黃夢(mèng)華, 汪娟娟, 李瑤佳, 王子民, 李子林, 傅 闖

(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院, 廣東省廣州市 510641; 2. 廣州供電局有限公司, 廣東省廣州市 510620;3. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 廣東省廣州市 510080)

0 引言

高壓直流已被廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)距離大功率輸電和非同步電網(wǎng)互聯(lián)場(chǎng)合,中國(guó)已投運(yùn)和在建的直流輸電線路超過(guò)30條,中國(guó)電網(wǎng)已經(jīng)成為世界上最復(fù)雜的交直流混合運(yùn)行電網(wǎng)。直流系統(tǒng)兩端換流器在運(yùn)行中要消耗大量無(wú)功功率,一般情況下,整流器和逆變器消耗的無(wú)功功率分別約為輸送有功功率的30%～50%和40%～60%[1-3]。

基于電壓源換流器的高壓直流(voltage sourced converter high voltage direct current,VSC-HVDC)[4-6]技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),近些年也已有較多工程應(yīng)用,但與傳統(tǒng)直流相比,VSC-HVDC在電壓等級(jí)、功率輸送能力、建設(shè)成本、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、可靠性、換流站損耗、故障隔離能力等方面仍有顯著差距。因此,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流(LCC-HVDC)技術(shù)在遠(yuǎn)距離、大容量輸電中的地位仍然無(wú)法替代。

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),直流電壓及交流母線電壓會(huì)迅速降低,若直流系統(tǒng)仍工作在額定功率或者額定電流下,則會(huì)增大換流站對(duì)交流系統(tǒng)的無(wú)功功率需求,引起換相電壓持續(xù)波動(dòng),甚至導(dǎo)致?lián)Q相失敗?，F(xiàn)有的直流控制系統(tǒng)引入低壓限流(voltage dependent current order limitation,VDCOL)功能對(duì)低電壓狀態(tài)下的直流電流指令加以限制,減小換流站對(duì)交流系統(tǒng)的無(wú)功功率需求,改善故障后系統(tǒng)的恢復(fù)特性[1-3,7-10]。但由于逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致的換相失敗發(fā)生概率極高,在交流故障期間及恢復(fù)過(guò)程中,直流與送受端交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率存在暫態(tài)變化過(guò)程,表現(xiàn)為對(duì)系統(tǒng)不利的“大容量無(wú)功功率沖擊負(fù)荷”外部特性。

近年來(lái),科研人員針對(duì)故障工況下直流控制方式對(duì)換流站無(wú)功功率特性的影響做了大量研究。文獻(xiàn)[11]分析了交流系統(tǒng)故障時(shí),整流側(cè)在定電流和定功率控制方式下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[12-13]研究了直流控制方式和低壓限流器參數(shù)對(duì)大擾動(dòng)后交直流混合系統(tǒng)電壓和功率恢復(fù)的影響。文獻(xiàn)[14-17]分析了換流站的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率非線性軌跡特征、控制方式對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率軌跡及交流電壓的影響。文獻(xiàn)[18]提出一種基于逆變器交流側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)VDCOL控制策略來(lái)支撐交流系統(tǒng)故障。文獻(xiàn)[19]提出了一種將VDCOL協(xié)調(diào)恢復(fù)控制策略,增設(shè)了延時(shí)環(huán)節(jié)以改善多饋入直流(MIDC)輸電系統(tǒng)的恢復(fù)性能抑制后續(xù)換相失敗。文獻(xiàn)[20]通過(guò)對(duì)VDCOL環(huán)節(jié)參數(shù)和瞬時(shí)電流限制的研究,提出了直流換相失敗后的恢復(fù)策略。

上述研究均是基于定性分析獲得改善直流恢復(fù)性能的控制方式,且直流恢復(fù)過(guò)程中由于受VDCOL電壓—電流線性關(guān)系的制約,直流輸送的有功功率和消耗的無(wú)功功率耦合在一起,不能進(jìn)行解耦控制。因此,本文對(duì)換流站無(wú)功功率與直流電流間的關(guān)系進(jìn)行分析,根據(jù)期望的換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)功功率交換量來(lái)獲得直流電流指令,取代現(xiàn)有VDCOL功能,以達(dá)到改善系統(tǒng)恢復(fù)性能的目的。

