黃 勇

（國家電網(wǎng)公司，北京 100032）

電網(wǎng)換相型LCC（line commutated converter）的高壓直流HVDC（high voltage direct current）輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電和聯(lián)網(wǎng)方面具有顯著優(yōu)勢，在我國電力系統(tǒng)中起到重要作用[1-3]。針對LCC的HVDC系統(tǒng)通常采用的控制策略有兩類：①在穩(wěn)態(tài)工況下，整流側(cè)定直流功率、逆變側(cè)定關(guān)斷角的控制策略；②在穩(wěn)態(tài)工況下，整流側(cè)定直流功率、逆變側(cè)定直流電壓的控制策略[4]。兩種控制策略的區(qū)別主要在于逆變側(cè)的控制方式，目前國內(nèi)已投運(yùn)的直流工程中，向上、錦蘇、哈鄭、賓金等直流工程采用逆變側(cè)定關(guān)斷角控制策略，天廣、貴廣、云廣、糯扎渡等直流工程采用逆變側(cè)定電壓控制策略[5]。

逆變側(cè)選擇不同的控制方式將會(huì)在一定程度上影響外界發(fā)生擾動(dòng)時(shí)直流系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)特性[6-7]，同時(shí)也將決定直流主回路設(shè)計(jì)、無功補(bǔ)償配置方案以及設(shè)備絕緣水平，從而影響整體的直流成套設(shè)計(jì)方案[8-10]。以往分別針對這兩種控制策略的直流系統(tǒng)所進(jìn)行的理論研究與工程設(shè)計(jì)均有先例[11-14]，但缺乏基于同一直流工程的系統(tǒng)條件對兩種控制策略進(jìn)行綜合比較的研究文獻(xiàn)，未能就系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)電壓恢復(fù)特性以及直流成套設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化的分析與對比?；谠摫尘埃疚囊劳袊鴥?nèi)某實(shí)際特高壓直流工程系統(tǒng)條件參數(shù)，首先對兩種逆變側(cè)控制策略的控制原理邏輯結(jié)構(gòu)與電壓調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了理論研究與計(jì)算對比，然后基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真RTDS（real-time digital simulation）系統(tǒng)搭建了直流工程模型，模擬實(shí)際運(yùn)行工況對兩種策略在外界擾動(dòng)下的電壓恢復(fù)響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，最后從直流成套設(shè)計(jì)角度進(jìn)一步分析了采用兩種不同控制策略所引起的系統(tǒng)與設(shè)備參數(shù)差別，綜合評估了對整體設(shè)計(jì)方案的影響。

1 兩種直流系統(tǒng)電壓控制策略

1.1 定電壓控制策略

定電壓控制策略指HVDC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)逆變側(cè)處于定直流電壓控制方式，通過調(diào)節(jié)逆變側(cè)換流變壓器分接頭和關(guān)斷角γ，共同作用控制直流電壓。在穩(wěn)態(tài)工況下直流系統(tǒng)運(yùn)行在額定關(guān)斷角γN附近，當(dāng)關(guān)斷角γ在 γN±2°（或 γN±2.5°）范圍內(nèi)時(shí)，只通過關(guān)斷角γ的變化就可保證直流電壓恒定，分接頭不做調(diào)節(jié)。逆變側(cè)定電壓控制策略的控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯如圖1所示。

圖1 逆變側(cè)定電壓控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯Fig.1 Internal logic of constant-voltage-control system on inverter-side

圖1中αord為最終輸出的觸發(fā)角指令值，γinv為逆變側(cè)關(guān)斷角，Idc為直流電流，Udc為直流電壓，Uref為直流電壓指令值，Tv為電壓測量時(shí)間常數(shù)，Iref為直流電流指令值，Ic為電流誤差校正，Tp為比例增益時(shí)間常數(shù)，Umax、Umin為直流電壓最大、最小值限幅，γmin為關(guān)斷角最小限制值。通常將γmin設(shè)置在16°左右，當(dāng)關(guān)斷角小于γmin時(shí)，定關(guān)斷角邏輯將起作用，控制關(guān)斷角不再進(jìn)一步減小。當(dāng)關(guān)斷角在額定穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，定電壓邏輯發(fā)揮作用，通過角度變化使直流電壓維持在額定值。Tp的取值與直流電壓的動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間相關(guān)，Tp取值越大，擾動(dòng)或故障后直流電壓的恢復(fù)過程越慢。

