分区对装置的无功需求。由于暂态电压稳定需要观察电压的变化是否满足电压稳定约束，通过暂态仿真得到。

第2步：求解装置容量

首先，结合容量-无功输出曲线得到两分区无功需求分别对应所需的换流站容量，并取有功需求和无功需求所需换流站容量中的最大值作为装置的初步定容结果，该容量正好能满足分区对装置的有功需求和无功需求;然后，依据MMC的模块化设计对定容结果进行规范处理，MMC容量应是其子模块容量和的整数倍;最后，对定容结果取整并留一定裕量。

第3步：容量校验

在装置容量确定以后，基于安全性的充分考虑，有必要对所得容量进行校验。校验分为以下4个方面。

1)有功需求校验

检验装置能够控制支援的有功功率是否满足互联两分区的有功需求。

2)动态无功需求校验

检验装置能够输出的动态无功是否满足互联两分区暂态电压稳定性对动态无功的需求。由于装置两端换流站的设计可能不一样，需分别计算两端的动态无功输出范围。

3)静态无功输出校验

计算装置在联接变档位可调情况下的无功输出范围，以确定分区出现低电压节点时装置的静态无功可调范围，便于与电网已有无功补偿装置配合。

4)送端分区及联络线安全性校验

为了避免分区间的功率支援破坏送端分区安全性或导致联络线过载，需要控制装置输出，计算得到①正常运行的有功支援范围;②N-1安全的有功支援范围。

五、结语

本文提出了一套较完整的城市电网分区柔性互联装置的定容方法，并推导得到了基于柔性直流的分区互联装置的容量和最大无功输出曲线。论文方法已应用到北京220 kV柔性互联工程的可行性论证中。城市电网分区柔性互联会带来很多新的课题，例如：城市电网多分区柔性互联的规划问题、分区柔性互联对电压稳定的影响等。