适应城市电网的多端柔性直流输电可行性分析及仿真研究

马洲俊1,2,王勇2,吴峻恒2,许洪华2,刘飞2  

(1.河海大学能源与电气学院,江苏省 南京市 210098;2.国网江苏省电力有限公司南京供电公司,江苏省 南京市 210019)

摘要

城市电网规模庞大复杂且核心城区负荷密度急剧攀升,为提升城市电网电力输送能力,基于城市电网中长期负荷增长模式与预测技术,从电压等级选择、城市电网供电方式分析及交直流输电方式比较等综合分析城市电网多端柔性直流输电的可行性。通过比较多端柔性直流输电与传统交流输电在城市电网供电应用上的利弊,提出适应于城市电网的交直流协调控制策略,研究多端柔性直流输电系统的优化运行。最后以南京电网为例,进行南京电网交直流混合系统建模和多端柔性直流输电仿真,研究多端柔性直流输电与城市电网的交互影响,提出适应典型城市电网多端柔性直流输电的应用构想。

关键词 : 中长期负荷;多端柔性直流输电;交直流混合建模;可行性分析;交互影响

基金项目:江苏省电力有限公司青年科技项目“基于大数据的主动配电网运行监测与故障诊断技术研究与应用”(J2017074)。

0 引言

城市电网作为电力系统的重要负荷中心,是各级电压等级的城市供电系统的总称[1],充足的电力供应是保证其安全可靠运行的前提条件。随着城市电网尤其是核心区负荷快速增长,优质可靠的电能供给正面临越来越大的困难和挑战。“重发轻供不管用”的传统倾向使得电网网络建设长期滞后于电源建设。此外,节能减排和环保问题使得原本位于负荷核心的小火电大量关停,致使城市核心区域电力供需关系失衡。

土地资源及关键节点短路电流超标的限制,导致城市电网核心区供电能力不足,城市核心区电网的“卡脖子”现象时有发生,严重威胁着城市电网的安全稳定运行[2-4]。因此,急需以城市电网的负荷增长特征与负荷预测结果为依据,结合新的柔性交直流输电模式,增加供电的灵活性、可靠性。多端柔性直流输电相比于传统输电模式具有诸多优点[2-5]:①多端柔性直流输电走廊可直接采用已有的传统地下输电走廊直接铺设,模块化紧凑型的换流站设计更是大大节约了土地成本和建设资金;②大幅度提高单位输电走廊的电力输送能力;③大量采用全控型器件,实现了系统有功和无功的快速解耦和独立控制,极大提升了电网控制的灵活性。因此,多端柔性直流输电技术在城市电网核心地区的电力输送中具有很好的技术优势和应用前景,但目前仅仅在大型光伏和风电等新能源与大电网的互联以及孤岛电网供电等工程中试点运行,还没有直接在城市电网中进行有效应用[2-3]

本文从中长期电网规划尺度研究城市不同层次、区域的中长期负荷增长模式,并建立相应的负荷增长模型。在确定典型城市的柔性直流电压等级后,分析了柔性直流输电可行性、建设成本以及环境人文影响三大类指标。对比分析交流输电及柔性直流输电在城市核心电网供电上的优劣,提出与城市电网核心区供电相适应的多端柔性直流输电协调控制策略,多层次、多角度、全方位、立体化地解决城市核心区域的电力供应问题。最后进行南京电网交直流混合系统建模和多端柔性直流输电仿真,研究多端柔性直流输电与城市电网的交互影响。

1 城市核心区负荷增长模式与建模

1.1 城市电网核心区的分层分区

在对城市电网进行分层、分区时,为了充分把握各电压等级、各区域的负荷变化规律,并考虑各种因素的影响并应用于负荷预测,对于城市核心区可以考虑采用如下的分层、分区原则进行处理[6-8]

1)以电压等级对城市电网进行分层。正常运行时多个110 kV片区之间没有电气连接,共同接入一个220 kV变电站下,因此220 kV网络下的负荷特点往往可直接反映一个供电区域的实际负荷特性;对于220 kV网络,500 kV网络特性可描述成一种“电源特性”,其反映的是城市电网供需之间的差额特性,并不直接反映城市电网的负荷特点。因此,在对城市电网核心区进行分层时,可以考虑分为500 kV以及220 kV两层,而110 kV及以下网络可以归算到220 kV网络。