1 高壓直流低壓限流功能控制原理

高壓直流輸電系統(tǒng)中,當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),將造成直流電壓的下降和直流電流的上升。大電流流過(guò)直流系統(tǒng),不僅會(huì)增加換流器的損耗,而且會(huì)使得換流站無(wú)功功率需求大幅上升,引起交流換相電壓的持續(xù)波動(dòng),加劇交流電壓的下降,甚至?xí)斐蓳Q相失敗。為解決交流故障情況下可能出現(xiàn)的“大電流低電壓”的現(xiàn)象,在直流控制系統(tǒng)中引入依賴于電壓的電流指令限制功能(即VDCOL),以便在低電壓時(shí)對(duì)直流電流指令進(jìn)行限定,減少直流系統(tǒng)在故障和恢復(fù)期間對(duì)交流系統(tǒng)的無(wú)功功率需求,改善直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性。

VDCOL的控制原理如圖1所示。圖1中Tud為測(cè)量時(shí)間常數(shù),輸入的直流電壓Ud經(jīng)測(cè)量環(huán)節(jié)與VDCOL環(huán)節(jié)輸出直流電流指令值IVDCOL和直流電流給定值Ides進(jìn)行比較取較小值,得到最終的整流側(cè)電流指令值Iord。其VDCOL控制特性方程可表示為:

(1)

(2)

式中:k1,k2,k3分別為三段式VDCOL特性曲線的斜率;Udl,Udh和Idl,Idh分別為該特性曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直流電壓、直流電流值。

圖1 VDCOL控制原理Fig.1 Control principle of VDCOL

對(duì)于VDCOL控制特性曲線,增大Udl和Udh或是減小Idl能夠減小VDCOL曲線的直流電流指令限值,進(jìn)而減少換相失敗期間及恢復(fù)過(guò)程中直流從受端交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率;而減小Udl和Udh或是增大Idl,則能夠增大VDCOL曲線的直流電流指令限值,進(jìn)而減少換相失敗期間直流向送端交流系統(tǒng)發(fā)出的無(wú)功功率[14-15]。另外,通過(guò)增大整流側(cè)VDCOL電壓下降濾波時(shí)間常數(shù),能夠減緩直流電流的下降速度,以減小換相失敗期間直流向送端交流系統(tǒng)發(fā)出的無(wú)功功率;而增大逆變側(cè)VDCOL電壓上升濾波時(shí)間常數(shù),則能夠減緩直流電流的上升速度,以減小換相失敗恢復(fù)過(guò)程中直流從受端交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率。

由圖1、式(1)和式(2)可知,交流故障及恢復(fù)過(guò)程中遵循VDCOL給定電壓—電流關(guān)系,電壓—電流呈線性關(guān)系,直流輸送的有功功率和消耗的無(wú)功功率相互耦合。

2 高壓直流換流站無(wú)功特性

高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),換流站的無(wú)功功率交換情況如圖2所示。圖中:Uac為交流母線電壓;Id為直流電流;Qac為換流站與交流系統(tǒng)間交換的無(wú)功功率;Qf為當(dāng)前狀態(tài)下已投入的無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備提供的無(wú)功功率容量;QI為換流器消耗的無(wú)功功率。當(dāng)Qac為負(fù)時(shí),表示交流系統(tǒng)吸收無(wú)功功率,反之則表示交流系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率。

圖2 換流站無(wú)功功率交換示意圖Fig.2 Schematic diagram of reactive power exchange for converter station

本文以CIGRE高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)為基本算例,其采用12脈動(dòng)換流器,額定直流電壓為500 kV,額定直流電流為2 kA;逆變側(cè)等值交流系統(tǒng)的參數(shù)如下：交流母線額定電壓UacN=230 kV,換流變變比k=0.909,極對(duì)數(shù)Np=2,變壓器二次側(cè)等值短路阻抗X=13.32 Ω,無(wú)功補(bǔ)償裝置等值容納Bc=0.011 84 S。

3 高壓直流定無(wú)功功率交流故障恢復(fù)方法

3.1 逆變站無(wú)功功率解析

高壓直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),如果不考慮交流和直流側(cè)的諧波分量,并將換流變壓器的漏抗折算到閥側(cè),則逆變站消耗的無(wú)功功率可表示為[2]:

(3)

(4)

