李興平 蘆金龍

摘要：高壓直流輸電在電網(wǎng)中所占比重日趨顯著，換流變壓器、換流閥等直流主設(shè)備的可靠運(yùn)行對電網(wǎng)安全意義重大。在高壓直流輸電工程的正常運(yùn)行方式中，換流變壓器有載分接開關(guān)作為高壓直流輸電系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)控制手段，在補(bǔ)償交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)、穩(wěn)定直流電壓、保證換流閥運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)安全的觸發(fā)角（關(guān)斷角）等方面發(fā)揮著重要作用。

關(guān)鍵詞：交直流混聯(lián)電網(wǎng);換流站傳遞特性;換相失敗;抑制措施

引言

電力電子化是電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。輸電網(wǎng)絡(luò)的電力電子化主要體現(xiàn)在基于高壓直流輸電的交直流混聯(lián)輸電網(wǎng)，我國已形成了從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造到工程實(shí)踐的一系列研究成果，并已進(jìn)入引領(lǐng)國際標(biāo)準(zhǔn)化的階段。供配電領(lǐng)域電力電子化的標(biāo)志之一是交直流混合微電網(wǎng)，它的研究尚處于起步階段，研究主要集中在優(yōu)化調(diào)度與能量管理、協(xié)調(diào)控制、換流器控制策略，故障穿越與保護(hù)。在穩(wěn)定性方面，目前多把交直流混合微電網(wǎng)劃分成獨(dú)立的交流與直流子網(wǎng)進(jìn)行分析。

1交直流混合微電網(wǎng)群基本結(jié)構(gòu)

交直流混合微電網(wǎng)群是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)對系統(tǒng)負(fù)荷、電源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集群劃分所得，且集群包含交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)，也包含交直流混合微電網(wǎng)。交直流混合微電網(wǎng)群網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靈活多變，不同電壓等級(jí)、不同類型的微電網(wǎng)間通過變流器實(shí)現(xiàn)互連，進(jìn)行能量流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)最大分布式能源消納。圖1為交直流混合微電網(wǎng)群基本架構(gòu)，該集群系統(tǒng)主要由4種微電網(wǎng)系統(tǒng)組成：交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、交流為主的交直流混合微電網(wǎng)及直流為主的交直流混合微電網(wǎng)。4種微電網(wǎng)直接分別通過變壓器、AC/DC變流器實(shí)現(xiàn)互連;各微電網(wǎng)系統(tǒng)中接入了大量的分布式電源（光伏、風(fēng)力機(jī)、儲(chǔ)能等），提高了供電可靠性。在構(gòu)建交直流混合微電網(wǎng)集群時(shí)，系統(tǒng)主要分析了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地理位置、接入電源/負(fù)荷類型及容量、節(jié)點(diǎn)需求、電氣結(jié)構(gòu)等要素，綜合考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、母線類型、電壓等級(jí)等因素，實(shí)現(xiàn)不同資源的整合優(yōu)化。

2換流變壓器有載分接開關(guān)控制原理

目前換流變壓器配置有載分接開關(guān)的直流輸電系統(tǒng)主要包括兩類：基于電網(wǎng)換相型換流器（line commutated converter，LCC）的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)以及基于電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）的柔性直流輸電系統(tǒng)。后者是近年來興起的基于IGBT全控器件的新型直流輸電技術(shù)，采用模塊化多電平換流器。柔性直流輸電系統(tǒng)一般通過調(diào)整換流變壓器分接開關(guān)檔位來控制調(diào)制比范圍。通常在交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)不大，且調(diào)制比范圍允許時(shí)，柔性直流輸電工程換流變壓器分接開關(guān)可以維持在固定檔位。從實(shí)際運(yùn)行情況看，柔性直流輸電工程換流變壓器分接開關(guān)動(dòng)作次數(shù)很少。因此，本文研究主要針對常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，整流站和逆變站的換流變壓器有載分接開關(guān)通常采用不同的控制方式，如整流站控制觸發(fā)角、逆變站控制直流電壓或空載直流電壓。盡管控制目標(biāo)與控制策略有所區(qū)別，但都是通過改變整流站、逆變站閥側(cè)直流空載電壓（Udi0R、Udi0I）以達(dá)到調(diào)節(jié)整流站、逆變站直流側(cè)端口電壓（UdR、UdI）的目的。

3交流濾波器/并聯(lián)電容器的控制

實(shí)際工程中，交流濾波器和并聯(lián)電容器構(gòu)成了直流站控系統(tǒng)，其主要負(fù)責(zé)直流系統(tǒng)無功功率的控制。穩(wěn)態(tài)工況下，影響其投切的主要因素為：①換流站的最小濾波容量限制（在任何情況下都必須要滿足）;②直流系統(tǒng)就地?zé)o功平衡的死區(qū)控制要求，即交流電網(wǎng)擾動(dòng)發(fā)生潮流變化時(shí)，通過交流濾波器/并聯(lián)電容器的投切維持交直流系統(tǒng)交換無功在其死區(qū)控制范圍內(nèi)。事實(shí)上，為了保證交直流系統(tǒng)之間交換無功的合理性，每個(gè)直流輸電工程都有獨(dú)立的成套設(shè)計(jì)書，其中明確規(guī)定了交流電網(wǎng)注入直流系統(tǒng)無功功率理想值的定值曲線。不同的直流輸電工程有不同的直流傳輸功率，其無功功率定值也可能不同。

