梅永振，王海云，李陽

（教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院），新疆烏魯木齊 830047）

Multi-Infeed HVDC中不同混合結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)運(yùn)行特性研究

梅永振，王海云，李陽

（教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院），新疆烏魯木齊 830047）

基于PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了多饋入高壓直流系統(tǒng)的3種不同混合輸電結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)，通過連于受端弱交流系統(tǒng)，研究了3種子系統(tǒng)的暫態(tài)運(yùn)行特性，仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)相比，含VSC的子系統(tǒng)在抑制換相失敗、縮短故障恢復(fù)時(shí)間等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。而且，隨著電力電子器件的快速發(fā)展，VSC的成本逐漸降低，含H-HVDC的多饋入系統(tǒng)將成為以后電網(wǎng)新建和已有電網(wǎng)改造升級(jí)的可行方案。

多饋入高壓直流輸電系統(tǒng)；換相失??；混合高壓直流輸電系統(tǒng)

隨著我國用電需求的快速增長(zhǎng)，加之“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的全面推進(jìn)，用電需求量較大的負(fù)荷中心已形成多條HVDC輸電系統(tǒng)接入的電網(wǎng)架構(gòu)，與其所饋入的受端交流電網(wǎng)形成多饋入直流輸電系統(tǒng)（multi-infeed system，Ml system）[1-5]。根據(jù)國家交直流電網(wǎng)規(guī)劃，未來幾年，落點(diǎn)華東電網(wǎng)中的高壓直流輸電線路將達(dá)8回以上，其中落點(diǎn)廣東電網(wǎng)的高壓直流輸電線路將達(dá)5回以上；落點(diǎn)南方電網(wǎng)高壓直流輸電線路將達(dá)7回以上。與單饋入輸電系統(tǒng)相比，多饋入直流輸電系統(tǒng)輸送容量更大，供電能力更強(qiáng)，已經(jīng)成為我國實(shí)施“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的重要解決方案[6-9]。多饋入高壓直流輸電系統(tǒng)主要有以下3種子系統(tǒng)構(gòu)成：1）子系統(tǒng)都是由傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)（LCCHVDC）構(gòu)成；2）子系統(tǒng)由傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)（LCC-HVDC）和含有電壓原型換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC）構(gòu)成；3）子系統(tǒng)由傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)（LCC-HVDC）和整流側(cè)采用LCC、逆變側(cè)采用VSC的混合高壓直流輸電系統(tǒng)（HHVDC）。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)單饋入LCC-HVDC、雙饋入LCC-HVDC做了一定的研究，近來一些學(xué)者對(duì)H-HVDC運(yùn)行特性也做了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[10-12]分析了STATCOM對(duì)傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性的影響，在STATCOM控制環(huán)節(jié)，通過投入交流電壓參考值調(diào)節(jié)功能，有效地降低了換相失敗的發(fā)生概率。文獻(xiàn)[13-14]討論了多饋入短路比及多饋入廣義短路比的定義，并驗(yàn)證了基于多饋入短路比指標(biāo)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行特性的正確性。文獻(xiàn)[15]通過分析PV和QV的仿真波形，探究了混合高壓直流輸電對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，指出VSC-HVDC接入弱交流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及獨(dú)立控制有功、無功的能力。文獻(xiàn)[16-18]研究了VSC-HVDC系統(tǒng)在可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用，由于VSC-HVDC的換流器采用全控型電力電子器件，其不會(huì)發(fā)生換向失敗，能獨(dú)立控制有功、無功功率的傳輸方向，因此提高了可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的能力。綜合國內(nèi)外諸多研究，許多學(xué)者都集中在特定一種輸電形式的研究中，而未考慮現(xiàn)實(shí)生活中已存在的多饋入系統(tǒng)，未研究對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行改善，子系統(tǒng)需何種混合運(yùn)行方式以及新建多饋入系統(tǒng)中子系統(tǒng)的混合方式。

本文通過PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了多饋入直流系統(tǒng)的3種混合直流輸電結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)，其除換流器位置、種類不同外，其余直流電路參數(shù)、系統(tǒng)容量均相同?？紤]短路比、多饋入交互因子、受端交流系統(tǒng)強(qiáng)度等因素，仿真分析故障狀態(tài)下3種子系統(tǒng)的運(yùn)行特性。仿真結(jié)果表明VSC-HVDC的饋入有效地改善了Mutli-infeed HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行特性，在饋入受端為弱交流系統(tǒng)時(shí)，VSC-HVDC的優(yōu)勢(shì)更加突出，尤其由H-HVDC饋入形成的mutli-infeed HVDC系統(tǒng)，有效地提高了抵御換相失敗的能力，降低了換相失敗的發(fā)生率，縮短了故障恢復(fù)時(shí)間，從而改善了mutli-infeed HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行特性。

