賈樹森，李生虎，鮑正杰

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

交直流混合注入節(jié)點(diǎn)的低壓減載策略

賈樹森，李生虎，鮑正杰

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

基于電壓源換流器（VSC）的高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)改變了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電壓特性，影響所連交流節(jié)點(diǎn)低壓減載的整定策略。為了保證交直流注入節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重過載時(shí)的暫態(tài)電壓安全，當(dāng)負(fù)荷過載超出VSC定交流電壓調(diào)節(jié)能力時(shí)，基于交流側(cè)電壓特性，將VSC控制方式從恒PV切換為恒PQ方式，以一定電壓降落為代價(jià)，避免VSC因負(fù)荷過載而退出運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生更嚴(yán)重過載時(shí)，為避免VSC退出運(yùn)行，結(jié)合VSC過流保護(hù)，提出快速低壓減載算法，用于保證持續(xù)供電和暫態(tài)電壓安全。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提算法的必要性和正確性。

低壓減載；電壓源換流器；輕型高壓直流輸電；暫態(tài)電壓安全；過載保護(hù)

低壓減載和低頻減載是常用的緊急控制電壓和頻率下降的措施[1，2]。當(dāng)受電區(qū)域電壓下降快于頻率下降時(shí)，會發(fā)生低頻減載不動(dòng)作而電壓崩潰?；陔妷涸醋兞髌鱒SC（voltage source converter）的輕型高壓直流輸電HVDC light（high voltage directcurrent light）技術(shù)，有助于頻率和電壓的恢復(fù)[3，4]。對含VSC系統(tǒng)，目前低頻減載研究較多，而低壓減載極少。對低壓減載算法實(shí)現(xiàn)和控制效果的研究價(jià)值如下。

首先，VSC逆變側(cè)無論按額定頻率運(yùn)行還是實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)頻率[5～8]，考慮到減載繼電器測量時(shí)延和暫態(tài)頻率下降，系統(tǒng)頻率和換流器輸出頻率不穩(wěn)定，影響低頻減載實(shí)現(xiàn)。其次，換流閥過流保護(hù)和過載保護(hù)受發(fā)熱限制[9～11]。過載后應(yīng)在換流閥達(dá)到發(fā)熱上限前減載或轉(zhuǎn)換控制方式[12]，避免換流器退出運(yùn)行。當(dāng)交流側(cè)發(fā)生嚴(yán)重過載時(shí)，PQ控制方式更適合保護(hù)負(fù)荷，但需要以電壓跌落為代價(jià)。在逆變側(cè)過載時(shí)，擾動(dòng)前無功補(bǔ)償越大，過載后電壓跌落越明顯。這要求減載過程簡單快速，避免電壓跌落過大。最后，與高壓系統(tǒng)不同，VSC-HVDC向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)，有功負(fù)荷變化將引起電壓變化[13]。一旦因VSC越限而失去調(diào)節(jié)作用，逆變器交流側(cè)電壓將會下降。對交直流混合注入節(jié)點(diǎn)，電壓對VSC的影響遠(yuǎn)大于頻率對其的影響，因此有必要設(shè)計(jì)低壓減載算法。

本文在交直流系統(tǒng)中考慮電壓安全和閥片過流，提出在VSC逆變側(cè)加入低壓減載，維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定。在定交流母線電壓控制達(dá)到極限時(shí)，切換逆變側(cè)控制方式，由PV方式切換為PQ方式，以穩(wěn)定該節(jié)點(diǎn)電壓特性曲線，便于與現(xiàn)有低壓減載繼電器配合。在逆變側(cè)發(fā)生輕微過載時(shí)，以一定的電壓跌落為代價(jià)來維持供電，避免VSC退出運(yùn)行。當(dāng)超出VSC輸出能力時(shí)，進(jìn)入低壓減載環(huán)節(jié)。并據(jù)此提出了具體的低壓減載算法。

1 交直流混合節(jié)點(diǎn)低壓減載

1.1 低壓減載與過載保護(hù)配合

VSC-HVDC逆變側(cè)一般采用定交流電壓控制，即交流側(cè)按恒PV方式運(yùn)行。達(dá)到電壓源換流器調(diào)制上限后，換流閥將退出運(yùn)行，但此時(shí)可能并未過流。因此在定交流母線電壓控制達(dá)到極限前有必要改變逆變側(cè)控制方式，由PV控制方式切換為PQ控制方式，以一定的電壓跌落維持供電，避免VSC退出運(yùn)行。在PQ方式下為避免電壓下降過多，低壓減載有其應(yīng)用價(jià)值，但是需要研究其啟動(dòng)判據(jù)，以及與變流器過熱條件和線路電流保護(hù)的協(xié)調(diào)配合。