4換流站傳遞特性對交流系統(tǒng)保護(hù)的影響

由于換流站的傳遞作用，交流系統(tǒng)的電氣量可能因直流系統(tǒng)擾動(dòng)發(fā)生變化。傳統(tǒng)的交流保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮到直流系統(tǒng)的接入問題，因此需要在考慮換流站傳遞特性的情況下對交流保護(hù)的適應(yīng)性進(jìn)行分析。換相失敗是直流系統(tǒng)中一種常見的異常工況，指出換流器發(fā)生換相失敗對交流系統(tǒng)保護(hù)性能影響較大。換相失敗對交流保護(hù)的影響包括2方面：一方面，換相失敗現(xiàn)象一般由受端交流系統(tǒng)故障引起，該現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間一般小于保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，即交流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間內(nèi)需考慮換相失敗問題。換相失敗過程中，逆變側(cè)輸出的等效電源功率將大幅波動(dòng)。這一“復(fù)故障”特性將給面向單一故障設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)保護(hù)原理帶來巨大挑戰(zhàn)。另一方面，換相失敗過程中，直流系統(tǒng)向交流系統(tǒng)中注入大量的諧波和非周期分量，將給相量提取工作造成困難，相量提取的偏差可能導(dǎo)致基于工頻量的傳統(tǒng)交流系統(tǒng)保護(hù)不正確動(dòng)作。下面詳細(xì)介紹逆變器發(fā)生換相失敗對交流系統(tǒng)方向縱聯(lián)保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、選相元件及換流變壓器保護(hù)的影響。

5直流控保系統(tǒng)的改進(jìn)

5.1提前觸發(fā)控制

由換相失敗的機(jī)理可知，關(guān)斷角過小是換相失敗發(fā)生的根本原因。提前觸發(fā)控制的核心思想是：若檢測到受端電網(wǎng)發(fā)生交流故障，并可能導(dǎo)致?lián)Q相失敗發(fā)生時(shí)，根據(jù)故障的類型和嚴(yán)重程度，提前減小逆變側(cè)換流器的觸發(fā)延遲角，提高換相裕度。因此可知，提前觸發(fā)控制的核心有兩個(gè)點(diǎn)：第一是如何快速識(shí)別交流系統(tǒng)的故障;第二是如何建立故障嚴(yán)重程度與提前觸發(fā)角度的物理關(guān)系。

5.2直流系統(tǒng)降壓運(yùn)行

在直流輸電工程的成套設(shè)計(jì)階段，為了保證在線路絕緣能力下降時(shí)能夠繼續(xù)穩(wěn)定輸送功率，一般會(huì)考慮采用直流降壓運(yùn)行方式，即：將直流電壓降低至額定電壓UdN的70%～80%運(yùn)行。該模式下需要配合有載分接開關(guān)的調(diào)節(jié)，降低閥側(cè)交流電壓，從而達(dá)到降低直流端口電壓的效果。降壓運(yùn)行方式下的直流電壓越低，有載分接開關(guān)越容易調(diào)節(jié)至最低檔位;當(dāng)有載分接開關(guān)達(dá)到該檔位后將不再調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)將通過改變觸發(fā)角或關(guān)斷角以適應(yīng)交流電壓和直流功率的變化。對于采用70%降壓運(yùn)行方式設(shè)計(jì)的直流工程（如天中直流輸電工程、賓金直流輸電工程），采用降壓運(yùn)行方式能夠完全避免送受端換流站換流變壓器有載分接開關(guān)動(dòng)作。

5.2距離保護(hù)

距離保護(hù)是高壓輸電線路常用的保護(hù)原理之一。換相失敗可能影響距離保護(hù)的性能。一方面換相失敗期間由逆變器注入的諧波和非周期分量可能會(huì)影響工頻相量的提取，造成距離保護(hù)不正確動(dòng)作。針對這一問題提出了求解時(shí)域微分方程組的方法，計(jì)算出故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離，提升了距離保護(hù)的性能。另一方面，換相失敗引起的電源特性變化也可能導(dǎo)致距離保護(hù)不正確動(dòng)作。

5.3采用直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略

為了降低逆變站換流變壓器有載分接開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)，本文提出一種新型直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略。該策略通過放開直流電壓控制死區(qū)下限，達(dá)到降低逆變站換流變壓器有載分接開關(guān)動(dòng)作次數(shù)的目的。同樣以天中直流輸電系統(tǒng)為例，首先通過主回路計(jì)算，遍歷所有直流全壓運(yùn)行工況下逆變站的最低有載分接開關(guān)檔位。

結(jié)束語

直流受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定特性與直流系統(tǒng)的控制策略和運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，本文深入分析直流換流器控制模式在靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析過渡過程中的電壓響應(yīng)特性，研究了換流器切換策略和計(jì)算方法，基于連續(xù)潮流法提出一種計(jì)及直流系統(tǒng)過渡方式的靜態(tài)電壓穩(wěn)定計(jì)算方法，引入直流功率參與因子，可靈活分配直流功率在平衡負(fù)荷增量功率中所占比例，更全面地評估直流受端電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定特性。

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