式中:Pd為直流系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β?φ為換流器的功率因數(shù)角;Ud0為理想直流空載電壓;γ為逆變側(cè)關(guān)斷角。

進(jìn)一步將式(4)代入式(3),整理可得逆變站消耗的無(wú)功功率表達(dá)式為:

(5)

3.2 高壓直流定無(wú)功功率交流故障恢復(fù)方法

由圖2可知逆變站的無(wú)功功率平衡公式為[3]:

Qac=QI-Qf

(6)

(7)

當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),逆變器運(yùn)行在定γmin控制下,此時(shí)γmin=17°。令式(6)中Qac為某一期望值Qac_ref,將式(5)、式(7)及CIGRE模型參數(shù)代入式(6),整理可得在不同Uac取值下,以Qac為控制量的形式是如式(8)所示的4次多項(xiàng)式。即

(8)

式(8)中系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式如附錄A式(A1)所示。通過(guò)求解式(6),可獲得不同Uac與Qac_ref下的直流電流指令I(lǐng)d_ref,此功能稱為無(wú)功功率定量控制功能,并以此來(lái)替代原VDCOL功能。其直流電流指令值生成環(huán)節(jié)如圖3所示。以設(shè)定的Qac_ref及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的Uac作為輸入,根據(jù)式(6)計(jì)算得到電流指令值Id_ref,再經(jīng)過(guò)限幅環(huán)節(jié)獲得最終的電流指令值Iord。其中,IdN為額定直流電流,Idmin為最小直流電流限定值。

圖3 無(wú)功定量控制的直流電流指令值生成環(huán)節(jié)Fig.3 Generation link of DC order controller with constant reactive power control

3.3 不同交流電壓下?lián)Q流站無(wú)功控制能力

當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),Uac下降,Qf減少,Qac也隨之變化。因此,為實(shí)現(xiàn)故障期間換流站的無(wú)功功率定量控制,需明確不同Uac電壓水平下交流系統(tǒng)無(wú)功功率支撐能力的可調(diào)范圍。 當(dāng)Uac下降到某一定值時(shí),Qf也為定值,由式(6)可知,Qac與QI都是以Id為自變量的函數(shù),且函數(shù)增減性一致,通過(guò)對(duì)式(5)進(jìn)行解析發(fā)現(xiàn),QI與Qac同為以Id為自變量的增函數(shù)。將CIGRE高壓直流標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型參數(shù)代入式(6),得到不同Uac水平下,Qac的變化特性曲線及可調(diào)范圍如附錄A圖A1與表A1所示。

3.4 無(wú)功功率定量控制策略的實(shí)現(xiàn)

3.4.1無(wú)功功率定量控制的啟動(dòng)

本文提出的無(wú)功功率定量控制策略能夠根據(jù)交流母線電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值得到相應(yīng)的直流電流指令。當(dāng)檢測(cè)到逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓低于電壓閾值Uth時(shí),直流控制系統(tǒng)自動(dòng)啟用該控制功能對(duì)直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率定量控制。該啟動(dòng)判據(jù)可表示為:

Uac

(9)

3.4.2無(wú)功功率定量控制的撤除

進(jìn)行無(wú)功功率定量控制是為了保證在故障恢復(fù)期間,能夠通過(guò)控制交流系統(tǒng)與換流站的無(wú)功功率交換量來(lái)改善交流故障后系統(tǒng)的恢復(fù)性能,避免高壓直流發(fā)生連續(xù)換相失敗。但如果在電壓恢復(fù)到閾值后就立刻撤除該控制,短期內(nèi)由于直流功率的回升,逆變站消耗的無(wú)功功率也會(huì)隨之增加,極大可能會(huì)出現(xiàn)電壓大幅波動(dòng)或是電壓失穩(wěn)的情況。因此,當(dāng)換流母線電壓大于門檻值Uth時(shí),控制系統(tǒng)將會(huì)延遲Δt時(shí)間后再切除無(wú)功功率定量控制,其撤銷判據(jù)為:

Uac>Uth

(10)

由于故障后受端交流系統(tǒng)的強(qiáng)度降低,若撤銷無(wú)功功率定量控制后的直流電流指令值Iord尚未恢復(fù)至額定值IdN,那么此時(shí)直流電流指令將發(fā)生突變,對(duì)受端系統(tǒng)造成沖擊。此種情況下,可按式(11)逐步令直流電流恢復(fù)至額定值IdN。即

