城市配电环网中的高温超导轻型直流联络线方案研究

周小光，蒋晓华，张祥龙

（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；2.国网北京经济技术研究院，北京100052）

城市配电环网中的高温超导轻型直流联络线方案研究

周小光1，蒋晓华1，张祥龙2

（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；2.国网北京经济技术研究院，北京100052）

为了阐明在城市配网中综合应用高温超导直流电缆与轻型直流输电技术构成闭环运行模式的方案的可行性及优势，建立了基于电力系统计算机辅助设计/电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC的系统仿真模型，并在此基础上仿真对于城市配网稳态与暂态特性的影响进行仿真，其中包括110 kV母线的电压幅值变化和110 kV变电站负荷的功率传输特性等。仿真结果表明，该方案不仅能够增加110 kV线路的供电冗余度，提升变电站110 kV母线的电压幅值，还能够在交流供电线路发生故障、故障被切除和系统恢复供电这一动态过程中，降低110 kV母线电压和负荷功率的振荡幅度和振荡时间。

环网；高温超导电缆；变电站；轻型直流

引言

我国110 kV及以下电压等级的电网均采用闭环设计、开环运行的供电方式。此种运行方式下2个110 kV变电站供电线路相互独立，系统短路阻抗大。但110 kV变电站间无法实现功率的相互支援，使得它们的供电冗余度较低，以至于无法满足一些中心城市对供电可靠性和安全性以及供电质量越来越高的要求。采用交流线路闭环运行能够实现110 kV变电站之间的功率支援，却会增大系统的短路故障电流［1-4］。

采用高温超导直流电缆实现110 kV变电站供电线路间的联络则可以有效克服以上问题。一方面，直流系统可以在不增加系统短路故障电流的同时实现110 kV变电站间功率的相互支援；另一方面，高温超导电缆的使用能够增大直流系统传输的功率容量，降低系统正常运行时的损耗。由于高温超导电缆载流密度很大，还能够减小电缆的敷设面积，降低电缆敷设成本，而这部分成本在中心城市的电缆项目中占有很大比重。文献［5-6］采用高温超导直流电缆连接城市中2座变电站的110 kV母线，以增加城市中心供电的冗余度，提高供电可靠性。然而，由于该项目采用的是常规直流输电技术，换流站和逆变站本身需要消耗较多的无功功率，并且输送功率的方向不易转变，所以只适合用于功率流向固定且无功电源充足的场合［7-9］。与传统直流输电技术相比，轻型直流输电技术的控制更加灵活，能够独立快速地控制换流站吸收或发出的有功功率和无功功率，所以其不仅适于工作在功率流向变化频繁的场合，还能够为交流系统提供一定的电压支撑［7-11］。

综合以上分析，本文首先介绍综合应用高温超导直流电缆与轻型直流输电技术连接城市110 kV变电站供电线路的方案，然后建立该联络方案的PSCAD/EMTDC系统仿真模型，最后通过仿真实验验证该方案对提升城市配电网稳态运行时的供电冗余度和母线电压幅值的作用，并进一步验证该方案在交流系统发生故障及故障恢复动态过程中对配电网暂态特性的改善。

1 高温超导直流电缆联络方案简介

图1为传统交流系统结构示意，其中110 kV供电线路是用联络断路器QC1相连的，QC1在系统正常运行时处于断开位置，只有当其中某一侧110 kV供电线路出现故障被切断后，联络断路器才会闭合，从而通过另外一路110 kV线路向2座变电站的负荷供电。假设未来中心城市110 kV变电站容量增至240 MVA。G1和G2为220 kV的交流电压源，用于等效220 kV的供电线路；T1和T2为480 MVA、220 kV/110 kV，US%＝10.5的三相变压器；Z1和Z2用于等效T1、T2的二次侧到110 kV变电站之间线路的阻抗，均由1.621 mH电感与0.212 Ω电阻串联组成；110 kV变电站的变压器均为 80 MVA、110 kV/10.5 kV、US%＝8的三相变压器；负荷1～6的负荷容量最大均为80 MVA。

