Multi-Infeed HVDC中不同混合結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)運行特性研究

梅永振，王海云，李陽

（教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心（新疆大學電氣工程學院），新疆烏魯木齊 830047）

Multi-Infeed HVDC中不同混合結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)運行特性研究

梅永振，王海云，李陽

（教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心（新疆大學電氣工程學院），新疆烏魯木齊 830047）

基于PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了多饋入高壓直流系統(tǒng)的3種不同混合輸電結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)，通過連于受端弱交流系統(tǒng)，研究了3種子系統(tǒng)的暫態(tài)運行特性，仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)相比，含VSC的子系統(tǒng)在抑制換相失敗、縮短故障恢復時間等方面具有明顯的優(yōu)勢。而且，隨著電力電子器件的快速發(fā)展，VSC的成本逐漸降低，含H-HVDC的多饋入系統(tǒng)將成為以后電網(wǎng)新建和已有電網(wǎng)改造升級的可行方案。

多饋入高壓直流輸電系統(tǒng)；換相失??；混合高壓直流輸電系統(tǒng)

隨著我國用電需求的快速增長，加之“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的全面推進，用電需求量較大的負荷中心已形成多條HVDC輸電系統(tǒng)接入的電網(wǎng)架構(gòu)，與其所饋入的受端交流電網(wǎng)形成多饋入直流輸電系統(tǒng)（multi-infeed system，Ml system）[1-5]。根據(jù)國家交直流電網(wǎng)規(guī)劃，未來幾年，落點華東電網(wǎng)中的高壓直流輸電線路將達8回以上，其中落點廣東電網(wǎng)的高壓直流輸電線路將達5回以上；落點南方電網(wǎng)高壓直流輸電線路將達7回以上。與單饋入輸電系統(tǒng)相比，多饋入直流輸電系統(tǒng)輸送容量更大，供電能力更強，已經(jīng)成為我國實施“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的重要解決方案[6-9]。多饋入高壓直流輸電系統(tǒng)主要有以下3種子系統(tǒng)構(gòu)成：1）子系統(tǒng)都是由傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)（LCCHVDC）構(gòu)成；2）子系統(tǒng)由傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)（LCC-HVDC）和含有電壓原型換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC）構(gòu)成；3）子系統(tǒng)由傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)（LCC-HVDC）和整流側(cè)采用LCC、逆變側(cè)采用VSC的混合高壓直流輸電系統(tǒng)（HHVDC）。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學者已經(jīng)對單饋入LCC-HVDC、雙饋入LCC-HVDC做了一定的研究，近來一些學者對H-HVDC運行特性也做了相關(guān)研究。文獻[10-12]分析了STATCOM對傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性的影響，在STATCOM控制環(huán)節(jié)，通過投入交流電壓參考值調(diào)節(jié)功能，有效地降低了換相失敗的發(fā)生概率。文獻[13-14]討論了多饋入短路比及多饋入廣義短路比的定義，并驗證了基于多饋入短路比指標來評價系統(tǒng)運行特性的正確性。文獻[15]通過分析PV和QV的仿真波形，探究了混合高壓直流輸電對系統(tǒng)運行特性的影響，指出VSC-HVDC接入弱交流系統(tǒng)的優(yōu)勢以及獨立控制有功、無功的能力。文獻[16-18]研究了VSC-HVDC系統(tǒng)在可再生能源發(fā)電中的應用，由于VSC-HVDC的換流器采用全控型電力電子器件，其不會發(fā)生換向失敗，能獨立控制有功、無功功率的傳輸方向，因此提高了可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的能力。綜合國內(nèi)外諸多研究，許多學者都集中在特定一種輸電形式的研究中，而未考慮現(xiàn)實生活中已存在的多饋入系統(tǒng)，未研究對其運行特性進行改善，子系統(tǒng)需何種混合運行方式以及新建多饋入系統(tǒng)中子系統(tǒng)的混合方式。

本文通過PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了多饋入直流系統(tǒng)的3種混合直流輸電結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)，其除換流器位置、種類不同外，其余直流電路參數(shù)、系統(tǒng)容量均相同?？紤]短路比、多饋入交互因子、受端交流系統(tǒng)強度等因素，仿真分析故障狀態(tài)下3種子系統(tǒng)的運行特性。仿真結(jié)果表明VSC-HVDC的饋入有效地改善了Mutli-infeed HVDC系統(tǒng)的運行特性，在饋入受端為弱交流系統(tǒng)時，VSC-HVDC的優(yōu)勢更加突出，尤其由H-HVDC饋入形成的mutli-infeed HVDC系統(tǒng)，有效地提高了抵御換相失敗的能力，降低了換相失敗的發(fā)生率，縮短了故障恢復時間，從而改善了mutli-infeed HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運行特性。