1 mutli-infeed HVDC系統(tǒng)中子系統(tǒng)的建立

本文在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下建立3種混合結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)。文章中涉及到的LCC-HVDC均采用CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型中的參數(shù)，其容量為1 000 MW，直流電壓為500 kV；VSC-HVDC和HHVDC系統(tǒng)的容量設(shè)定為300 MW，直流電壓為220 kV。隨著饋入同一點(diǎn)的直流線路的增多，直流輸電的容量不斷增大，很可能造成受端為弱交流系統(tǒng)，因而將增大mutli-infeed HVDC系統(tǒng)的換相失敗及其連續(xù)換相失敗的發(fā)生概率。根據(jù)前人研究可得：受端交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱與系統(tǒng)的短路比（SCR）有關(guān)，當(dāng)SCR大于3時(shí)，系統(tǒng)為強(qiáng)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定沒有影響，也不會(huì)引起過電壓和連續(xù)換相失敗的現(xiàn)象；當(dāng)SCR介于2和3之間時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)度一般，此時(shí)多饋入模式下直流輸電系統(tǒng)仍可以穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)SCR小于2時(shí)，系統(tǒng)為弱系統(tǒng)，尤其在LCC-HVDC運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生小干擾故障，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生暫態(tài)過電壓、連續(xù)換相失敗，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為探究3種混合結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性，將3種多饋入直流系統(tǒng)連于若干交流系統(tǒng)，系統(tǒng)SCR設(shè)為1.9[19-27]。3種子系統(tǒng)混合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 子系統(tǒng)不同混合結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 The principle diagram of different hybrid structure of the subsystem

2 子系統(tǒng)的仿真與分析

2.1 LCC-HVDC雙饋入子系統(tǒng)的運(yùn)行分析

此mutli-infeed HVDC的子系統(tǒng)是由2條LCCHVDC組成，2條LCC-HVDC的整流器均采用定直流電流控制，逆變器均采用定熄弧角控制，且熄弧角（γ）等于15°[28]。設(shè)定系統(tǒng)在2.1 s時(shí)發(fā)生故障，運(yùn)行系統(tǒng)，研究第一條LCC-HVDC（1 000 MW）運(yùn)行特性，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2仿真結(jié)果可得：LCC-HVDC雙饋入子系統(tǒng)在2.1 s時(shí)發(fā)生短路故障，整流側(cè)、逆變側(cè)直流電壓迅速下降，整流側(cè)直流電壓跌落至-1.1 pu；直流電流出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，尤其逆變側(cè)電流值的沖擊達(dá)到2.5 pu，系統(tǒng)出現(xiàn)連續(xù)換相失敗現(xiàn)象，故障恢復(fù)時(shí)間約為0.5 s。由于電網(wǎng)換相變流器（LCC）使用無自行關(guān)斷能力的晶閘管，加之子系統(tǒng)饋入弱交流系統(tǒng)，加大了發(fā)生換相失敗的可能性，甚至促發(fā)連續(xù)換相失敗的產(chǎn)生。

圖2 第一條LCC-HVDC的暫態(tài)運(yùn)行特性Fig.2 The transient characteristics of the first LCC-HVDC

2.2 LCC-HVDC和VSC-HVDC雙饋入子系統(tǒng)的仿真分析

該子系統(tǒng)由1 000 MW的LCC-HVDC和300 MW的VSC-HVDC構(gòu)成，LCC-HVDC輸電系統(tǒng)的整流側(cè)仍采用定直流電流控制、逆變側(cè)為定熄弧角控制；VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的送端采用定有功功率和定無功功率控制、受端采用定直流電壓控制和定無功功率控制。設(shè)定系統(tǒng)在2.1 s時(shí)發(fā)生故障，運(yùn)行系統(tǒng)，研究LCC-HVDC（1 000 MW）的運(yùn)行特性。仿真結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果圖3可以得到：系統(tǒng)在2.1 s時(shí)發(fā)生短路故障，系統(tǒng)整流側(cè)、逆變側(cè)的電壓和電流值出現(xiàn)波動(dòng)，直流電壓波動(dòng)值在0.5 pu左右，直流電流波動(dòng)值在1.0 pu左右，其持續(xù)時(shí)間約為0.5 s，較LCCHVDC雙饋入輸電子系統(tǒng)相比，LCC-HVDC和VSCHVDC雙饋入子系統(tǒng)一定程度上改善了電壓、電流的波形。VSC-HVDC輸電系統(tǒng)是由可關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)有功、無功功率，并且本身不存在發(fā)生換相失敗的可能，當(dāng)受端交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，VSC-HVDC對(duì)交流母線的電壓具有一定的支撐能力，抵御LCC-HVDC發(fā)生換相失敗，改善系統(tǒng)運(yùn)行特性，提高電能質(zhì)量。

