田 浩，蔣 哲，馬琳琳，馬 歡，李常剛

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

電壓安全是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要條件，無功支撐能力不足將導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)甚至電壓崩潰，引發(fā)大面積停電［1］。美加“8.14 大停電”正是電壓支撐能力不足導(dǎo)致的全網(wǎng)電壓崩潰事故，損失負(fù)荷61 800 MW，導(dǎo)致5 000 萬居民失去電力供應(yīng)。我國能源資源分布極不平衡，初步形成以超高壓/特高壓交直流長(zhǎng)距離輸電為主的西電東送格局，在東部負(fù)荷中心建成若干交直流多落點(diǎn)大型受端電網(wǎng)。與此同時(shí)，碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提出后，新能源呈井噴式增長(zhǎng)，通過機(jī)組置換效應(yīng)不斷擠占網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組開機(jī)空間，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓支撐能力進(jìn)一步惡化［2］。

特別對(duì)于山東、江蘇、浙江等多直流集中饋入的受端電網(wǎng)而言，面臨電壓支撐能力不足、交直流相互影響加劇、運(yùn)行方式復(fù)雜多變的挑戰(zhàn)更為突出，交流故障極易引發(fā)多回直流連續(xù)換相失敗，甚至導(dǎo)致全網(wǎng)電壓崩潰［3］。提升對(duì)直流系統(tǒng)的支撐能力，保障受端電網(wǎng)的電壓安全已成為電力行業(yè)亟待解決的重要難題［4］。

針對(duì)多直流受端電網(wǎng)故障引起的電壓?jiǎn)栴}，文獻(xiàn)［5］從臨界斷面特性、故障類型、無功支撐效果、直流暫態(tài)過程、負(fù)荷模型等多方面進(jìn)行詳細(xì)分析；文獻(xiàn)［6］從穩(wěn)態(tài)控制的角度提出分層接入的特高壓直流系統(tǒng)無功控制策略；文獻(xiàn)［7］從緊急控制的角度提出通過快速投切電容電抗器提升動(dòng)態(tài)電壓支撐效果；文獻(xiàn)［8］從規(guī)劃的角度，利用退役火電機(jī)組改造為調(diào)相機(jī)布置在直流落點(diǎn)，增加無功資源儲(chǔ)備。上述分析多從交流系統(tǒng)的角度，通過合理配置、優(yōu)化及控制無功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)受端電網(wǎng)電壓支撐能力的提升。而從直流自身控制的角度而言，常用方法為通過配置直流低壓限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL）改善直流系統(tǒng)故障期間的無功特性，預(yù)防或減少換相失敗的發(fā)生。

當(dāng)檢測(cè)到逆變側(cè)母線電壓降落超過閾值時(shí)，低壓限流環(huán)節(jié)可按照預(yù)設(shè)指令強(qiáng)制減小直流電流，進(jìn)而降低直流輸送功率，減少直流系統(tǒng)的無功功率需求［9］。VDCOL 配置參數(shù)對(duì)直流動(dòng)態(tài)特性影響顯著，單回直流的VDCOL 參數(shù)配置方法已較為成熟，文獻(xiàn)［10］提出一種抑制直流連續(xù)換相失敗的VDCOL 參數(shù)優(yōu)化策略，利用多通道輸入數(shù)據(jù)比對(duì)，根據(jù)故障發(fā)展過程自適應(yīng)調(diào)整VDCOL 控制策略，抑制后續(xù)換相失敗的發(fā)生。文獻(xiàn)［11-12］則通過提出具有自適應(yīng)能力的變斜率控制策略實(shí)現(xiàn)VDCOL 參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，提升直流動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性。