1 mutli-infeed HVDC系統(tǒng)中子系統(tǒng)的建立

本文在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下建立3種混合結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)。文章中涉及到的LCC-HVDC均采用CIGRE HVDC標準模型中的參數(shù)，其容量為1 000 MW，直流電壓為500 kV；VSC-HVDC和HHVDC系統(tǒng)的容量設(shè)定為300 MW，直流電壓為220 kV。隨著饋入同一點的直流線路的增多，直流輸電的容量不斷增大，很可能造成受端為弱交流系統(tǒng)，因而將增大mutli-infeed HVDC系統(tǒng)的換相失敗及其連續(xù)換相失敗的發(fā)生概率。根據(jù)前人研究可得：受端交流系統(tǒng)的強弱與系統(tǒng)的短路比（SCR）有關(guān)，當SCR大于3時，系統(tǒng)為強系統(tǒng)，對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定沒有影響，也不會引起過電壓和連續(xù)換相失敗的現(xiàn)象；當SCR介于2和3之間時，系統(tǒng)強度一般，此時多饋入模式下直流輸電系統(tǒng)仍可以穩(wěn)定運行；當SCR小于2時，系統(tǒng)為弱系統(tǒng)，尤其在LCC-HVDC運行時，若發(fā)生小干擾故障，系統(tǒng)將會發(fā)生暫態(tài)過電壓、連續(xù)換相失敗，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為探究3種混合結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行特性，將3種多饋入直流系統(tǒng)連于若干交流系統(tǒng)，系統(tǒng)SCR設(shè)為1.9[19-27]。3種子系統(tǒng)混合結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 子系統(tǒng)不同混合結(jié)構(gòu)原理簡圖Fig.1 The principle diagram of different hybrid structure of the subsystem

2 子系統(tǒng)的仿真與分析

2.1 LCC-HVDC雙饋入子系統(tǒng)的運行分析

此mutli-infeed HVDC的子系統(tǒng)是由2條LCCHVDC組成，2條LCC-HVDC的整流器均采用定直流電流控制，逆變器均采用定熄弧角控制，且熄弧角（γ）等于15°[28]。設(shè)定系統(tǒng)在2.1 s時發(fā)生故障，運行系統(tǒng)，研究第一條LCC-HVDC（1 000 MW）運行特性，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2仿真結(jié)果可得：LCC-HVDC雙饋入子系統(tǒng)在2.1 s時發(fā)生短路故障，整流側(cè)、逆變側(cè)直流電壓迅速下降，整流側(cè)直流電壓跌落至-1.1 pu；直流電流出現(xiàn)大幅度波動，尤其逆變側(cè)電流值的沖擊達到2.5 pu，系統(tǒng)出現(xiàn)連續(xù)換相失敗現(xiàn)象，故障恢復時間約為0.5 s。由于電網(wǎng)換相變流器（LCC）使用無自行關(guān)斷能力的晶閘管，加之子系統(tǒng)饋入弱交流系統(tǒng)，加大了發(fā)生換相失敗的可能性，甚至促發(fā)連續(xù)換相失敗的產(chǎn)生。

圖2 第一條LCC-HVDC的暫態(tài)運行特性Fig.2 The transient characteristics of the first LCC-HVDC

2.2 LCC-HVDC和VSC-HVDC雙饋入子系統(tǒng)的仿真分析

該子系統(tǒng)由1 000 MW的LCC-HVDC和300 MW的VSC-HVDC構(gòu)成，LCC-HVDC輸電系統(tǒng)的整流側(cè)仍采用定直流電流控制、逆變側(cè)為定熄弧角控制；VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的送端采用定有功功率和定無功功率控制、受端采用定直流電壓控制和定無功功率控制。設(shè)定系統(tǒng)在2.1 s時發(fā)生故障，運行系統(tǒng)，研究LCC-HVDC（1 000 MW）的運行特性。仿真結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果圖3可以得到：系統(tǒng)在2.1 s時發(fā)生短路故障，系統(tǒng)整流側(cè)、逆變側(cè)的電壓和電流值出現(xiàn)波動，直流電壓波動值在0.5 pu左右，直流電流波動值在1.0 pu左右，其持續(xù)時間約為0.5 s，較LCCHVDC雙饋入輸電子系統(tǒng)相比，LCC-HVDC和VSCHVDC雙饋入子系統(tǒng)一定程度上改善了電壓、電流的波形。VSC-HVDC輸電系統(tǒng)是由可關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成，可以獨立調(diào)節(jié)有功、無功功率，并且本身不存在發(fā)生換相失敗的可能，當受端交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，VSC-HVDC對交流母線的電壓具有一定的支撐能力，抵御LCC-HVDC發(fā)生換相失敗，改善系統(tǒng)運行特性，提高電能質(zhì)量。

