王興剛 ，張 虹 ，徐 政 ，翁 華 ，許 烽

（1.云南電網(wǎng)公司，云南 昆明 650011；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；3.國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310008）

0 引言

超高壓、特高壓直流系統(tǒng)輸送容量大，故障情況下直流緊急閉鎖會(huì)對聯(lián)網(wǎng)交直流系統(tǒng)產(chǎn)生很大的功率沖擊，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響很大。為了提高直流閉鎖故障后的穩(wěn)定水平，除了傳統(tǒng)的穩(wěn)控措施以外，非故障直流的緊急功率提升功能也引起了高度重視，對此學(xué)者們開展了大量研究工作［1-6］。文獻(xiàn)［1-3］通過等面積法則從理論上證明了直流緊急功率提升對提高直流閉鎖故障后南方電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用，并且給出了仿真算例分析。文獻(xiàn)［5-6］給出了無功電壓對直流緊急功率提升的影響，提出了通過加裝靜止無功補(bǔ)償器、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制等措施進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)慕ㄗh。

南方電網(wǎng)已經(jīng)構(gòu)建了復(fù)雜的交直流混聯(lián)電網(wǎng)，隨著西電東送規(guī)模不斷擴(kuò)大，未來幾年南方電網(wǎng)陸續(xù)有±800 kV糯扎渡直流、±500 kV溪洛渡直流同塔雙回、±500 kV金中直流等多回特高壓、超高壓直流建成投運(yùn)，運(yùn)行方式更加復(fù)雜。南方電網(wǎng)某回直流閉鎖故障后有多回直流可以提供緊急功率支援，但是文獻(xiàn)［3］的研究表明，為了避免系統(tǒng)電壓惡化，參與緊急提升功率的直流并非越多越好，而是需要擇優(yōu)選擇?，F(xiàn)有研究成果并沒有給出科學(xué)定量的選擇方法，只能憑經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏可操作性。

本文提出了一種基于軌跡靈敏度選擇最優(yōu)直流進(jìn)行緊急功率提升的方法，配合直流送端發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制，可以取得良好的控制效果。利用該方法，本文進(jìn)一步給出了云電外送5回直流的緊急功率提升策略。仿真計(jì)算表明，該策略可以大幅減少直流閉鎖故障后的切機(jī)量，顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平。

1 直流緊急功率提升的無功限制及措施

無功限制是影響直流緊急功率提升效果的關(guān)鍵因素［5-6］，本文首先提出經(jīng)濟(jì)可行的換流站無功電壓支撐方法，作為后續(xù)軌跡靈敏度分析的基礎(chǔ)條件。

圖1給出了典型特高壓直流換流器無功功率消耗隨有功功率變化的曲線（有功、無功均為標(biāo)幺值，以直流額定輸送功率為基準(zhǔn)），可以看出換流站的無功消耗基本與直流輸送功率成正比，因此特高壓直流功率緊急提升后換流站的無功消耗也將快速上升。

圖1 換流器無功消耗與直流輸送功率的關(guān)系Fig.1 Relations between inverter reactive power consumption and DC transmission power

直流功率緊急提升后換流站消耗的無功增加，有可能惡化系統(tǒng)電壓；惡化的電壓（如整流側(cè)交流母線電壓過低）可能會(huì)導(dǎo)致直流整流側(cè)定電流控制切換到定αmin控制（αmin為整流站最小的觸發(fā)延遲角），限制直流有功的提升，此時(shí)逆變側(cè)自動(dòng)轉(zhuǎn)為定電流控制，其整定值比整流側(cè)整定值小0.1 p.u.。