2)对于城市核心区,采用以行政区域划分为主,以电气连接进行微调的区域划分模式;对于非城市电网核心区,由于不需要对其负荷特性细致把握,因此采用以电气连接为主,兼顾行政区域的区域划分模式。

1.2 中长期负荷增长模式和增长模型

根据对我国城市核心区负荷统计数据来看,核心区中长期负荷确定性地逐年增长,同时又不确定性地受经济、社会、气候等因素影响而波动,因此适合采用灰色预测模型[7-9]

在电力系统负荷预测中最常用的灰色预测模型是GM(1,1)模型,在多变量中长期负荷预测过程中,为了兼顾负荷所受的多因素影响和模型的简洁及准确性,采用MGM(1,N)模型,通过建立多状态模型求解具有N个行为序列的复杂的系统,克服了传统GM(1,1)模型无法进行有效预测的缺陷[8-9]

在MGM(1,N)模型中[7],设X1(0)为系统行为序列,i=2,3,…,N)为相关因素序列,的1-AGO序列(i=2,3,…,N),称作n元一阶常微分方程组:

上述微分方程组即为MGM(1,N)模型。令可得连续时间相应的函数和离散化的MGM(1,N)模型的解,根据最小二乘原理,可辨识得到参数AB

2 多端柔性直流输电可行性分析

2.1 柔性直流电压等级选择

柔性直流输电系统直流侧功率为:

式中PdcUdcIdc 分别为柔性直流输电系统直流侧有功功率、直流电压及直流电流。

通过式(2)可以看出,柔性直流系统的输送容量跟直流电压以及直流电流密切相关[10-11],实际工程中,通常先根据实际工程的需要确定直流系统的输送容量,再根据输送容量确定系统的电压等级。

基于实际工程经验通过两步法确定系统的直流电压:①参考经验公式计算确定直流电压范围;②拟合世界各国已投运或正在施工的柔性直流输电工程的输送容量与输电电压间的关系函数,通过统计分析方法确定合适的直流电压。

将世界各国已投运或正在施工的柔性直流输电工程的输送容量与输电电压间的关系做出散点图,并用趋势线拟合绘制成统计曲线,如图1所示,柔性直流工程额定输送容量y(MW)与电压等级x(kV)之间的关系可以拟合为:

图1 柔性直流电压等级和额定容量之间的散点图和统计曲线
Fig.1 Scatter diagram and statistical curve between the flexible HVDC voltage level and the nominal capacity

2.2 多端柔性直流输电与传统交流输电对比评价

城市核心区负荷增长需求可以通过多种供电方式满足,传统的供电方式主要包括交流架空线输电和交流电缆输电。柔性直流输电作为一种新兴的输电方式,需对其输电能力、建设成本、环境影响等方面进行梳理,评价体系包括3类:输电能力提升、经济性以及环境人文因素。输电能力提升包括输送容量、线路损耗以及电压损耗;建设成本主要包括线路成本、换流站(变电站)成本等;环境人文因素包括电磁场干扰、无线电干扰以及可听噪声[10-12]。通过分析可知,柔性直流输电在输电能力提升方面相对于传统交流输电方式有显著提高,其线损与电压损耗更小,对环境更加友好。但是相对于传统交流供电方式,柔性直流输电在经济性上存在一定劣势,其造价主要集中在换流站部分。具体结果见表1[10-13]

表1 多端柔性直流输电与传统交流输电对比评价表
Table 1 Comparison between multi-terminal flexible HVDC transmission and conventional AC transmission

3 适应于城市电网的多端柔性直流输电协调控制

多端柔性直流系统中通过在至少一个换流站控制系统直流电压,保障基于电压源型换流器的多端直流输电系统(voltage sourced converter based multiterminal direct current, VSC-MTDC)的有功功率的平衡和直流电压的稳定[14]。否则,若整个系统的直流电压控制站交流侧发生故障等大扰动,交流电压的跌落使得此站需要更大的电流输出同样的有功功率以维持系统的功率平衡[14-15],从而导致直流网络中的有功缺额得不到有效的支援,直流电压失去控制,最终造成系统退出运行。