隨著多直流饋入系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)多回直流VDCOL 參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化的研究開始逐漸深入［13］。文獻(xiàn)多從直流系統(tǒng)間的交互影響分析入手，建立能夠準(zhǔn)確描述不同直流落點(diǎn)強(qiáng)弱的量化指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)根據(jù)直流容量、落點(diǎn)等差異配置不同的VDCOL 參數(shù)優(yōu)化算法。山東電網(wǎng)作為典型的多直流受端電網(wǎng)，正面臨交流故障下的電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)，制約受電水平及新能源消納水平［14-15］。為應(yīng)對(duì)多回直流饋入地區(qū)電網(wǎng)后帶來的電壓安全風(fēng)險(xiǎn)，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提出一種提升地區(qū)電網(wǎng)受電能力的多直流VDCOL 參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，從通過臨界運(yùn)行方式確定失穩(wěn)模式，進(jìn)而配置具有針對(duì)性的VDCOL 參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方案，抑制換相失敗的發(fā)生，提升地區(qū)電網(wǎng)受電能力。

1 低壓限流控制參數(shù)優(yōu)化機(jī)理

1.1 VDCOL控制環(huán)節(jié)與參數(shù)說明

典型的直流系統(tǒng)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖1中，Ud、Id分別為直流電壓、電流；Uac為交流換流母線電壓；α為觸發(fā)角；Pref、ΔP分別為直流功率控制的參考值與功率偏差；αref為觸發(fā)角給定值。為解決交流故障下，直流系統(tǒng)可能出現(xiàn)的大電流低電壓特征，直流輸電系統(tǒng)普遍配置低壓限流環(huán)節(jié)，以便對(duì)低電壓時(shí)的直流電流信號(hào)進(jìn)行限制，降低直流系統(tǒng)在故障及其恢復(fù)過程中對(duì)交流系統(tǒng)的無功功率需求，改善直流輸電系統(tǒng)的恢復(fù)特性。該環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)判別直流線路兩側(cè)直流電壓Ud，若輸入電壓小于給定值，則降低直流電流給定值I0，降低幅值大小取決于實(shí)際電壓降低幅值。逆變器關(guān)斷角控制器作為限制器使用，防止關(guān)斷角過小發(fā)生換相失敗，本文所考慮的關(guān)斷角控制器基于實(shí)測(cè)關(guān)斷角，最小關(guān)斷角參考實(shí)際工程設(shè)置為17°［16］。

圖1 直流系統(tǒng)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)Fig.1 DC system regulator structure

1.2 VDCOL參數(shù)調(diào)整原則

按照接受量測(cè)信號(hào)不同，目前常見的VDCOL 控制可分為兩類：交流電壓型低壓限流環(huán)節(jié)（Alternating Current-VDCOL，AC-VDCOL）和直流電壓型低壓限流環(huán)節(jié)（Direct Current-VDCOL，DCVDCOL），國內(nèi)現(xiàn)有直流工程均為直流電壓信號(hào)型。VDCOL 基本限流曲線為圖2 所示的直線，通過位移、改變其斜率等方式可以顯著影響其限流效果。通過調(diào)整電壓限流上限Udhigh、電壓限流下限Udlow、最小電流數(shù)值Iomin、限流指令延遲時(shí)間Tup等參數(shù)可以改變直流系統(tǒng)在故障期間的輸出特性，按照不同的設(shè)定目標(biāo)改善其動(dòng)態(tài)特性。

圖2 Udhigh、Udlow參數(shù)對(duì)直流U-I曲線影響Fig.2 The influence of curve U-I with Udhigh and Udlow

1）通過改變Udhigh、Udlow數(shù)值控制逆變器無功功率消耗。如圖2 所示，將特性控制曲線右移（即同時(shí)增大Udhigh、Udlow），則VDCOL 環(huán)節(jié)可在發(fā)生電壓降落后提前啟動(dòng)，更快地抑制直流系統(tǒng)的無功功率吸收，提升電壓穩(wěn)定性。該調(diào)整缺點(diǎn)為減小直流功率的傳輸，可能出現(xiàn)更大的有功功率缺額。

2）通過改變Iomin數(shù)值也可以控制逆變器無功功率消耗。如圖3 所示，降低Iomin數(shù)值使曲線由1 變?yōu)?，通過改變曲線斜率使VDCOL 在電壓下降過程中電流更小，無功消耗更低，利于電壓穩(wěn)定，同樣減小了直流功率的傳輸。