假定圖2所示云電外送5回直流的整流站不提供額外的無功支持（不裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償器、同步調(diào)相機(jī)等無功補(bǔ)償設(shè)備），直流整流站送端臨近機(jī)組的勵(lì)磁采用常規(guī)控制機(jī)端電壓（不實(shí)行強(qiáng)勵(lì)），且5回直流線路均采用整流站定電流、逆變站定電壓控制方式，各回直流線路初始運(yùn)行狀態(tài)見表1。對云電外送5回直流進(jìn)行掃描測試，測試條件為金中直流雙極閉鎖（直流換流站正常運(yùn)行時(shí)都配有大量的無功補(bǔ)償濾波器，直流線路發(fā)生雙極閉鎖時(shí)為了防止出現(xiàn)過電壓，一般都將故障直流換流站內(nèi)的濾波器全部快速切除，這里在金中直流雙極閉鎖0.2 s后切除直流全部濾波器），提升其余未發(fā)生故障的直流功率，附加功率指令為30%的額定功率，功率提升保持時(shí)間為4s，測試直流實(shí)際輸送有功能否迅速跟隨功率指令，圖3給出了測試結(jié)果（整流側(cè)交流電壓為標(biāo)幺值）。

圖2 云電外送5回直流示意圖Fig.2 Schematic diagram of 5 HVDCs of Yunnan Power

表1 5回直流線路初始運(yùn)行狀態(tài)Table 1 Initial operating states of 5 HVDCs

由圖3可知，在金中直流雙極閉鎖后，即使給出直流功率提升指令使另外4回直流的期望輸送功率為1.3 p.u.，被施加提升功率指令的直流的實(shí)際輸送功率也達(dá)不到提升指令值。主要原因在于：在一條直流雙極閉鎖后，閉鎖直流輸送的大容量的有功向交流通道轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致通道上無功消耗也增加，電壓下降；即使送端機(jī)組較多，短時(shí)間內(nèi)也無法提供足夠無功支撐；此時(shí)再快速提升未故障直流的輸送功率會(huì)使直流控制模式切換到定αmin控制，根據(jù)直流電流Id與直流兩側(cè)交流電壓Udor、Udoi以及延遲觸發(fā)角α、越前觸發(fā)角γ的關(guān)系

可知直流電流無法提升，也就造成直流功率提升不上去。其中，Rcr、RL、Rci分別為直流整流側(cè)等值換相電阻、直流線路電阻和直流逆變側(cè)等值換相電阻。根據(jù)式（1），要提升直流電流，可以從提高整流側(cè)交流母線電壓和提高越前關(guān)斷角兩方面入手，但越前關(guān)斷角過大會(huì)造成直流逆變側(cè)無功增加。所以要保證直流輸送功率能達(dá)到指令給定值，有效措施是提高整流站交流母線的電壓，而提高整流站交流母線電壓的最直接經(jīng)濟(jì)的措施是對整流站交流母線附近的大容量發(fā)電機(jī)組實(shí)行強(qiáng)勵(lì)，防止整流站母線電壓過低。

圖3 測試結(jié)果（1）Fig.3 Test results（1）

采用如下勵(lì)磁配合控制策略進(jìn)行測試：在金中直流雙極閉鎖后，分別提升其他4回直流功率的同時(shí)，整流站附近電廠增加0.1 p.u.的勵(lì)磁階躍，在直流暫時(shí)過負(fù)荷結(jié)束后使得整流站附近的各個(gè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁參考值維持在1.05 p.u.。對于閉鎖故障的直流線路，在故障前，無功補(bǔ)償裝置按額定方式運(yùn)行；在故障后，無功補(bǔ)償裝置全部退出運(yùn)行。對于采取直流功率緊急提升措施的直流線路，在進(jìn)行直流功率緊急提升前后，無功補(bǔ)償裝置均按額定運(yùn)行方式運(yùn)行。圖4給出了測試結(jié)果（整流側(cè)交流電壓和機(jī)端電壓為標(biāo)幺值）。

將圖3與圖4作比較可以看出，采取發(fā)電機(jī)勵(lì)磁與直流緊急功率提升相配合后，直流線路輸送功率在接受緊急功率提升指令后能得到有效的提升。與圖3相比，圖4中增加了整流站附近電廠強(qiáng)勵(lì)措施，使得金中直流雙極閉鎖故障后整流站交流母線電壓有一定的升高，有效避免了非故障直流整流側(cè)定電流控制切換到定αmin控制，從而能有效地使直流實(shí)際輸送功率達(dá)到功率指令值。具體而言，圖4（b）和圖4（c）中糯扎渡直流和溪洛渡直流功率有效達(dá)到功率指令值，所以仿真結(jié)果直流功率很平穩(wěn)；而圖4（a）中雖然云廣直流功率相比圖3（a）要顯著提高，但是結(jié)合圖4（a）中的延遲觸發(fā)角仿真曲線可知，云廣直流整流側(cè)定電流控制還是會(huì)在定αmin控制和定電流控制2種模式之間切換，使得直流功率大幅波動(dòng)。由圖4（d）可以看出，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)期間，各發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓均在1.2 p.u.以下，不會(huì)使發(fā)電機(jī)定子過電壓。

