研究背景

國家電網(wǎng)有限公司建設了張北±500kV柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程（簡稱“張北柔直電網(wǎng)工程”），其四端直流電網(wǎng)拓撲結構如圖1所示。該工程采用環(huán)形電網(wǎng)結構，可靠性高且能夠實現(xiàn)多電源供電或多落點供電。張北柔直電網(wǎng)工程能夠為未來電網(wǎng)的風、光、儲、抽蓄一體化運作、功率互補輸送起到非常好的技術指導和示范作用。

圖1 四端直流電網(wǎng)拓撲結構

張北柔直電網(wǎng)工程的四端分別為北京站、張北站、康保站和豐寧站，其中北京站為受端，張北站、康保站為直流電網(wǎng)新能源送端，豐寧站與抽蓄電站直接連接，為直流電網(wǎng)功率調節(jié)端，四站的額定容量分別為3000MW、3000MW、1500MW、1500MW。

論文所解決的問題及意義

與高壓交流電網(wǎng)相比，直流電網(wǎng)的電源特性、運行方式、控制方式等存在較大差異，使高壓大容量等級的直流電網(wǎng)發(fā)展在系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

張北柔直電網(wǎng)工程的顯著特點是直流網(wǎng)絡化、交直流混聯(lián)、新能源孤島接入、直流側低慣性弱阻尼。控制保護系統(tǒng)是柔性直流電網(wǎng)的“大腦”，負責柔性直流電網(wǎng)的潮流控制、運行方式、故障保護，保障電網(wǎng)安全、可靠、靈活、經(jīng)濟運行，考慮到張北柔直電網(wǎng)工程作為世界首個柔性直流電網(wǎng)工程，現(xiàn)階段設備能力相對較弱，電網(wǎng)運行方式復雜，配置上層控制方案，積累經(jīng)驗。

本文分析上層控制的主要功能，以及直流上層控制和系統(tǒng)穩(wěn)控之間的配合關系，并通過仿真進行驗證。

論文方法及創(chuàng)新點

本文將雙極直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)設計為四層結構，即站間協(xié)調控制層、雙極控制層、極控制層和閥控制層，如圖2所示。張北柔直電網(wǎng)工程在北京站和張北站分別配置了一套站間協(xié)調控制（SCC）設備，采用主備方式實現(xiàn)多換流站間協(xié)調控制。

站間協(xié)調控制可以對四站進行總的協(xié)調，減少系統(tǒng)運行過程中投退換流閥的擾動，降低站間通信的負載率。當失去站間通信時，通過設置在極控制層的不依賴通信的協(xié)調控制策略實現(xiàn)換流站的運行。站間協(xié)調控制主機實現(xiàn)站間協(xié)調控制層的相關控制功能。

圖2 雙極直流電網(wǎng)控制系統(tǒng)架構

直流控制系統(tǒng)與安穩(wěn)裝置的信號采用光纖通信方式，采用IEC 60044—8協(xié)議，交叉連接，其中康保換流站、豐寧換流站內單套穩(wěn)控裝置與柔性直流控保四套極控、兩套站控裝置均通信。康保站和豐寧站內穩(wěn)控與直流控制接口如圖3所示。

圖3康保、豐寧站內穩(wěn)控與直流控制接口

北京換流站、康保換流站內單套穩(wěn)控裝置與柔性直流控保四套極控、兩套站控、兩套站間協(xié)調控制主機裝置均通信。北京站和張北站內穩(wěn)控與直流控制接口如圖4所示。

圖4北京、張北站內穩(wěn)控與直流控制接口

基于張北柔直電網(wǎng)工程組建了四端實時數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）平臺，由RTDS實時仿真器與研制的控制保護樣機組成閉環(huán)仿真系統(tǒng)，控制保護樣機通過硬接點或光纖與RTDS連接和通信。

結論

本文介紹了柔性直流電網(wǎng)中控制保護系統(tǒng)的構架設計，詳細描述了上層協(xié)調控制實現(xiàn)的直流電壓協(xié)調控制和范圍控制及過負荷控制等功能，滿足直流電網(wǎng)初期的應用需求；針對直流電網(wǎng)接入新能源孤島方式，提出了協(xié)調控制和穩(wěn)控系統(tǒng)配合實現(xiàn)直流電網(wǎng)傳輸功率極限的計算方法和切機策略，兼顧了新能源發(fā)電送出要求和直流電網(wǎng)運行穩(wěn)定要求，本文策略已經(jīng)在張北柔直電網(wǎng)工程中應用。

但是由于協(xié)調控制層級的配置對大范圍的直流電網(wǎng)建設帶來了一定限制，因此有必要繼續(xù)開展大規(guī)模直流電網(wǎng)應用場合下的穩(wěn)定控制研究。

本文編自2022年第4期《電氣技術》，論文第一作者為盧宇，1979年生，碩士，高級工程師，從事直流輸電和電力電子設備研發(fā)工作。本課題得到了“國家自然科學基金委智能電網(wǎng)聯(lián)合基金資助項目”的支持。