(11)

式中:N為等分次數(shù)。

綜上所述,基于逆變站換流母線電壓的無(wú)功功率定量控制策略如圖4所示。控制系統(tǒng)對(duì)Uac進(jìn)行循環(huán)采樣,當(dāng)Uac的實(shí)時(shí)檢測(cè)值達(dá)到控制方式啟動(dòng)要求時(shí),結(jié)合設(shè)定的Qac_ref,求解出相應(yīng)的Iord,控制系統(tǒng)執(zhí)行此指令;隨著Uac恢復(fù),當(dāng)滿足控制撤銷判據(jù)后切除無(wú)功功率定量控制,逐步提升電流指令至額定值。

4 仿真驗(yàn)證

本文以CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型為算例,在電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC中對(duì)本文所提無(wú)功功率定量控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證和分析。首先,對(duì)不同交流電壓水平下?lián)Q流站無(wú)功功率可調(diào)范圍的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,附錄A圖A2為交流母線電壓跌落至0.6(標(biāo)幺值)時(shí),Id取值范圍為0.1～1.0(標(biāo)幺值)下無(wú)功功率交換量Qac測(cè)量值與計(jì)算值的特性曲線。從圖中能夠看出,Qac的測(cè)量值與理論計(jì)算值基本一致,驗(yàn)證了本文求解得到的無(wú)功功率可調(diào)范圍計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

圖4 交流故障時(shí)換流站無(wú)功定量控制策略Fig.4 Control strategy of constant reactive power for converter under AC faults

接著對(duì)換流站無(wú)功功率定量控制對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)性能的改善作用進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)定故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s,換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)功功率交換量期望值Qac_ref分別為60,-60,0 Mvar。與原VDCOL控制方式進(jìn)行對(duì)比,得到直流輸電系統(tǒng)的Uac,Ud,Idc和γ的特性曲線如附錄A圖A3所示。從圖中可以看出,由于在恢復(fù)過(guò)程中,Uac波動(dòng)較大,逆變側(cè)控制方式在定關(guān)斷角控制和定電流控制中來(lái)回切換,直流電流指令值出現(xiàn)振蕩,導(dǎo)致原VDCOL控制方式發(fā)生第二次換相失敗。而本文所提無(wú)功功率定量控制策略,通過(guò)控制Qac_ref來(lái)控制Idc的平穩(wěn)變化,從而在故障恢復(fù)階段能夠使Uac,Ud和γ恢復(fù)得更平穩(wěn)。此外,從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)控制Qac_ref為-60 Mvar時(shí)的Uac與Ud的恢復(fù)速度要優(yōu)于控制Qac_ref為0和60 Mvar的情況,說(shuō)明換流站向交流系統(tǒng)提供一定的容性無(wú)功功率對(duì)系統(tǒng)故障恢復(fù)更有利。從關(guān)斷角γ上看,無(wú)功功率定量控制下在故障恢復(fù)時(shí)期未發(fā)生換相失敗,為進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論,取Qac_ref為-60 Mvar無(wú)功功率定量控制下的換流變閥側(cè)電流與原VDCOL方式進(jìn)行仿真對(duì)比,結(jié)果如附錄A圖A4和圖A5所示。從圖中可以看出,本文所提無(wú)功功率定量控制方式下的直流系統(tǒng)只發(fā)生1次換相失敗,這進(jìn)一步說(shuō)明了本文提出的控制方法能夠有效降低直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的概率,提高系統(tǒng)的故障恢復(fù)性能。