圖3 Iomin參數(shù)對(duì)直流U-I曲線影響Fig.3 The influence of curve U-I with Iomin

3）通過修改指令延遲時(shí)間Tup，可以改變恢復(fù)期間的電流指令延時(shí)時(shí)間。Tup數(shù)值越大，延時(shí)越大，使直流電流的恢復(fù)滯后于電壓的恢復(fù)，以減小直流系統(tǒng)輸送功率的恢復(fù)速度和換流站的無功消耗。同時(shí)，時(shí)延過大不利于把握控制精度，因此在優(yōu)化中該參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較小。

對(duì)于受端電網(wǎng)較弱的工程，逆變側(cè)交流故障后電壓恢復(fù)較慢，出現(xiàn)振蕩甚至換相失敗，優(yōu)化中需要鈍化低壓限流信號(hào)，采用較大Tup數(shù)值和較高的Udhigh，避免VDCOL 在振蕩過程中惡化系統(tǒng)恢復(fù)。

2 多饋入短路比與電壓穩(wěn)定性

當(dāng)受端系統(tǒng)有多回直流線路集中饋入時(shí)，交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)、多直流系統(tǒng)間的交互影響更為顯著且難以解耦，給系統(tǒng)優(yōu)化與控制帶來挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有研究通過提出多種類型的指標(biāo)用以描述多直流饋入系統(tǒng)的運(yùn)行特性?？紤]交流系統(tǒng)短路容量、多回直流輸電容量以及各直流逆變站間的電氣耦合關(guān)系，多篇文獻(xiàn)提出多饋入短路比［17-18］，其定義為

式中：MISCR,i為第i回直流的多饋入短路比；Saci為第i回直流的換流母線短路容量；Pdeqi為考慮其他直流對(duì)第i條直流影響的等值直流功率；n為直流回?cái)?shù)；Pdi、Pdj分別為第i、j回直流的額定功率；MIIF,ji為多饋入相互影響因子，定義為在第i回直流的換流母線上施加微小的無功擾動(dòng)時(shí)，第j回直流的換流母線電壓變化量ΔUj與第i回直流的換流母線電壓變化量ΔUi的比值。

多饋入相互影響因子對(duì)多饋入短路比的影響最為顯著，因此，能夠反映多回直流落點(diǎn)間的電氣距離。MIIF,ji參數(shù)越大，表示直流間的耦合關(guān)系越緊密，直流換流母線j對(duì)換流母線i的參與度越強(qiáng)；反之，MIIF,ji參數(shù)越小，表示直流間的耦合關(guān)系越弱，換流母線j對(duì)換流母線i的參與度越弱。在實(shí)際系統(tǒng)中，根據(jù)相互影響因子的大小，可以有效確定多直流饋入系統(tǒng)的規(guī)模及范圍［19-20］。

交流系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，其電壓支撐能力越強(qiáng)，對(duì)直流換流過程的恢復(fù)特性更為有利，多饋入短路比越大，直流電網(wǎng)越不容易出現(xiàn)連續(xù)換相失敗甚至閉鎖。因此，在進(jìn)行直流VDCOL 參數(shù)優(yōu)化時(shí)，可以先通過計(jì)算直流落點(diǎn)母線的多饋入短路比大小，采取針對(duì)性的參數(shù)優(yōu)化策略，重點(diǎn)針對(duì)多饋入短路比較小的薄弱直流進(jìn)行優(yōu)化，使控制效果更具有針對(duì)性。在不額外配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的條件下，減少直流連續(xù)換相失敗的發(fā)生，提升多直流受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，進(jìn)而提升其外網(wǎng)受電能力。

3 多直流VDCOL參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法

當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的故障擾動(dòng)時(shí)，多回電氣距離較近的直流恢復(fù)過程同時(shí)從交流系統(tǒng)吸收大量無功功率，如果受端電網(wǎng)在直流近區(qū)配置的動(dòng)態(tài)無功資源不足，則可能引起連續(xù)換相失敗甚至直流閉鎖。另一方面，VDCOL 的啟動(dòng)抑制直流電流的數(shù)值，減小了故障期間有功功率傳輸，可能增大有功缺額，造成系統(tǒng)頻率下降并易引發(fā)低頻減載。為此，提出基于不同失穩(wěn)模式的VDCOL 參數(shù)優(yōu)化方法，優(yōu)化流程如圖4 所示。