通過連續(xù)潮流計(jì)算，得到PV曲線，以及定交流母線電壓控制能力達(dá)到上限時(shí)的換流器直流電流IV（小于換流閥電流達(dá)到上限時(shí)的值Imax），作為逆變器控制策略轉(zhuǎn)換條件。換流器啟動(dòng)或交流系統(tǒng)短路引起過電流時(shí)，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)閉鎖和按電流增長速率閉鎖，即d i/d t

換流器過載保護(hù)可避免過流積累熱量燒壞閥片[14，15]。交流過流動(dòng)作判據(jù)為IGBT中電流有效值越限，并帶有一定時(shí)延的換流閉鎖器；或使用積分環(huán)節(jié)累計(jì)發(fā)熱條件，當(dāng)發(fā)熱量超過限度時(shí)，閉鎖換流器。負(fù)荷過電流和短路過電流，可根據(jù)電流增長速率和增加短延時(shí)環(huán)節(jié)予以區(qū)分。

交直流混合節(jié)點(diǎn)電壓降低、電流增大時(shí)，若要換流器繼續(xù)運(yùn)行并滿足閥保護(hù)條件，必須躲過交流側(cè)三相短路電流，并且小于換流閥允許發(fā)熱上限Qset[16]，從而為低壓減載留出足夠的時(shí)間裕度。設(shè)發(fā)熱值為Qt，將Qt

1.2 基于在線監(jiān)測的低壓減載

圖1中外部系統(tǒng)等效阻抗和本地負(fù)荷阻抗分別為|ZT|＜φT和|ZL|＜φL，等效電源為E＜φE，節(jié)點(diǎn)電壓為V＜φV，負(fù)荷電流IL＜φI。當(dāng)|ZT|=|ZL|時(shí)靜態(tài)電壓失穩(wěn)，正常運(yùn)行時(shí)|ZT|＜|ZL|。假設(shè)前一時(shí)刻母線電壓與負(fù)荷電流分別為V0＜φV0和IL0＜φI0，當(dāng)前時(shí)刻母線電壓和負(fù)荷電流分別為V1＜φV1和IL1＜φI1。基于本地測量，在線計(jì)算戴維南等效阻抗[17，18]為

圖1 交直流注入節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)戴維南等效電路Fig.1 Thevenin equivalent circuit in AC/DC system

圖2 切負(fù)荷前后瞬間的戴維南等效電路Fig.2 Thevenin equivalent circuitbefore and after load shedding

定義閾值ηset=|ZT/ZL|（0<ηset<1），并假定計(jì)算值大于ηset時(shí)開始減載。確定最大保留負(fù)荷Zres的公式為

為保持功率因數(shù)不變，等比例切除的負(fù)荷為

結(jié)合VSC控制方式切換和過熱保護(hù)，提出的低壓減載算法如圖3所示，其中I為流過換流站電流，Q和Qset為換流閥累計(jì)發(fā)熱量及其上限；Us和Uset為換流站交流母線電壓及其下限值；k為減載次數(shù)。完成第一次減載后，若交流電壓仍不能穩(wěn)定，減小ηset值繼續(xù)減載，直到交流電壓穩(wěn)定。首輪減載加短時(shí)延（0.2 s），以躲過母線短路。切換VSC控制方式時(shí)，躲開交流側(cè)短路時(shí)直流電流Ids，即IV＜I＜Ids。

圖3 低壓減載算法流程Fig.3 Flow chartof undervoltage load shedding

2 算例分析

算例采用WSCC系統(tǒng)，如圖4所示。整流側(cè)（REC）采用定直流電壓和定無功功率控制，逆變側(cè)（INV）采用定交流母線電壓控制。換流站額定功率75MVA，直流線路額定電壓110 kV，A、B、C為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。令節(jié)點(diǎn)8為交流側(cè)過載點(diǎn)。從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行，交流母線電壓如圖5所示。整流側(cè)電壓穩(wěn)定值為1.15 p.u.，逆變側(cè)電壓穩(wěn)定值為1.0 p.u.。

圖4 WSCC系統(tǒng)Fig.4 WSCC system

圖5 VSC啟動(dòng)過程中的節(jié)點(diǎn)電壓趨勢Fig.5 Voltage responsewith VSC start-up

令節(jié)點(diǎn)8處的負(fù)荷等比例增加，每遞增18%計(jì)算1次，當(dāng)調(diào)制度M達(dá)到1時(shí)停止計(jì)算，結(jié)果見表1，表1中數(shù)據(jù)均為標(biāo)么值。當(dāng)逆變側(cè)調(diào)制度達(dá)到極限時(shí)，直流電流Id并未越界，該值作為控制方式切換時(shí)的電流參考值IV。

