祁凡 王軍軍

摘要：隨著國內(nèi)特高壓交直流輸電的大規(guī)模建設(shè)以及地區(qū)網(wǎng)架補(bǔ)強(qiáng)，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日趨緊密，電網(wǎng)存在的穩(wěn)定問題也由傳統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題向短路電流超標(biāo)、電力電子化帶來的新能源脫網(wǎng)、諧波振蕩等方面轉(zhuǎn)變，但由于新疆、西藏、內(nèi)蒙古等地區(qū)地理環(huán)境的影響，仍然存在因弱聯(lián)絡(luò)、長距離輸電而存在的電壓穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題。

關(guān)鍵詞：交直流混聯(lián)電網(wǎng);換流站傳遞特性;繼電保護(hù)

引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的分布式電源以集成互聯(lián)的形式組成微電網(wǎng)。其中，直流微電網(wǎng)擁有電能轉(zhuǎn)化率高、控制簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，成為未來微電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。但是，傳統(tǒng)的交流微電網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)比較健全，直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)在未來一段時(shí)間內(nèi)長期共存。這時(shí)，交直流混合微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，它通過互聯(lián)變流器（Inter linking Converter，ILC）將交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)聯(lián)系起來，融合了交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)各自的優(yōu)點(diǎn)，減少了電力電子變換器的使用，提高了新能源的利用效率，因此成為近年來研究的熱點(diǎn)。

1傳遞特性分析方法

由于換流器的非線性時(shí)變特性，換流站傳遞特性較為復(fù)雜，兩側(cè)電氣量之間的關(guān)系難以定量分析。針對(duì)換流器兩側(cè)電氣量的計(jì)算問題，直接利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行分析。但當(dāng)交流系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱或控制器處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程時(shí)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型所基于的假設(shè)條件不再滿足，該模型將不適用。除利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型分析以外，目前對(duì)傳遞特性的分析多基于電磁暫態(tài)仿真。該方法依托仿真軟件、計(jì)算過程復(fù)雜、故障分析缺乏理論依據(jù)，因此迫切需要提出便于理論研究的故障特征傳遞特性分析方法。針對(duì)以上問題，目前研究一般采用開關(guān)函數(shù)和動(dòng)態(tài)相量模型的方法表征換流站的傳遞特性。其中開關(guān)函數(shù)模型用于分析換流器兩側(cè)的靜態(tài)傳遞關(guān)系，動(dòng)態(tài)相量模型用來描述換流器的動(dòng)態(tài)過程。

1.1換流變壓器分接開關(guān)的控制

實(shí)際工程中，換流變壓器和換流器共同構(gòu)成了直流極控系統(tǒng)，其主要負(fù)責(zé)直流傳輸功率Pd（送端）或直流電壓Ud（受端）的控制。當(dāng)Pd或Ud發(fā)生擾動(dòng)或者需要調(diào)節(jié)時(shí)，通過調(diào)節(jié)控制角使其快速變化到設(shè)定值并保持不變，而分接頭則是維持控制角在其限制范圍內(nèi)。

1.2換流器控制模式切換

直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行需滿足以下邊界條件。1）整流側(cè)觸發(fā)角α和逆變側(cè)熄弧角γ分別不小于最小觸發(fā)角αmin和最小熄弧角γmin;2）換流變壓器的變比kT不超過其上下限kTmax，kTmin;3）直流電流Id不大于直流線路最大電流Idmax。在直流受端電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析場(chǎng)景中，隨著過渡方式的惡化，換流站交流母線的電壓將發(fā)生變化，直流系統(tǒng)必須改變其運(yùn)行參數(shù)才能滿足所傳輸?shù)墓β屎瓦\(yùn)行電壓的要求?？紤]到換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)的作用是優(yōu)先維持直流電壓和控制角穩(wěn)定，因此對(duì)直流參數(shù)的調(diào)整策略是：首先調(diào)整兩側(cè)換流變壓器變比直至限值，再調(diào)整整流側(cè)觸發(fā)角和逆變側(cè)熄弧角直至限值。隨著直流系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)的改變，一旦上述任一邊界條件不能滿足，便立即將其限定在相應(yīng)的邊界上，轉(zhuǎn)換成另一種控制模式。

2換流站傳遞特性對(duì)交流系統(tǒng)保護(hù)的影響

本文站在電力系統(tǒng)層面，對(duì)換相失敗所造成的功率波動(dòng)進(jìn)行更準(zhǔn)確的定義，與傳統(tǒng)閥級(jí)層面的換相失敗進(jìn)行區(qū)分，可避免二者之間的相互混淆。將閥級(jí)換相失敗所造成的一次功率波動(dòng)稱為“系統(tǒng)級(jí)換相失敗”，該功率波動(dòng)一般持續(xù)160～200ms，與直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性有關(guān)。針對(duì)單饋入直流輸電系統(tǒng)，許多學(xué)者研究表明在換相失敗故障恢復(fù)過程中很可能出現(xiàn)第二次換相失敗，導(dǎo)致直流功率連續(xù)2次波動(dòng)，故將其稱為“連續(xù)換相失敗”或者“后續(xù)換相失敗”，并未統(tǒng)一，且易與閥級(jí)層面的“2次連續(xù)換相失敗”及“2次不連續(xù)換相失敗”帶來稱呼和概念上的混淆。因此站在電力系統(tǒng)層面，將其稱為“系統(tǒng)級(jí)連續(xù)換相失敗”更為恰當(dāng)。針對(duì)多饋入直流輸電系統(tǒng)，受端電網(wǎng)單一故障所造成的電壓降落，不單會(huì)引發(fā)故障近端的換流站發(fā)生換相失敗，甚至可能引發(fā)多個(gè)換流站同時(shí)或相繼發(fā)生換相失敗。如果該故障所產(chǎn)生的電壓降落會(huì)直接導(dǎo)致2個(gè)及以上換流站同時(shí)發(fā)生換相失敗，應(yīng)將這種現(xiàn)象稱為“同時(shí)換相失敗”。如果該故障所產(chǎn)生的電壓降落僅會(huì)引起故障近端的換流站發(fā)生換相失敗，但在該換流站換相失敗故障恢復(fù)過程中會(huì)引起電壓的二次降落，繼而使故障遠(yuǎn)端的換流站也發(fā)生換相失敗，應(yīng)稱這種具有傳遞性質(zhì)的換相失敗為“相繼換相失敗”。