3.1 VSC-MTDC系统建模

为模拟城市电网核心区多端柔性直流输电的不同运行情况,建立如图2所示的具有n个交流系统的环形多端VSC-MTDC系统[2,14],其中n个交流等效的交流系统分别等效代表城市电网的n个不同区域。环形多端VSC-MTDC系统包含k个电压源型换流站,至少有1个换流站为定直流电压控制方式,主要用来维持VSCMTDC的功率平衡,因此其连接于强交流系统,系统拥有足够的备用容量;其余最多k-1个换流站工作于定有功功率控制方式,模拟不同工况下城市电网的功率需求;剩余的n-k个换流站工作于定交流电压工作方式,用以模拟城市核心区某片区域失去电源情况下柔性直流系统可以向该失电片区的无源网络持续供电[2,10,14]。VSC-MTDC系统中参考正方向以注入直流网络为正方向。

图2 具有n个交流系统的环形多端VSC-MTDC系统
Fig.2 A multi-terminal VSC-MTDC system withn alternating systems

VSC-MTDC系统中n个换流站的主体VSC拓扑结构保持一致,均为图3所示[14]

图3 VSC拓扑结构
Fig.3 The topology of VSC

根据VSC的拓扑结构并忽略连接变压器和交流滤波器的影响[14-16],得到简化后数学模型为:

式中:ω为旋转角速度;SdSq为同步坐标系下的开关函数;usdusq为电网电压d、q轴分量;idiq为电网电流d、q轴分量,iL为直流线路电流。

经过电网电流d、q轴前馈补偿进行解耦[2,14]并经过Park反变换及限幅后的电压指令为:

式中KiPKiI为电流PI控制器参数。

因此,每个换流站吸收的有功和无功功率可以由相互解耦的idiq进行分别控制。

3.2 多端柔性直流输电控制策略

忽略谐波分量的稳态VSC-MTDC系统直流网络电路如图4所示:

图4 忽略谐波分量的稳态VSC-MTDC直流网络
Fig.4 A steady-state of VSC-MTDC DC network ignoring harmonic components

依旧采用注入直流网络为正方向,由图4可得具有n个交流系统的环形多端VSC-MTDC系统直流电压之间关系为:

系统直流网络有功功率和电压会发生频繁波动,有功功率的平衡需要根据直流电压的波动情况不断调节相应控制器的参数加以实现。图5给出了有功功率-直流电压特性曲线[2,14-17],其中图右侧表示系统处于整流状态,左侧表示系统处于逆变状态,[U dcminUdcmax ]为直流电压最大工作范围,[U dclim-U dclim+]为直流电压的极限工作范围,KrKi分别为整流和逆变时的可调曲线斜率。

图5 有功功率-直流电压特性曲线
Fig.5 Characteristic curve between active power and DC voltage

由图5可知通过调整KrKi的大小可以调节直流网络中的不平衡功率分配到相应换流站的多少。同时,如果同一个系统中有多个换流站参与调节,为避免在不平衡功率分配过程中某些站出现重载或者过载,还应该考虑每个换流站的可调容量裕度,设置相应的约束条件按照调节裕度进行不平衡功率优化分配。通过对换流站本身的Udc及常量PrUdcminUdcmaxUdclim进行实时监控和计算,根据裕度较小(大)的换流站分担较少(多)不平衡功率分配的原则,调整有功功率的输出,维持直流网络系统有功功率平衡及电压稳定[14-17]

4 典型城市电网交直流混合系统构想及仿真分析

4.1 南京电网分层分区及柔性直流电压等级选择

以南京电网为例,采用基于多元线性回归的灰色理论对南京核心区进行中长期负荷预测,得到南京城市电网核心区分层分区结果为按照电压等级将南京市城市电网分为500 kV、220 kV两层和9个基本大区。

结合中长期负荷预测及南京电网柔性直流输电需求,未来南京西环网的柔性直流输电功率需求将在300~500 MW之间,九龙地区的功率需求将在200~300 MW之间,考虑一定的裕度,由公式(3)得知电压等级取为(±168 kV,±291 kV)之间较为合适。