圖3 LCC-HVDC的暫態(tài)運行特性Fig.3 The transient characteristics of LCC-HVDC

2.3LCC-HVDC和H-HVDC混合子系統(tǒng)的仿真分析

該子系統(tǒng)是由一條LCC-HVDC輸電線路和一條H-HVDC輸電線路組成，LCC-HVDC的容量仍然是1 000 MW，其整流側(cè)控制方式為定直流電流控制、逆變側(cè)為定熄弧角控制；H-HVDC輸電線路的整流側(cè)為LCC、逆變側(cè)為VSC，其容量為300 MW，整流側(cè)采用定直流電流控制、逆變側(cè)為定直流電壓控制和定無功功率控制[29-30]。設(shè)定子系統(tǒng)在2.1 s時發(fā)生短路故障，運行系統(tǒng)，研究LCC-HVDC（1 000 MW）的運行特性。仿真結(jié)果如圖4所示。

通過仿真可知，子系統(tǒng)在2.1 s時發(fā)生短路故障，與LCC-HVDC、VSC-HVDC雙饋入子系統(tǒng)的仿真結(jié)果相比較，混合系統(tǒng)的直流電壓、電流的波動幅值較小，與圖3相比較，電壓波動幅值降低了約0.4 pu，逆變側(cè)沖擊電流降低了約0.2 pu，同時縮減了故障恢復時間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行特性。

圖4 LCC-HVDC的暫態(tài)運行特性Fig.4 The transient characteristics of LCC-HVDC

3 結(jié)語

本文基于PSCAD/EMTDC仿真軟件建立了多饋入直流系統(tǒng)的3種不同混合輸電結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)，通過連于受端弱交流系統(tǒng)，研究了3種子系統(tǒng)的運行特性，仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)相比，含VSC的子系統(tǒng)在抑制換相失敗、縮短故障恢復時間等方面具有明顯的優(yōu)勢。

含H-HVDC的子系統(tǒng)結(jié)合了LCC-HVDC和VSCHVDC的兩者優(yōu)勢，既降低了VSC系統(tǒng)的開關(guān)損耗，也提高了LCC系統(tǒng)的抵御換相失敗的能力，加快了故障恢復速率，改善了系統(tǒng)的暫態(tài)運行特性，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。加之近幾年來，隨著電力電子器件的快速發(fā)展，VSC的成本逐漸降低，含H-HVDC的多饋入系統(tǒng)將成為以后電網(wǎng)新建和已有電網(wǎng)改造升級的可行方案。

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Study on the Operating Characteristics of the Subsystem with Different Hybrid Structures in Mutli-Infeed HVDC

MEI Yongzhen，WANG Haiyun，LI Yang
（Ministry of Education Renewable Energy Generation and Grid Control Engineering Technology Research Center（School of Electric Engineering，Xinjiang University），Urumqi 830047，Xinjiang，China）

In this paper，the subsystem of three kinds of different hybrid structures in the multi-infeed HVDC system is established based on the PSCAD/EMTDC simulation software.After connected to the weak AC system，the transient operating characteristics of the subsystem are studied.The simulation results show that compared with the traditional HVDC transmission system，the subsystems containing VSC have obvious advantages in suppressing commutation failure and shortening the time of the fault recovery.This paper also points out that，with the rapid development of power electronic devices and the gradual reduction of the cost of VSC，the multi-infeed system with H-HVDC will become a feasible scheme for the new building and the reconstruction of the power grid.

multi-infeed HVDC system；commutation failure；hybrid HVDC transmission system

2016-04-11。

梅永振（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向為高壓直流輸電及可再生能源并網(wǎng)技術(shù)；

（編輯 馮露）

國家自然科學基金項目（51267017）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（863計劃）（2013AA050604）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51267017）；National High Technology Research Program（863 Program）（2013AA050604）.

1674-3814（2017）03-0023-05

TM721.1

A

王海云（1973—），女，博士，教授，碩士生導師，研究方向為可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)、高壓直流輸電及功率補償技術(shù)。