圖4 測試結(jié)果（2）Fig.4 Test results（2）

2 基于軌跡靈敏度制定多回直流緊急功率提升策略

由于直流緊急提升功率需要大量無功支撐，為了避免系統(tǒng)電壓惡化，也為了簡化控制策略，參與緊急提升功率的直流并非越多越好，而是需要擇優(yōu)選擇。本文提出了一種基于軌跡靈敏度的方法來制定多回直流緊急功率提升策略。

軌跡靈敏度是針對包含連續(xù)動(dòng)態(tài)過程、離散動(dòng)態(tài)過程、離散事件、不連續(xù)動(dòng)作和跳變現(xiàn)象的混雜系統(tǒng)的一種分析手段，屬于非線性動(dòng)力學(xué)的研究方法，已被用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析［15-16］。

本文方法的詳細(xì)計(jì)算過程如下。

a.假定系統(tǒng)有 1～n回直流，記為 D1～Dn。 依次仿真計(jì)算各回直流雙極閉鎖故障對應(yīng)的機(jī)組功角曲線，分別把最先失去穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)組確定為各回直流故障后對應(yīng)的“領(lǐng)先機(jī)組”，領(lǐng)先機(jī)組在t時(shí)刻與參考機(jī)組之間的相角差計(jì)為 δ（t，0）。

b.首先針對直流D1進(jìn)行計(jì)算：D1雙極閉鎖后，若緊急提升直流Di的功率（提升量為ΔP），同時(shí)提升Di附近機(jī)組的勵(lì)磁電壓，得到機(jī)組功角曲線，計(jì)算出此時(shí)領(lǐng)先機(jī)組在t時(shí)刻與參考機(jī)組之間的相角差 δ（t，ΔP）。 則 D1雙極閉鎖后，Di緊急提升功率值對于提高送端領(lǐng)先機(jī)組穩(wěn)定性的靈敏度S（1，i）的計(jì)算公式如下：

c.依次針對1～n回直流求解，得到全部直流雙極閉鎖后其余直流緊急提升功率的靈敏度集合：

d.一旦發(fā)生直流閉鎖故障，根據(jù)直流緊急協(xié)調(diào)控制策略表啟動(dòng)直流緊急協(xié)調(diào)控制：優(yōu)先啟動(dòng)策略表上靈敏度最高的直流功率提升，同時(shí)向該直流附近機(jī)組發(fā)出提升機(jī)組勵(lì)磁電壓參考值的信號；若機(jī)組強(qiáng)勵(lì)失敗導(dǎo)致直流功率提升無法完成，則啟動(dòng)策略表上靈敏度第二高的直流功率提升，同時(shí)向該直流附近機(jī)組發(fā)出提升勵(lì)磁電壓信號；依此類推。

3 云電外送5回直流緊急功率提升策略

假設(shè)南方電網(wǎng)運(yùn)行在2015年汛期典型大方式下，5回直流全功率運(yùn)行。

3.1 計(jì)算領(lǐng)先機(jī)組

計(jì)算領(lǐng)先機(jī)組的結(jié)果如表2所示。

表2 各回直流故障后對應(yīng)的領(lǐng)先機(jī)組Table 2 Corresponding leading generator for different faulty HVDCs