1.2 定關(guān)斷角控制策略

定關(guān)斷角控制策略指HVDC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)逆變側(cè)處于定關(guān)斷角控制方式，在穩(wěn)態(tài)工況下，逆變側(cè)關(guān)斷角γ維持恒定，通過調(diào)節(jié)逆變站換流變分接檔位，控制直流電壓實(shí)際值與額定值的偏差在規(guī)定范圍內(nèi)，相當(dāng)于逆變站電壓控制的死區(qū)。同時(shí)，整流站控制直流電流隨直流電壓而改變，使得直流功率維持恒定。例如，當(dāng)直流電壓Udc下降0.625%時(shí)，直流電流將升高0.625%以維持功率不變。定關(guān)斷角控制系統(tǒng)內(nèi)部如圖2所示。

圖2 逆變側(cè)定關(guān)斷角控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯Fig.2 Internal logic of constant-extinction-angle-control system on inverter-side

圖2中Ilim為最小直流電流限制值，Udio_ref為直流空載電壓參考值，dx_ref為換流變短路阻抗參考值，G1、G2為各控制環(huán)節(jié)比例增益，T1、T2為各控制環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，Kp為定電流比例增益，Km為換相失敗預(yù)測增益，Ts為定電流積分時(shí)間常數(shù)，Amax、Amin分別為觸發(fā)角最大、最小限制值，γref為關(guān)斷角的額定參考值，目前已投運(yùn)直流工程通常設(shè)置在17°左右。定關(guān)斷角的控制邏輯主要可分為電流控制器、電壓控制器、關(guān)斷角控制器3部分，3個(gè)控制器之間通過限幅的方式協(xié)調(diào)配合。關(guān)斷角控制器的輸出作為電壓調(diào)節(jié)器的最大值限幅，電壓調(diào)節(jié)器的輸出在逆變運(yùn)行時(shí)作為電流調(diào)節(jié)器的最大限幅值（在整流運(yùn)行時(shí)作為最小限幅值）。3個(gè)控制器之間依次限幅的配合方式使得在直流運(yùn)行狀態(tài)或外部系統(tǒng)條件變化時(shí)，觸發(fā)角指令值的變化是平滑的。

2 電壓調(diào)節(jié)特性對比研究

針對逆變側(cè)定電壓與定關(guān)斷角兩種控制策略，基于電力系統(tǒng)分析計(jì)算軟件PSD-BPA，計(jì)算校核了兩種控制策略在電壓調(diào)節(jié)特性方面的差異。

電壓波動(dòng)校核基于某直流工程受端電網(wǎng)規(guī)劃水平年豐大方式網(wǎng)架，直流系統(tǒng)為滿功率運(yùn)行，針對受端500 kV換流母線，模擬用于無功補(bǔ)償?shù)臑V波器小組投切工況，校核其所引起的電壓波動(dòng)。對于定關(guān)斷角策略的直流系統(tǒng)，穩(wěn)定程序中采用定關(guān)斷角直流控制系統(tǒng)模型；對于定電壓策略的直流系統(tǒng)，穩(wěn)定程序中定電壓直流控制系統(tǒng)模型。為便于統(tǒng)一比較，對兩種控制策略的仿真均以180 Mvar，并一致選擇額定關(guān)斷角為17°，受端500 kV換流站投入一組無功小組直流系統(tǒng)狀態(tài)量變化曲線如下圖3所示。

從圖3曲線中可以看出，對于采用定關(guān)斷角控制策略的系統(tǒng)，由于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)逆變側(cè)關(guān)斷角維持在恒定關(guān)斷角為17°運(yùn)行，故換流站的無功消耗僅僅取決于當(dāng)前系統(tǒng)電壓；對于采用定直流電壓控制策略的系統(tǒng)，當(dāng)換流站投入無功小組時(shí)，為保證直流電壓恒定，控制系統(tǒng)提升γ角，從而增大了逆變站的無功消耗，保證換流站無功交換平衡，維持電壓穩(wěn)定。同理在切除無功小組時(shí)，控制系統(tǒng)將減小γ角以降低逆變站的無功消耗。

根據(jù)無功投切的仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，定電壓控制策略通過讓γ角的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)浮動(dòng)，能夠一定程度上降低換流母線電壓因外部擾動(dòng)所引起的電壓波動(dòng)?？刂破魍ㄟ^調(diào)節(jié)逆變側(cè)γ角到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行角度，解決換流站的無功缺額或無功過剩，使直流系統(tǒng)在一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)達(dá)到無功平衡。

表1為受端500 kV換流站無功小組投切電壓波動(dòng)校核數(shù)據(jù)，可以看出，由于定電壓控制器的作用，當(dāng)換流母線投切無功補(bǔ)償裝置時(shí)，相比定關(guān)斷角控制，定電壓控制策略下直流極線與交流母線的電壓波動(dòng)都相對更小，電壓調(diào)節(jié)特性更優(yōu)。

圖3 受端500 kV換流站投入無功小組直流系統(tǒng)狀態(tài)量變化曲線Fig.3 Curves of DC system state of 500 kV inverter station at the receiving end when switching on a small reactive power group