根据瑞典乌尔曼的经验公式初步估计电压等级,其中:Vd为双极直流线路的对地线电压;P为双极直流线路的输送功率。因此,直流电压等级应取(±208 kV,±268 kV)之间,综合考虑柔性直流输电工程电压等级,确定取为±200 kV相对合理。

4.2 南京电网交直流混合系统建模

机电暂态仿真采用基波频率下的正序相量来进行交流系统的模拟,无法精确模拟出交直流系统之间非基波频率下的相互作用特性[18]。电磁暂态仿真可准确模拟电力系统不对称故障下的暂态过程以及直流系统的动态行为,更适用于交直流互联系统的仿真研究[18-19]。但电磁暂态仿真计算量大导致其仿真规模不能太大,因此需要对所要研究的交直流互联系统中220 kV及以下电压等级的网络进行动态等值。采用多步准确度较高的多步等值方法对除江苏南京电网外的华东电网(简称外部系统)进行等值,等值模型包括了江苏南京交流电网的500 kV、200 kV电压等级的网络,以及外部系统的等值网架,二者通过边界节点联系,保证等值前后江苏南京电网的线路潮流基本一致,保留节点的电压及其短路电流水平基本相同。

4.3 南京电网多端柔性直流输电构想

4.3.1 近期两端柔性直流输电

南京电网两端直流输电方案主要着眼点在于利用柔性直流输电输送能力强,不增加系统短路电流,可以采用地下电缆供电的技术优势,解决南京西环网的供电瓶颈问题,应用方案参见图6。

图6 南京电网两端直流输电方案
Fig.6 DC transmission scheme of Nanjing power grid with two ends

该方案主要具有以下特点:

1)送端站选在三汊湾变电站,可以充分利用江北地区电源充足的优势,柔性直流可直接从500 kV变电站取电。

2)受端站选在下关变电站,可将江北传输的电能直接通过下关站向南输送给西环网的其他供电区域,降低了下关—晓庄,晓庄—中央门两条线路的供电压力。

3)可以充分发挥柔性直流区域电网互联的优势,将江北电网与江南电网进行区域联网,增加一条联络线路,当500 kV线路发生故障时,该线路可作为区域电网联络线,实现区域电网间功率支援。

4.3.2 远期四端柔性直流输电

基于南京电网中长期负荷预测及对未来南京电网薄弱区域的分析结果,可得到远期(2020年)南京电网四端柔性直流输电应用方案,应用方案见图7。

图7 南京电网四端直流输电方案图
Fig.7 DC transmission scheme of Nanjing power grid with four ends

该方案主要具有以下特点:

1)在东善桥—九龙之间增加一条柔性直流线路,送端站可直接从东善桥变电站取电,在不增加东善桥站短路电流的前提下,降低了东善桥—九龙两条220 kV交流线路的输电压力。

2)通过一条直流线路,将下关换流站与东善桥换流站相连,形成四端柔性直流输电系统,可以在充分发挥两条两端直流输电系统作用的情况下,提高系统运行的稳定性、灵活性及可靠性。

3)可以提高不同区域电网的无功电压支撑能力,为区域电网无功补偿提供新思路。

4.4 南京电网多端柔性直流输电运行仿真

结合4.3节南京市多端柔性直流输电应用方案的研究,建立南京市交直流电磁暂态仿真模型,并在此基础上研究交直流系统的交互影响。由于两端系统分析与四端系统分析模式上的相似性,本节仅针对更为复杂的四端柔性直流输电系统应用方案进行仿真分析。

4.4.1 正常工况下运行仿真

正常工况下,下关换流站、九龙换流站功率需求分别为200、100 MW;下一时刻,九龙换流站由于用电负荷增加,功率需求增加到200 MW额定值;接着,下关换流站功率需求持续增加达到400 MW,仿真结果如图8、图9所示。

可以看出,当下关站、九龙站功率需求发生变化时,三汊湾站和东善桥站可以根据功率需求,快速自动发出有功功率;系统直流电压保持稳定,直流系统运行状态良好。

选取苏下关—苏中央、苏晓庄—苏中央以及苏晓庄—苏经港3条220 kV交流线路,这3条线路均为向南京西环网供电的重要线路。如图10所示,在仿真中,随着功率需求的增加,3条交流线路的负载情况逐渐降低,证明多端柔性直流输电的引入,有效地降低了重载线路的供电压力。