3.2 計(jì)算軌跡靈敏度

分別計(jì)算各回直流雙極閉鎖后其余直流緊急提升功率值對于提高送端領(lǐng)先機(jī)組穩(wěn)定性的靈敏度。

金中直流閉鎖0.2 s后，分別提升云廣、溪洛渡、糯扎渡直流功率，計(jì)算提升直流功率對緩解送端領(lǐng)先機(jī)組（梨園機(jī)組）功角首擺的靈敏度，如圖5（a）所示。云廣直流閉鎖0.2 s后，分別提升金中、溪洛渡、糯扎渡直流功率，計(jì)算提升直流功率對緩解送端領(lǐng)先機(jī)組（金安橋機(jī)組）功角首擺的靈敏度，如圖5（b）所示。溪洛渡直流閉鎖0.2s后，分別提升金中、另一回溪洛渡、糯扎渡、云廣直流功率，計(jì)算提升直流功率對緩解送端領(lǐng)先機(jī)組（溪洛渡機(jī)組）功角首擺的靈敏度，如圖5（c）所示。糯扎渡直流閉鎖0.2s后，分別提升金中、溪洛渡、云廣直流功率，計(jì)算提升直流功率對緩解送端領(lǐng)先機(jī)組（糯扎渡機(jī)組）功角首擺的靈敏度，如圖 5（d）所示。

可以看出，當(dāng)金中直流雙極閉鎖時(shí)，提升云廣直流的輸送功率對緩解送端功角領(lǐng)先的梨園機(jī)組的失步效果最明顯；當(dāng)云廣直流閉鎖時(shí)，提升溪洛渡直流的輸送功率對緩解送端功角領(lǐng)先的金安橋機(jī)組的失步效果最明顯；當(dāng)溪洛渡直流雙極閉鎖時(shí)，提升另一回溪洛渡直流的輸送功率對緩解送端功角領(lǐng)先的溪洛渡機(jī)組的失步效果最明顯；當(dāng)糯扎渡直流雙極閉鎖時(shí)，提升云廣直流的輸送功率對緩解送端功角領(lǐng)先的糯扎渡機(jī)組的失步效果最明顯。

最終形成如表3所示的策略表。

圖5 軌跡靈敏度計(jì)算Fig.5 Calculation of trajectory sensitivity

表3 云電外送5回直流緊急功率提升策略表Table 3 Strategy of emergency DC power support for 5 HVDCs of Yunnan Power

3.3 控制措施及控制效果

具體控制措施如下：故障直流雙極閉鎖0.2 s后，提升優(yōu)先控制直流的強(qiáng)勵(lì)機(jī)組勵(lì)磁電壓參考值0.1 p.u.，并提升控制直流功率指令值0.3 p.u.，持續(xù)3 s后，將直流提升功率指令值降為0.1 p.u.長期運(yùn)行。對于閉鎖故障的直流線路，在故障前，無功補(bǔ)償裝置按額定方式運(yùn)行；在故障后，無功補(bǔ)償裝置全部退出運(yùn)行。對于采取直流功率緊急提升措施的直流線路，在進(jìn)行直流功率緊急提升前后，無功補(bǔ)償裝置均按額定運(yùn)行方式運(yùn)行。

圖6給出了金中直流閉鎖故障后，采用本文方法和傳統(tǒng)穩(wěn)控切機(jī)措施時(shí)的計(jì)算曲線（云廣整流側(cè)母線電壓為標(biāo)幺值），其余直流閉鎖故障后的計(jì)算曲線與此類似。

該方法與傳統(tǒng)穩(wěn)控措施的的控制效果對比見表4，可以看出：該方法不僅可以大幅減少直流閉鎖故障后的切機(jī)量，而且能夠顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平。

圖6 金中直流雙極閉鎖不同措施下計(jì)算曲線Fig.6 Calculative curves by different methods for Jinzhong HVDC fault

表4 本文方法與傳統(tǒng)穩(wěn)控措施的效果對比Table 4 Comparison of results between proposed method and traditional stability control method

4 結(jié)論

本文提出了一種基于軌跡靈敏度選擇最優(yōu)直流進(jìn)行緊急功率提升的方法，配合直流送端發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制，可以取得良好的控制效果。該方法物理意義明確，便于工程實(shí)施，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。利用該方法，本文進(jìn)一步給出了云電外送5回直流的緊急功率提升策略。仿真計(jì)算表明，該策略可以大幅減少直流閉鎖故障后的切機(jī)量，顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平。