3直流線路保護(hù)

3.1提前電流控制

通過提前觸發(fā)控制的研究，學(xué)者發(fā)現(xiàn)提前觸發(fā)控制所能提升的換相裕度是非常有限的，通過仿真分析可知，其提前觸發(fā)角度的最大限度為0.476rad，即當(dāng)提前觸發(fā)量大于這個(gè)數(shù)值時(shí)，提前觸發(fā)基本無法抑制換相失敗。因此從換相機(jī)理的角度出發(fā)，認(rèn)為如果能在故障發(fā)生后提前減小逆變側(cè)的直流電流，可以在觸發(fā)角不變的情況下，增大換相裕度。然而直流系統(tǒng)控制策略中，直流電流主要由整流側(cè)控制，逆變側(cè)主要控制直流電壓，因此在原有換相失敗預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的直流電流預(yù)測(cè)控制，通過換相母線電壓計(jì)算出直流電流的指令值，并傳遞到整流側(cè)，從而降低換流站的換相壓力。也是通過附加電流控制，增大換相裕度，從而能減少換相失敗的持續(xù)時(shí)間。在換相失敗故障恢復(fù)過程中增大整流站的提前觸發(fā)角，降低整流側(cè)直流電壓，從而有效限制逆變側(cè)的直流電流，其核心思想與提前電流控制一致。

3.2邊界元件電氣量保護(hù)

利用直流線路邊界電抗器兩端電壓斜率構(gòu)造了高靈敏度的保護(hù)方法。與之類似，利用直流線路邊界電抗器兩端電壓構(gòu)造了主后備保護(hù)方法，同樣具有高可靠性和靈敏度。這些方法在推導(dǎo)中考慮了發(fā)生直流線路區(qū)內(nèi)故障和直流區(qū)外故障2種情況，由此得出區(qū)內(nèi)外故障的差異。然而，這些方法在理論分析中并未考慮換流器對(duì)交流系統(tǒng)擾動(dòng)的傳遞特性，僅通過交流系統(tǒng)故障仿真對(duì)保護(hù)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。因此這類方法在實(shí)際發(fā)生交流系統(tǒng)故障時(shí)存在保護(hù)誤動(dòng)的可能。綜上，現(xiàn)有的直流線路單端量保護(hù)在故障特征分析時(shí)都沒有考慮換流站傳遞特性的影響，因此無法從理論上證明直流保護(hù)在交流擾動(dòng)傳遞至直流側(cè)后不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)，僅能通過仿真“最嚴(yán)重的交流系統(tǒng)故障”即交流側(cè)三相短路故障來驗(yàn)證保護(hù)的選擇性。事實(shí)上，對(duì)于傳統(tǒng)的直流線路主保護(hù)而言，發(fā)生交流側(cè)三相短路故障時(shí)電氣量斜率最大，是“最嚴(yán)重的交流系統(tǒng)故障”。而不同的保護(hù)原理利用了不同的電氣量特征，整定時(shí)要躲過的“最嚴(yán)重的交流系統(tǒng)故障”也不同，沒有理論指導(dǎo)而僅通過仿真驗(yàn)證無法保證保護(hù)沒有誤動(dòng)的可能性。因此，亟需對(duì)暫態(tài)過程下?lián)Q流站傳遞特性進(jìn)行研究，為直流保護(hù)的整定提供理論指導(dǎo)。

3.3附加額外的無功補(bǔ)償設(shè)備

通過附加無功補(bǔ)償裝置可以提高換流母線的電壓支撐能力，這是目前抵御換相失敗非常重要的手段之一。主流的無功補(bǔ)償裝置包括電容器、交流濾波器和同步調(diào)相機(jī)。目前，電容器與交流濾波器相組合的無功補(bǔ)償配置是特高壓換流站的常規(guī)選擇。但其缺點(diǎn)是當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，換流母線電壓的降低會(huì)使其無功補(bǔ)償能力也大大削弱。然而隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）得到廣泛應(yīng)用。STATCOM具有無功功率調(diào)節(jié)速度快、能力強(qiáng)等特點(diǎn)，即使在交流故障情況下仍能有一定的無功支撐能力，可以有效提高受端電網(wǎng)的強(qiáng)度，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力。

結(jié)束語

換流站傳遞特性使得換流站兩側(cè)的交流、直流系統(tǒng)電氣量存在強(qiáng)耦合關(guān)系，存在交流系統(tǒng)擾動(dòng)導(dǎo)致直流保護(hù)不正確動(dòng)作、直流系統(tǒng)擾動(dòng)造成交流保護(hù)不正確動(dòng)作的可能。深入研究換流站傳遞特性，有利于繼電保護(hù)理論的完善和保護(hù)配置的優(yōu)化，對(duì)保障交直流混聯(lián)電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要的理論和實(shí)踐意義。

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