图8 多端直流输电有功功率图
Fig.8 Active power diagram of multi-terminal DC transmission

图9 多端直流输电直流电压图
Fig.9 DC voltage diagram of multi-terminal DC transmission

图10 南京电网各重点线路功率图
Fig.10 Power diagrams of each key line of Nanjing power grid

4.4.2 短路电流分析

分别在直流换流站接入点附近做三相短路故障,测量短路电流并与直流系统接入前进行对比分析,可得表2所示结果。

表2 多端柔性直流输电系统接入南京电网前后的短路电流
Table 2 Short circuit current of multi terminal flexible HVDC transmission system before and after access to Nanjing power grid

通过表2可以看出,多端柔性直流输电系统接入南京电网后,各节点短路电流水平并未发生较大变化,考虑到等值建模过程中对系统的等效处理,可以认为母线节点短路电流在误差范围内,不会显著增加。

5 结论

本文针对城市核心区负荷的快速增长和输电通道输送能力提升缓慢之间的矛盾所导致的城市核心区域电力供需关系失衡问题展开研究。首先对城市电网开展分层、分区的负荷增长模式研究,考虑内、外部因素,采用MGM(1,N)模型建立合理的中长期负荷增长模型。基于城市电网负荷情况,依据输送能力、建设成本等评价指标,比较多端柔性直流输电系统与传统交流输电线路在城市电网供电应用上的利弊,分析其在电网增容改造方面的技术优势。进一步研究适应于城市电网的多端柔性直流协调控制策略。最后,以南京城市电网为算例,提出近期两端、远期四端的多端柔性直流输电构想,并对多端柔性直流输电接入后正常工况以及短路电流进行了仿真分析,结果显示交直流系统在各工况下均能保证稳定运行,直流系统接入前后,交流系统的短路电流基本保持不变,表明多端柔性直流输电不会增加交流系统短路电流。同时,直流系统的动态无功补偿能力为城市电网无功补偿提供新思路。上述结论都展现了多端柔性直流输电与城市电网之间积极的交互影响。

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Feasibility Analysis and Simulation of Multi-terminal Flexible HVDC Transmission System for Urban Power Grid

MA Zhoujun1,2, WANG Yong2, WU Junheng2, XU Honghua2, LIU Fei2
(1.College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu Province, China;2.State Grid Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, Jiangsu Province, China)

Abstract: The size of urban grid is huge and complicated, and the load density has risen sharply.To improve the transmission capacity of urban grid, the high-voltage direct current (HVDC)transmission feasibility is analyzed from the aspects of voltage level, power supply method and the comparison of AC and DC power supply mode based on urban grid load growth model and forecasting technology.AC/DC coordinated control strategy and the optimized operation of multi-terminal flexible HVDC transmission are studied through comparing the pros and cons between multi-terminal flexible HVDC transmission and traditional AC transmission grid.The AC/DC hybrid system is modeled and the multi-terminal flexible HVDC transmission is simulated taking Nanjing grid for example.The interaction effects between multi-terminal flexible HVDC transmission and urban gird is studied to put forward a typical city adapted multiterminal flexible HVDC transmission.

Keywords: medium and long term load; multi-terminal flexible HVDC transmission; AC/DC hybrid modeling; feasibility analysis; interaction effects

Jiangsu Electric Power Co., Ltd.Youth Science and Technology Project ‘Research and Application of Active Distribution Network Operation Monitoring and Fault Diagnosis Technology Based on Big Data’ (J2017074).。

作者简介:

                    

                               马洲俊                          

马洲俊(1986),男,博士生,工程师,主要研究方向为电网规划及调控运行,E-mail:mazhoujunsgcc@163.com。

王勇(1974),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为电网调控运行。

吴峻恒(1976),男,本科,工程师,主要研究方向为电网调控运行。

许洪华(1981),男,博士,高级工程师,主要研究方向为电气设备状态监测与故障诊断。

刘飞(1963),男,大专,助理工程师,主要研究方向为电网调控运行。

(责任编辑 李锡)


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