針對(duì)單相金屬性接地故障,其交流母線電壓、直流電壓及有功功率的變化特性曲線如附錄A圖A6所示。從圖中可以看出,對(duì)于交流母線電壓,在故障切除系統(tǒng)恢復(fù)階段,Qac_ref為-60 Mvar的恢復(fù)速度要比原VDCOL及Qac_ref為0,60 Mvar的要快,并且比原VDCOL系統(tǒng)恢復(fù)得更加平穩(wěn);對(duì)于直流電壓,在故障切除恢復(fù)階段,定無(wú)功功率控制下的恢復(fù)速度要優(yōu)于原VDCOL系統(tǒng),且比原VDCOL系統(tǒng)恢復(fù)得更加平穩(wěn);從傳輸?shù)挠泄β蕘?lái)看,其恢復(fù)速度快慢的順序依次為:Qac_ref=-60 Mvar,Qac_ref=0,Qac_ref=60 Mvar, 原VDCOL。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述無(wú)功功率定量控制方法的優(yōu)越性和魯棒性,本文在±500 kV貴州—廣州Ⅱ(簡(jiǎn)稱“貴廣Ⅱ”下同)高壓直流輸電工程PSACD/EMTDC工程模型上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,工程模型的控制功能與實(shí)際工程完全一樣。將貴廣Ⅱ工程相關(guān)參數(shù)代入式(6)中,可得到不同交流電壓水平下高壓直流換流站無(wú)功功率可調(diào)范圍,解析計(jì)算結(jié)果與PSACD/EMTDC工程模型仿真結(jié)果一致。附錄A圖A7給出了不同Uac下貴廣Ⅱ逆變站定無(wú)功功率控制效果,根據(jù)設(shè)定的Qac_ref,在系統(tǒng)中輸入對(duì)應(yīng)的Iord,逆變站無(wú)功功率交換量的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值一致,說(shuō)明在換流站無(wú)功功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)換流站與交流系統(tǒng)無(wú)功功率交換量的定量控制。在貴廣Ⅱ的PSACD/EMTDC工程模型中分別對(duì)原VDCOL控制并將Qac_ref設(shè)定為-200,-100,0,100,200 Mvar的無(wú)功功率定量控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證,持續(xù)時(shí)間為0.1 s的三相交流故障恢復(fù)特性測(cè)試表明，無(wú)功功率定量控制方式下的交流母線電壓與直流功率恢復(fù)特性相比于原VDCOL控制方式要平穩(wěn)迅速,更有利于故障后的系統(tǒng)恢復(fù)。

綜上所述,本文所提無(wú)功功率定量控制方法的控制效果要優(yōu)于原VDCOL的控制效果,該方法能將換流站的無(wú)功功率交換量準(zhǔn)確地控制在期望值,充分利用了換流閥的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力,改善了故障后直流電壓、換流母線電壓的恢復(fù)特性,還可避免直流輸電系統(tǒng)發(fā)生后續(xù)換相失敗,對(duì)提升直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有明顯的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)交流故障期間和恢復(fù)過(guò)程中采用換流站無(wú)功功率的定量控制代替VDCOL方法進(jìn)行了解析分析和仿真研究。該方法在交流故障下和恢復(fù)過(guò)程中實(shí)時(shí)地根據(jù)交流母線電壓及換流站無(wú)功功率交換量的期望值來(lái)獲取相應(yīng)的直流電流指令值。本文完成的主要工作如下。

1)提出了不同交流母線電壓水平下?lián)Q流站無(wú)功功率支撐能力分析方法和計(jì)算公式,在電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC中以CIGRE高壓直流標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型和±500 kV貴廣Ⅱ高壓直流輸電工程為算例,仿真結(jié)果與解析計(jì)算結(jié)果一致。

2)解析計(jì)算及電磁暫態(tài)仿真表明,在換流站無(wú)功功率支撐能力范圍內(nèi)可以對(duì)換流站的無(wú)功功率交換量進(jìn)行任意的定量控制。

3)電磁暫態(tài)仿真表明,對(duì)稱故障下期望的無(wú)功功率交換量為負(fù)值(即換流閥向交流系統(tǒng)提供容性無(wú)功功率)時(shí)，更有利于系統(tǒng)的恢復(fù),無(wú)功功率定量控制對(duì)改善交流電壓的恢復(fù)特性、降低交流故障恢復(fù)過(guò)程發(fā)生換相失敗概率的作用,證明了該控制策略的有效性和可行性。

本文主要研究了交流系統(tǒng)在三相對(duì)稱故障及其恢復(fù)過(guò)程,而交流故障大多是單相不對(duì)稱故障,這種不對(duì)稱故障下?lián)Q流站的無(wú)功功率控制研究會(huì)更加復(fù)雜,這是下一步的研究?jī)?nèi)容。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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黃夢(mèng)華(1994—),女,碩士研究生,主要研究方向:高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。E-mail： 1015573307@qq.com

汪娟娟(1974—),女,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電。 E-mail: epjjwang@scut.edu.cn

李瑤佳(1992—),女,碩士,主要研究方向:高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。E-mail: 908902181@qq.com