表1 受端500 kV換流站無功小組投切電壓波動(dòng)校核數(shù)據(jù)Tab.1 Verification data of voltage fluctuation in 500 kV inverter station at the receiving end when switching a small reactive power group

3 RTDS仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步比較定電壓與定關(guān)斷角策略在系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)的電壓波動(dòng)情況，依托RTDS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)際直流工程與近區(qū)網(wǎng)架參數(shù)，搭建了交直流混聯(lián)RTDS模型，模型原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 直流系統(tǒng)RTDS仿真模型原理結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic of DC system simulation model based on RTDS

在仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步校核驗(yàn)證更大的系統(tǒng)擾動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q流站無功支撐能力大幅變化時(shí)，兩種控制策略對應(yīng)的電壓恢復(fù)特性。以系統(tǒng)無功瞬時(shí)缺額為例，對應(yīng)的直流電壓、直流電流、交流電壓、關(guān)斷角的仿真曲線如圖5所示。

根據(jù)RTDS仿真結(jié)果可以看出，從換流母線電壓的跌落程度來看，定電壓控制策略的母線電壓跌落約11 kV，降幅為2.1%，此時(shí)關(guān)斷角從穩(wěn)態(tài)19.8°降低至約17°運(yùn)行，由此減小了直流系統(tǒng)的無功消耗。定關(guān)斷角控制策略的母線電壓跌落約16 kV，降幅為3.0%，此時(shí)關(guān)斷角在暫態(tài)過程后重新恢復(fù)至17°運(yùn)行，直流電壓降低，直流電流增大。

綜合PSD-BPA與RTDS的仿真研究結(jié)果可以得出結(jié)論，定電壓控制策略通過在一定范圍內(nèi)放開穩(wěn)態(tài)的γ角運(yùn)行點(diǎn)，在換流站投切濾波器組或其他系統(tǒng)擾動(dòng)條件下，能通過主動(dòng)改變角度來彌補(bǔ)一部分無功交換差額，最終達(dá)到了維持交流系統(tǒng)電壓與直流電壓相對穩(wěn)定的效果。

圖5 RTDS仿真受端系統(tǒng)無功瞬時(shí)缺額直流系統(tǒng)參數(shù)仿真曲線Fig.5 Simulation curves of DC system parameters with instant lack of reactive power for the receiving system based on RTDS

4 兩種策略對直流成套設(shè)計(jì)影響

基于穩(wěn)態(tài)電壓恢復(fù)特性效果的比較，定電壓控制策略較優(yōu)于定關(guān)斷角控制策略，然而選擇采用何種控制策略除了影響系統(tǒng)電壓波動(dòng)以外，也將會(huì)對整個(gè)直流工程的設(shè)計(jì)方案與最終的設(shè)備參數(shù)產(chǎn)生影響，故應(yīng)當(dāng)在開展直流系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)之前應(yīng)首先予以明確。

根據(jù)綜合比較，兩種控制策略對直流系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在無功分組功率與直流空載電壓。

1）無功分組功率Qcon

根據(jù)主回路相關(guān)計(jì)算公式，直流6脈動(dòng)換流器整流器所消耗的無功功率為12脈動(dòng)換流器的1/2，其消耗的無功功率可以表示為

式中：Qcon為換流器消耗的無功功率；Idc_N為直流額定電流；Udio_N為額定直流空載電壓；Udio為實(shí)際直流空載電壓；Uvac為換流變壓器閥側(cè)交流線電壓；dx為換流變短路阻抗；μ、α分別為換相角、觸發(fā)角（對于逆變器的計(jì)算，應(yīng)把α換為關(guān)斷角γ）。

以本文依托的某實(shí)際直流工程為例，該工程雙極額定輸送功率10 000 MW，額定直流電壓±800 kV。在常規(guī)功率傳輸方向和雙極全壓運(yùn)行方式下，當(dāng)直流系統(tǒng)輸送額定功率時(shí)，計(jì)及無功消耗量計(jì)算中可能的設(shè)備制造公差及系統(tǒng)測量誤差等因素，求得換流站無功消耗最大值。在逆變側(cè)采取定電壓與定關(guān)斷角兩種控制策略下各直流變量與對應(yīng)的最大無功消耗如表2所示。

表2 兩類控制策略下逆變站參數(shù)Tab.2 Parameters of inverter station under two control strategies