圖4 多直流VDCOL參數(shù)優(yōu)化方法流程Fig.4 Optimization method of multi-DC VDCOL parameters

首先，通過臨界運(yùn)行方式確定當(dāng)前系統(tǒng)的主導(dǎo)失穩(wěn)模式：功角失穩(wěn)或電壓失穩(wěn)。針對(duì)功角失穩(wěn)模式應(yīng)保證直流恢復(fù)過程的有功功率傳輸，避免更大的有功缺額。根據(jù)多饋入短路比大小差異化優(yōu)化不同直流的參數(shù)實(shí)現(xiàn)降低總無功需求的目標(biāo)。具體優(yōu)化方法為：對(duì)于MISCR系數(shù)較小的直流（工程中一般認(rèn)為其數(shù)值小于2 時(shí)為極弱系統(tǒng)），由于其電壓支撐能力較弱，適當(dāng)提高Udhigh、Udlow數(shù)值使直流系統(tǒng)盡早啟動(dòng)VDCOL 功能，適當(dāng)降低Iomin數(shù)值、增加控制斜率，快速減少無功消耗；對(duì)于MISCR系數(shù)較大的直流（工程中其數(shù)值大于3 認(rèn)為是強(qiáng)系統(tǒng)），適當(dāng)降低Udhigh、Udlow數(shù)值，增加Iomin數(shù)值，增加恢復(fù)期間的有功功率傳輸。通過錯(cuò)位調(diào)節(jié)低壓限流環(huán)節(jié)參數(shù)可以滿足在現(xiàn)有動(dòng)態(tài)無功資源不變的條件下，合理分配不同直流之間的無功功率，減小電壓崩潰出現(xiàn)概率。

針對(duì)電壓失穩(wěn)模式，可在一定程度內(nèi)適當(dāng)降低多直流總的有功功率，同樣按照多饋入短路比對(duì)直流進(jìn)行排序，多饋入短路比較小的直流大幅提高Udhigh、Udlow數(shù)值，降低Iomin數(shù)值；多饋入短路比較大的電網(wǎng)維持Udhigh、Udlow及Iomin等參數(shù)不變。

4 算例分析

4.1 多直流受端電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證所提方法的有效性，基于電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP），以山東實(shí)際電網(wǎng)為例開展仿真驗(yàn)證，圖5 為山東電網(wǎng)直流受端近區(qū)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。如圖5 所示，共有魯固直流、昭沂直流、銀東直流三回特高壓直流輸電系統(tǒng)饋入山東電網(wǎng)。其中，魯固直流、昭沂直流采取分層接入的方式分別接入500 kV、1 000 kV 電網(wǎng)，銀東直流直接接入500 kV 電網(wǎng)。三回直流落點(diǎn)電氣距離近，交互作用顯著，嚴(yán)重的交流故障可能引起三回直流逆變側(cè)同時(shí)發(fā)生換相失敗甚至閉鎖，控制難度較大。

圖5 山東電網(wǎng)直流近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of DC nearby power grid structure of Shandong power grid

表1 山東直流換流母線多饋入短路比Table 1 The multiple feed short circuit ratios of DCs in Shandong

在某一典型運(yùn)行方式下，三回直流落點(diǎn)換流母線處的多饋入短路比計(jì)算結(jié)果如表4 所示。膠東站多饋入短路比最大，沂南、廣固站相對(duì)較小。因此可知，魯固直流、昭沂直流落點(diǎn)的電壓支撐能力相對(duì)較弱，需要進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)整。

4.2 VDCOL參數(shù)優(yōu)化方案

隨著山東電網(wǎng)新能源并網(wǎng)增加及外受電比例逐年增大，面臨動(dòng)態(tài)無功/電壓支撐能力不足，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度降低等風(fēng)險(xiǎn)。通過極限運(yùn)行方式計(jì)算可得，山東電網(wǎng)主導(dǎo)失穩(wěn)模式為交流故障引起的電壓失穩(wěn)，因此，本算例按照電壓失穩(wěn)模式的優(yōu)化流程對(duì)三回直流VDCOL 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整原則為銀東直流參數(shù)不變，增加昭沂、魯固直流Udhigh、Udlow數(shù)值，降低Iomin數(shù)值，優(yōu)化前后的多回直流參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 多直流VDCOL參數(shù)優(yōu)化方案Table 2 Optimization scheme of multi-DC VDCOL parameters