圖3 LCC-HVDC的暫態(tài)運(yùn)行特性Fig.3 The transient characteristics of LCC-HVDC

2.3LCC-HVDC和H-HVDC混合子系統(tǒng)的仿真分析

該子系統(tǒng)是由一條LCC-HVDC輸電線路和一條H-HVDC輸電線路組成，LCC-HVDC的容量仍然是1 000 MW，其整流側(cè)控制方式為定直流電流控制、逆變側(cè)為定熄弧角控制；H-HVDC輸電線路的整流側(cè)為L(zhǎng)CC、逆變側(cè)為VSC，其容量為300 MW，整流側(cè)采用定直流電流控制、逆變側(cè)為定直流電壓控制和定無功功率控制[29-30]。設(shè)定子系統(tǒng)在2.1 s時(shí)發(fā)生短路故障，運(yùn)行系統(tǒng)，研究LCC-HVDC（1 000 MW）的運(yùn)行特性。仿真結(jié)果如圖4所示。

通過仿真可知，子系統(tǒng)在2.1 s時(shí)發(fā)生短路故障，與LCC-HVDC、VSC-HVDC雙饋入子系統(tǒng)的仿真結(jié)果相比較，混合系統(tǒng)的直流電壓、電流的波動(dòng)幅值較小，與圖3相比較，電壓波動(dòng)幅值降低了約0.4 pu，逆變側(cè)沖擊電流降低了約0.2 pu，同時(shí)縮減了故障恢復(fù)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性。

圖4 LCC-HVDC的暫態(tài)運(yùn)行特性Fig.4 The transient characteristics of LCC-HVDC

3 結(jié)語

本文基于PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了多饋入直流系統(tǒng)的3種不同混合輸電結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)，通過連于受端弱交流系統(tǒng)，研究了3種子系統(tǒng)的運(yùn)行特性，仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)相比，含VSC的子系統(tǒng)在抑制換相失敗、縮短故障恢復(fù)時(shí)間等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

含H-HVDC的子系統(tǒng)結(jié)合了LCC-HVDC和VSCHVDC的兩者優(yōu)勢(shì)，既降低了VSC系統(tǒng)的開關(guān)損耗，也提高了LCC系統(tǒng)的抵御換相失敗的能力，加快了故障恢復(fù)速率，改善了系統(tǒng)的暫態(tài)運(yùn)行特性，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。加之近幾年來，隨著電力電子器件的快速發(fā)展，VSC的成本逐漸降低，含H-HVDC的多饋入系統(tǒng)將成為以后電網(wǎng)新建和已有電網(wǎng)改造升級(jí)的可行方案。

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Study on the Operating Characteristics of the Subsystem with Different Hybrid Structures in Mutli-Infeed HVDC

MEI Yongzhen，WANG Haiyun，LI Yang
（Ministry of Education Renewable Energy Generation and Grid Control Engineering Technology Research Center（School of Electric Engineering，Xinjiang University），Urumqi 830047，Xinjiang，China）

In this paper，the subsystem of three kinds of different hybrid structures in the multi-infeed HVDC system is established based on the PSCAD/EMTDC simulation software.After connected to the weak AC system，the transient operating characteristics of the subsystem are studied.The simulation results show that compared with the traditional HVDC transmission system，the subsystems containing VSC have obvious advantages in suppressing commutation failure and shortening the time of the fault recovery.This paper also points out that，with the rapid development of power electronic devices and the gradual reduction of the cost of VSC，the multi-infeed system with H-HVDC will become a feasible scheme for the new building and the reconstruction of the power grid.

multi-infeed HVDC system；commutation failure；hybrid HVDC transmission system

2016-04-11。

梅永振（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂翱稍偕茉床⒕W(wǎng)技術(shù)；

（編輯 馮露）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51267017）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（863計(jì)劃）（2013AA050604）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51267017）；National High Technology Research Program（863 Program）（2013AA050604）.

1674-3814（2017）03-0023-05

TM721.1

A

王海云（1973—），女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)、高壓直流輸電及功率補(bǔ)償技術(shù)。