表1 調(diào)制度和直流電流隨負(fù)荷增長變化Tab.1 Changeof M and Idw ith load increase

較輕過載時(shí)的仿真條件1：節(jié)點(diǎn)8有功無功增大1倍，該節(jié)點(diǎn)未發(fā)生過載，但卻超過了定交流母線電壓控制的電流上限，即I＞IV。VSC將同時(shí)轉(zhuǎn)為定無功功率控制。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示，注入電流增大，穩(wěn)態(tài)電壓略有下降，此時(shí)未發(fā)生減負(fù)荷，VSC接近滿額定功率輸出。

圖6 條件1下節(jié)點(diǎn)8的電壓Fig.6 Voltage atbus8 under condition 1

較重過載時(shí)的仿真條件2：節(jié)點(diǎn)8有功無功負(fù)荷增大1.5倍，該節(jié)點(diǎn)發(fā)生過載，電壓不能維持，達(dá)到切換條件I＞IV，控制方式切換為定無功控制，并啟動(dòng)低壓減載（注入無功Qsref=0.15 p.u.）。節(jié)點(diǎn)電壓和VSC注入交流母線電流有效值如圖8和圖9所示。當(dāng)負(fù)荷激增時(shí)，交流節(jié)點(diǎn)電壓下降，VSC注入電流上升，低壓減載啟動(dòng)。減載量與ηset值有關(guān)。設(shè)定ηset=0.6，減載85MVA，隨后電壓開始回升，注入電流減小。當(dāng)電壓值恢復(fù)到一定值后，重新切換為定交流母線電壓控制，經(jīng)過一段時(shí)間電壓、電流相對穩(wěn)定。電流和電壓重新穩(wěn)定后，VSC注入節(jié)點(diǎn)的功率有所增加。

圖7 條件1下VSC注入節(jié)點(diǎn)8的電流Fig.7 Current injected to bus8 from VSC under condition 1

圖8 條件2下節(jié)點(diǎn)8的電壓Fig.8 Voltageatbus8 under condition 2

圖9 條件2下VSC注入節(jié)點(diǎn)8的電流Fig.9 Current injected to bus8 from VSC under condition 2

3 結(jié)論

（1）隨著負(fù)荷增加，當(dāng)交流側(cè)輕微過載，超出VSC定交流母線電壓調(diào)節(jié)能力時(shí)，由PV控制方式切換為PQ控制方式，并允許少量電壓跌落，可以避免VSC退出運(yùn)行。

（2）當(dāng)交流側(cè)發(fā)生嚴(yán)重過載時(shí)，為避免VSC退出運(yùn)行，結(jié)合交流側(cè)低壓減載與VSC過載保護(hù)，減載后節(jié)點(diǎn)電壓可以恢復(fù)到額定值。

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Undervoltage Load Shedding Strategy of Hybrid AC/DC

JIA Shu-sen，LISheng-hu，BAOZheng-jie
（SchoolofElectricalEngineeringand Automation，HefeiUniversity of Technology，Hefei230009，China）

High voltage direct current（HVDC）transmission based on voltage-source-converter（VSC）changes configuration and voltage characteristicsofpower system，leading to new undervoltage load shedding strategy for the adjacentAC buses.Tomaintain the transientvoltage security at the AC bus，when the constantvoltage controlobject is violated by the load surge，the control strategy is converted from constant PV to constant PQ.With the expense of small voltage drop，the VSC outage is avoided.When the VSC is suffered from more severe load surge，to avoid itswithdraw from continuous operation，the fastundervoltage load shedding strategy integrated with the over-current protection of the valves is proposed，thus tomaintain the power supply and the transientvoltage security.Numerical results are provided to validate the necessity and correctnessof the proposed algorithm.

undervoltage load shedding；voltage source converter；HVDC light；transientvoltage security；overload protection

TM712

A

1003-8930（2013）05-0045-05

賈樹森（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻恢绷飨到y(tǒng)運(yùn)行和控制。Email：jiasen105@163.com

2012-05-03；

2012-06-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51277049）

李生虎（1974—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)可靠性、風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性、柔性輸電技術(shù)。Email：shenghuli@hfut. edu.cn

鮑正杰（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻恢绷飨到y(tǒng)運(yùn)行和控制。Email：bzj15403@163.com