4.3 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

設(shè)置典型故障為海河—泉城特高壓線路雙線N-2 接地短路故障。故障具體設(shè)置如下：1 s 時(shí)刻海河—泉城特高壓線路泉城站出口2% 處發(fā)生三相接地短路故障，1.1 s 同時(shí)切除同塔兩回特高壓線路。以魯固直流為例，優(yōu)化前后直流換流站母線電壓、熄弧角等物理量變化趨勢(shì)如圖6、圖7所示。

圖6 廣固站1 000 kV母線電壓曲線Fig.6 The voltage curve of 1 000 kV Guanggu substation

圖7 魯固直流逆變側(cè)熄弧角變化曲線Fig.7 The curve of arc extinguishing angle on the inverter side of Lugu DC

對(duì)比圖6、圖7 可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前廣固換流站母線電壓在故障后恢復(fù)較慢，直至8 s 后發(fā)生多次連續(xù)換相失敗，魯固直流功率傳輸下降為0，并最終出現(xiàn)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象。采用VDVOL 優(yōu)化參數(shù)后，直流系統(tǒng)可以在整個(gè)故障過程中保持穩(wěn)定，廣固換流站僅在故障瞬間發(fā)生1 次換相失敗，電壓動(dòng)態(tài)恢復(fù)速度明顯提升，故障切除后未再發(fā)生換相失敗。綜上所述，通過本文所提的基于不同失穩(wěn)模式的多直流VDCOL 參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，可以更具針對(duì)性地改善直流動(dòng)態(tài)特性，提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

進(jìn)一步，在某一臨界運(yùn)行方式下，校核山東電網(wǎng)優(yōu)化前后的交流外受電能力，初始邊界條件為山東三大直流群功率20 000 MW，山東總負(fù)荷70 000 MW，計(jì)算結(jié)果如表3 所示，優(yōu)化VDCOL 參數(shù)后，山東電網(wǎng)交流外受電能力從12 000 MW 提升至12 600 MW，提升約600 MW。同理，保持山東電網(wǎng)交流外受電12 000 MW，調(diào)整魯固直流傳輸功率，計(jì)算結(jié)果如表3、表4 所示，優(yōu)化參數(shù)后同樣可以提升直流受電600 MW。綜上所述，采用本文所述VDCOL 優(yōu)化方法可以提升山東電網(wǎng)交直流受電能力600 MW。

表3 優(yōu)化前后山東電網(wǎng)交流受電能力比較Table 3 Comparison of AC power receiving capacity of Shandong power grid before and after optimization

表4 優(yōu)化前后山東電網(wǎng)直流受電能力比較Table 4 Comparison of DC power receiving capacity of Shandong power grid before and after optimization

5 結(jié)束語

隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展、碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，電網(wǎng)運(yùn)行特性復(fù)雜多變、交直流相互影響加劇，交流故障極易引發(fā)多回直流連續(xù)換相失敗，甚至導(dǎo)致全網(wǎng)電壓崩潰。提出一種基于不同失穩(wěn)模式的多直流VDCOL 參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法。通過臨界運(yùn)行方式確定當(dāng)前系統(tǒng)的主導(dǎo)失穩(wěn)模式，并針對(duì)功角失穩(wěn)、電壓失穩(wěn)兩種不同模式制定差異化的VDCOL 參數(shù)調(diào)整方案?；诙囵伻攵搪繁认鄬?duì)大小排序，對(duì)多回直流配置不同的參數(shù)調(diào)整策略，最終達(dá)到抑制換相失敗的發(fā)生，提升地區(qū)電網(wǎng)接納外受電的效果。經(jīng)過實(shí)際電網(wǎng)的仿真分析驗(yàn)證可得，按照本文方法優(yōu)化直流參數(shù)后，可增加山東電網(wǎng)交直流外受電能力約600 MW。