提升受端电网稳定性的主动支撑型柔性直流的形态、关键技术与展望
饶宏1，黄伟煌2，郭铸2，吴越2，蔡东晓2，李桂源2，樊丽娟2
(1. 直流输电技术全国重点实验室(南方电网科学研究院有限责任公司)；2. 南方电网科学研究院有限责任公司)
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.241429
随着新型电力系统建设的不断推进，常规电源占比降低，新能源快速发展，沙戈荒、深远海等区域的大规模新能源将是我国经济负荷中心的重要电力来源，柔性直流将是新能源远距离送出的重要载体，我国将形成高比例直流和新能源馈入受端电网的格局。以广东电网为例，预计2035年，新能源将成为第一大装机电源；区外新增超过1.3亿千瓦的清洁电力将通过柔性直流馈入珠三角，柔性直流换流站数量将从目前的3个增加到数十个，直流输电将成为广东电网第一大电量来源。伴随着电力电子化渗透率上升，受端电网的稳定性迎来挑战，通过加强交流网架、新增备用灵活调节资源等方法投资较大，且不可持续。
柔性直流是目前电网里构网能力最强、容量最大的电力电子设备，发挥其控制灵活、动态响应快速的优势，对电网稳定性的支撑作用明显。但目前全球的柔性直流研究主要聚焦在提升传输电压、容量和距离方面，参与受端电网调节的研究尚不多。通过柔性直流的控制方法与设备能力升级，在电网频率支撑、电压支撑、振荡抑制、功率快速爬坡等方面发挥主动支撑作用，是提升受端电网稳定性的一种经济高效创新方案。本文探讨了主动支撑型柔性直流的关键技术，可为新一代柔性直流输电系统的设计提供参考。
1）频率稳定。
柔性直流采用构网控制，能够无延时提供惯量支撑功率，来降低扰动下电网的初始频率变化率。柔性直流的惯性时间常数取决于电网频率变化率和能够调用的惯量支撑功率大小。以昆柳龙特高压柔性直流为例，龙门站5000MW的柔性直流换流阀在子模块电容中存储的能量约190MJ，考虑交流调制比的裕度，仅利用子模块电容所提供的惯量大小与持续时间如图3所示。为此，可建立柔性直流电容与送端新能源能量赓续调用机制，柔性直流在百毫秒尺度内利用自身电容储能提供惯量，在此过程中，通过通讯和协同机制进一步调用新能源(如风机转子)或储能，实现秒级以上尺度的支撑。
2）谐波治理。
柔性直流具有较高的控制频带，具备一定频次与幅值范围内的谐波主动治理能力，可改善高压电网存在普遍的5/7次背景谐波超标现象。柔性直流谐波治理主要体现在谐波电流吸收和谐波电压抑制两个功能，原理如图4所示。谐波电流吸收功能的控制目的是将电网单回或多回线路的谐波电流降低，柔性直流此时作为一个谐波电流源，控制产生与负荷谐波电流大小相等、相位相反的电流。谐波电压抑制功能的控制目标是将柔性直流并网点的谐波电压降低，通过调节自身阻抗，改变并网点对应谐波的等效阻抗。
3）柔性直流模拟交流互联特性。
柔性直流可通过模拟特定交流线路阻抗进行功率调制，在实现电网分区的同时又一定程度上保留交流电网规模。图5为分区电网1与分区电网2通过柔直与交流线路并联运行示意，图6给出了柔性直流模拟交流线路阻抗与固定功率传输两种方式下，在故障前、故障期间、故障后的功率与相角差的关系示意。柔性直流模拟交流线路阻抗，本质上降低了分区电网的等效阻抗，从而可以提高分区电网间功率传输极限，相比传统的恒定功率控制，加速面积降低，故障切除后的减速面积增加，从而提高电网功角稳定性。此外，柔性直流还能在功率调制期间给两侧电压进行支撑，可进一步提升功角稳定性。
4）抵御严重故障能力。
受端电网的负荷中心用电可靠性要求高。在关键线路检修、灾害等极端情况下，可能面临区域电网被动孤网运行的工况。柔性直流可作为孤网内频率和电压主导构网设备，快速稳定频率和电压，避免出现大范围停电。孤网方式下，需解决联网转孤网方式判断、被动进入孤网的短时电力平衡、孤网下暂态电压和频率稳定性等问题。图7为广东背靠背柔性直流被动带500kV供电片区孤网运行的仿真实例，故障考虑最严苛三相故障，故障期间柔性直流发出大量无功功率来支撑交流电压恢复，并通过有功功率快速调制来稳定孤网内频率。
5）过负荷型柔性直流。
现有柔性直流通常不具备过负荷能力。柔性直流若具备过负荷，一方面将进一步释放惯量支撑、一次调频、电压支撑的效能，另一方面将提升直流自身故障下的电网稳定性。在暂态工况下，如直流系统发生单极/阀组故障，功率可以转移到其他阀组从而减小功率缺额，为受端电网采取稳定措施赢取宝贵时间；在稳态工况下，若柔性直流具备小时级的过负荷能力(如在午间光伏大发期间)，则可减小储能的配置容量。换流阀装备的过负荷限制因素主要为功率半导体器件的过载耐受能力，需要对器件驱动、电热应力调控、封装、保护等技术进行深度优化，因此，作者建议电力电子和直流输电行业共同关心、攻关高压大功率换流阀的过负荷技术。
6）区域多直流集中控制。
随着电网结构的升级，未来受端电网可能会形成多个分区经多个直流互联的形态。可在受端电网建立多直流的集中控制机制，实现多区域多直流有序高效协同，最大化发挥柔性直流主动支撑效用，在更大时空尺度降低区外新能源馈入受端电网的波动性，以柔性直流为关键枢纽，构建强可控的交流电网。
随着新型电力系统的建设，柔性直流将在新能源馈入、电网结构升级等领域得到更加广泛的应用。本文探讨了主动支撑型柔性直流在惯量、频率、阻尼、电压等8个方面支撑功能的研究进展及技术路线，展望了提升直流支撑能力的过负荷型柔性直流、区域多直流集中控制等关键技术，可为新一代柔性直流系统的设计提供参考，以柔性直流为骨干构建可控、灵活的受端电网。
引文信息
饶宏，黄伟煌，郭铸，等．提升受端电网稳定性的主动支撑型柔性直流的形态、关键技术与展望[J]，2024，44(17)：6818-6830．
RAO Hong，HUANG Weihuang，GUO Zhu， et al．Grid-supporting VSC-HVDC for enhancing the stability of receiving end power grid: forms, key technologies, and prospects[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6818-6830(in Chinese)．
作者介绍
责编：李新洁
审核：乔宝榆
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