由于在定電壓控制策略下，逆變側(cè)關(guān)斷角有一個(gè)上下浮動(dòng)的角度區(qū)間（通常為±2°），原則上應(yīng)保證最小運(yùn)行關(guān)斷角不超過定關(guān)斷角控制策略的角度值（通常為17°），本工程定電壓控制所選擇的逆變側(cè)額定關(guān)斷角為19.5°。由表2可以看出，對于該直流工程，在同樣輸送滿功率的條件下，采用定電壓控制策略的直流系統(tǒng)相比定關(guān)斷角控制策略將多消耗無功功率約170 Mvar，這勢必將要求換流站配置更大容量的無功補(bǔ)償設(shè)備；在分組數(shù)已定的基礎(chǔ)上盡管可通過增大單組裝置的補(bǔ)償容量來實(shí)現(xiàn)，但對交流斷路器容性開斷電流能力的要求也將隨之提升，增大了設(shè)備制造難度與制造成本。

2）直流空載電壓Udio

直流空載電壓是直流系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，決定了換流變壓器、換流閥等設(shè)備的絕緣水平及設(shè)備容量。通常先根據(jù)直流系統(tǒng)額定參數(shù)計(jì)算出額定直流空載電壓Udio_N，以此為基礎(chǔ)，引入換流變阻抗偏差、分接頭檔位調(diào)節(jié)死區(qū)、測量誤差等因素，計(jì)算出用于確定設(shè)備絕緣水平的最大直流空載電壓。逆變側(cè)額定與實(shí)際直流空載電壓的計(jì)算公式為

式中：Rdc為直流線路電阻；UT為換流閥前向壓降；dr為換流變壓器阻抗阻性分量。式（4）中各變量取額定值以計(jì)算額定直流空載電壓Udio_N，在此基礎(chǔ)上，通過式（5）可計(jì)算實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大直流空載電壓。

在定關(guān)斷角控制策略下Udc、Idc需要考慮1檔的分接頭檔位調(diào)節(jié)死區(qū)，γ在γN的基礎(chǔ)上僅需考慮1°測量誤差；在定電壓控制策略下Udc、Idc不必考慮分接頭檔位調(diào)節(jié)死區(qū)，但γ需要在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍的最大角度γmax基礎(chǔ)上考慮1°測量誤差。同樣針對該工程，基于這兩種控制策略的計(jì)算原理所確定的直流空載電壓參數(shù)如表3所示。

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)可以看出，逆變站在定電壓控制策略下的直流空載電壓各項(xiàng)參數(shù)取值顯著超過定關(guān)斷角控制策略。究其原因，一方面由于為保證在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)γ角不會(huì)越過定關(guān)斷角控制的最小角度限值，定電壓控制策略下逆變側(cè)選取的額定關(guān)斷角γN角度值通常更大，從而導(dǎo)致額定Udio_N相對更大；另一方面由于計(jì)算用于設(shè)備選型的最大直流空載電壓時(shí)需要涵蓋運(yùn)行區(qū)間的最大角度γmax，導(dǎo)致最大直流空載電壓水平進(jìn)一步提升，使得最終選取的設(shè)計(jì)值相比定關(guān)斷角控制提升了6 kV，已接近整流站設(shè)備的絕緣水平。

表3 直流換流站兩類控制策略下直流空載電壓參數(shù)Tab.3 DC no-load voltage parameters of DC converter station under two control strategies

6 結(jié)語

本文針對直流系統(tǒng)逆變側(cè)兩種主要控制策略（定電壓與定關(guān)斷角）開展了相關(guān)研究，分析了兩種控制策略的作用機(jī)理，仿真校核了系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)換流母線電壓與直流系統(tǒng)的電壓、電流、關(guān)斷角等狀態(tài)量變化，并進(jìn)一步比較了采用兩種控制策略對直流成套設(shè)計(jì)方案帶來的影響。研究結(jié)論表明兩種方案各自有其優(yōu)缺點(diǎn)，定電壓控制策略在直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓恢復(fù)特性方面具有一定優(yōu)勢，通過角度的變化能抵消一部分因外部系統(tǒng)擾動(dòng)所引起的電壓波動(dòng)；但相比于定關(guān)斷角控制，直流系統(tǒng)需要平衡的無功總量進(jìn)一步增加，同時(shí)直流空載電壓水平也進(jìn)一步提升，對換流變壓器、換流閥等設(shè)備的絕緣水平提出了更高的要求，這些因素都需要在工程設(shè)計(jì)的初期階段予以考慮。兩種控制策略的選擇并無定量的參照標(biāo)準(zhǔn)。通常來說，若直流系統(tǒng)受端接入弱交流系統(tǒng)，直流本身運(yùn)行方式的變化容易導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓明顯波動(dòng)的情況下，比較適合采用逆變側(cè)定電壓控制策略；若受端系統(tǒng)較強(qiáng)，而直流主設(shè)備能力或交流場占地布置受到一定制約的情況下，優(yōu)先推薦采用逆變側(cè)定關(guān)斷角控制策略。