图2为应用了超导直流联络方案的系统结构示意，其中轻型直流输电系统的电压等级为±60 kV，直流系统的最大传输功率为240 MW，交流部分的参数与图1相同。

图1 传统交流系统示意Fig.1 Sketch map of traditional AC system

图2 超导直流联络系统结构示意Fig.2 Sketch map of HIS DC connect system

2 超导直流联络系统建模及控制器设计

2.1 直流换流站内主要设备参数设计

单个换流站的原理如图3所示，主要包括六脉波电压源变换器、联接变压器、换流电抗器以及直流电容器。此直流系统的额定直流电压为±60 kV，额定功率为240 MW，故其额定直流电流为2 kA。

图3 换流站主电路原理Fig.3 Schematic of converter station main circuit

联结变压器的短路电抗要在限制换流器桥臂或直流母线的短路电流方面与降低换流器消耗的无功功率方面取得一个优化，一般联结变压器的短路阻抗百分数设计在15%左右。设直流系统控制方式的电压利用率为u，调制比为M，电压源换流器直流侧电压为Udc，联结变压器一次侧电压为电网电压110 kV，则二次侧电压Us1应满足的条件［12］为

式中：X*为短路阻抗，X*=0.15；Q为无功功率标幺值，在此直流联络系统中设计为0.7，即换流站最大可以发出或吸收168 Mvar的无功功率。则求得联结变压器二次侧电压为81 kV。

直流电容器作为电压源换流器直流侧的储能元件，主要用于稳定换流器直流侧电压。为了满足抑制直流电压波动的要求，电容容值Cd［13］应取为

式中：Udc＝120 kV；SN为直流系统额定容量，240 MVA；τ为时间常数，10 ms，所以Cd≈330 μF。此处母线电容为2个串联，故实际拓扑中直流电容Cd的容值取为660 μF。

使用参考文献［13］的方法可以确定此轻型直流系统d-q参考坐标下的阻抗基值为50 Ω，一般换流电抗器电抗的标幺值为0.15，故L≈23.9 mH。

2.2 直流换流站控制器设计

系统正常运行时图2中的直流系统起功率平衡作用，平衡两路110 kV供电线路传输的功率，避免其中一路功率过大，而另外一路轻载的情况。假设左侧变电站负荷功率较大，则左侧换流器采用定有功功率和定无功功率控制来平衡两路220 kV电源发出的有功和无功功率，控制器模型如图4所示。其中，ud为换流站所联交流系统电压的d轴分量，Id为换流站所联交流系统电流的d轴分量，Iq为两端换流站所联交流系统电流的q轴分量，id则为直流线路的电流。

图4 重负荷侧换流站控制器模型Fig.4 Controller model of heavy load converter station

图5 故障侧换流站控制器模型Fig.5 Controller model of fault-side converter station

图2 中当左侧110 kV线路出现短路故障被切除后，轻型直流系统主要用于快速恢复对故障线路所带变电站负荷的供电，并降低供电恢复后负荷功率和110 kV母线电压的振荡。图示位置发生短路故障且故障线路被切除后，故障侧换流站的控制策略将切换至定交流电压控制，控制器模型如图5所示。右端非故障侧换流站始终采用定直流电压和定交流电压控制方式，控制器模型与图4类似，但参考量换成直流母线电压和交流侧电压，对应的PI参数也进行了相应调整。

3 直流超导联络系统仿真结果及分析

传统交流系统的仿真实验过程为：系统0 s时开始启动，0～2.85 s期间交流系统稳态运行，两路110 kV供电线路相互独立，无功率交换；2.85 s时图1中箭头处发生三相短路故障，故障持续0.15 s后该线路被切断；3.1 s时两变电站110 kV母线间联络断路器闭合，非故障侧供电线路开始向故障侧输送功率，从而恢复对故障侧变电站负荷的供电。

超导直流联络系统的仿真实验过程为：系统在0 s时开始启动，0～2.85 s期间交流系统稳态运行，两110 kV供电线路相互独立，无功率交换；2.85 s时图2中箭头处发生三相短路故障，故障持续0.15 s后该线路被切断，同时，左侧换流站从定有功和定无功功率控制模式切换到定交流电压控制模式。

3.1 仿真系统的参数设置

为验证此高温超导直流电缆联络方案的接入对两110 kV变电站供电冗余度的提升以及对配电系统的供电可靠性和稳定性的改善作用，使用PSCAD/EMTDC软件进行仿真实验。换流器采用SPWM调制技术，开关频率1.65 kHz，仿真步长25 μs，采样时间75 μs。为体现出负荷的电压依赖性，采用多项式负荷模型［14］，即变电站负荷由恒功率、恒电流和恒阻抗3种类型的负荷按一定比例组成，负荷的具体仿真参数如表1所示。

表1 变电站负荷仿真参数Tab.1 Parameters of substation leads

由于PSCAD/EMTDC仿真软件中无超导电缆的模型，需要利用已有的电缆模型进行修改，以获得方案中设计的高温超导电缆的仿真模型。在此略去电缆设计中一些次要层，只保留导体层、绝缘层以及金属护套，采用同轴结构。电缆的第1、2层导体为超导导体层，分别与换流站直流侧的±60 V母线相接。为了体现超导电缆直流电阻为0的特性，取这2个导体层的直流电阻率ρ1＝10-15Ωm。最外层导体为电缆护套，采用不锈钢作为材料，其电阻率ρ2＝3×10-8Ωm。电缆绝缘材料的相对介电常数εr和相对磁导率［15］μr分别取为2.5和1.0。

3.2 110kV母线电压仿真波形

传统交流系统的母线1和母线2的电压仿真波形如图6所示。由图可以看出，3～3.85 s交流系统稳态运行期间母线1电压标幺值为0.938，母线2电压标幺值为0.981。4.1 s时联络断路器闭合，母线1和母线2相连，电压标幺值为0.920。

高温超导轻型直流联络系统的母线1和母线2的电压仿真波形如图7所示。由图可以看出，在3～3.85 s期间，母线1电压标幺值为0.962，母线2电压的标幺值为0.983。4.0 s时故障被切除后，母线1电压逐渐上升，在4.2 s时其标幺值达到0.988。

由图6和图7可以看出，在系统稳态运行时，高温超导轻型直流联络方案能够实现相邻110 kV线路间功率的互补，提升110 kV变电站的母线电压，尤其在一路110 kV供电线路因故障被切断后，高温超导轻型直流联络方案对两变电站母线电压的幅值有明显提升作用。

图6 传统交流系统110 kV母线电压的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of 110 kV bus voltages of traditional AC system

图7 超导联络系统110 kV母线电压的仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of 110 kV bus voltages of HTS DC connect system

3.3 故障侧变电站负荷功率仿真波形

传统交流系统中负荷1～负荷4的实际有功功率的仿真波形如图8所示。由图可以看出，在3～3.85 s交流系统稳态运行期间负荷1的有功功率为76.9 MW，负荷2的有功功率为53.8 MW，负荷3的有功功率为50.5 MW，负荷4的有功功率为21 MW。4.1 s时联络断路器闭合后，负荷1、负荷2和负荷3的有功功率开始震荡并逐渐稳定，4.1～5 s期间最小的振荡幅度也能达到3.5 MW。稳定后负荷1的有功功率为77.0 MW，负荷2的有功功率为52.6 MW，负荷3的有功功率为48.7 MW，负荷4的有功功率在4.1 s时联络断路器闭合后始终有小幅的振荡。在故障恢复供电的整个过程中，负荷功率的振荡一方面会影响负荷的供电质量；另一方面，过大的振荡幅度还有可能使负荷对应供电线路的继电保护装置误动作，造成负荷供电的再次中断，降低交流系统的供电可靠性。

高温超导轻型直流联络系统中负荷1、2、3和4的实际有功功率的仿真波形如图9所示。由图可以看出，在3～3.85 s交流系统稳态运行期间负荷1的有功功率为76.9 MW，负荷2的有功功率为54.8 MW，负荷3的有功功率为52.7 MW，负荷4的有功功率为21 MW。4.0 s时故障线路被切除后，负荷1、负荷2和负荷3的有功功率开始震荡，振荡幅度较低，到4.5 s时振荡基本结束。稳定后负荷1的有功功率为77.0 MW，负荷2的有功功率为55.6 MW，负荷3的有功功率为53.9 MW，负荷4的有功功率只在左侧110 kV供电线路发生短路故障期间有小幅波动，其他时段均稳定在21 MW。

由图8和图9可见，在系统稳态运行时，高温超导轻型直流联络方案能够有效提升恒阻抗负荷与恒电流负荷的供电质量，能够使这两类负荷的实际功率更加接近其额定功率。在110 kV供电线路发生短路故障至恢复供电的过程中，传统交流系统由于联络断路器的闭合时间选择不当造成负荷功率的振荡，合适的闭合时间又很难通过计算得到。而高温超导轻型直流联络方案则能够明显降低负荷功率的振荡幅度，并缩短振荡时间。

图8 传统交流系统变电站负荷有功功率的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of load active power of traditional AC system

图9 超导联络系统变电站负荷有功功率的仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of load active power of HTS DC connect system

4 结论

（1）本文分析研究的超导直流联络方案在城市配电网中综合应用了高温超导直流电缆与轻型直流输电技术，为今后我国城市配电网的闭环运行提供了一个新的思路。

（2）本文建立的系统仿真模型及采用的控制策略，能够合理模拟在交流供电线路发生故障后超导直流联络系统对故障变电站的供电情况。

（3）超导直流联络系统能够在110 kV线路发生故障且故障被切除后控制其对应的110 kV母线电压保持稳定，并且基本等于母线的额定电压，从而提高了母线的电压稳定性。

（4）超导直流联络系统能够在故障恢复供电的过程中，降低变电站负荷的功率振荡幅度，缩短变电站负荷的功率振荡时间。

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Research on HTS DC Cables to Urban Distribution Closed-loop Networks

ZHOU Xiaoguang1，JIANG Xiaohua1，ZHANG Xianglong2
（1.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.State Power Economic Research Institute，Beijing 100052，China）

In order to illustrates feasibility and advantages of a scheme which comprehensively uses the high temperature superconducting（HTS）DC cables and the VSC-HVDC technology，a PSCAD/EMTDC simulation model is built to analyze the improved steady and transient state performances of the urban distribution network that is closedlooped by the HTS cables through VSCs.The performances include the 110 kV distributions voltage amplitude and the loads power characteristic.Simulation results show that the scheme can increase the redundancy of the 110 kV power line，improve the 110 kV bus voltage amplitude，and am decrease the oscillation amplitude and time of the 110 kV bus voltage and load power during a fault occurring and recovering.

closed-loop network；high tomperature supercondueting（HTS）cable；substation；voltage source converter-high voltage direct current（VSC-HVDC）

周小光

王汝泉

周小光（1988-），男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术，E-mail：zhouxg12@mails.tsinghua.edu.cn；

蒋晓华（1963-）通信作者，女，博士，教授，研究方向：电力电子技术＆应用超导，E-mail：jiangxiaohua@mail.tsinghua.ed n.cn；

张祥龙（1983-），男，博士，研究方向：智能电网、智能变电站评价与设计等，E-mail：zhangxianglong@chinasperi.scc.com.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.14

：TM 725

：A

2014-09-27