特高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗預測環(huán)節(jié)對送端電網(wǎng)影響分析

，，

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

特高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗預測環(huán)節(jié)對送端電網(wǎng)影響分析

朱清代，滕予非，李小鵬

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

分析了計及換相失敗預測環(huán)節(jié)對特高壓直流工程在逆變側(cè)交流故障情況下的響應行為，探討了特高壓直流換相失敗預測環(huán)節(jié)對送端電網(wǎng)直流送端電氣量的影響以及換相失敗預測控制環(huán)節(jié)參數(shù)的靈敏度。結(jié)果表明，換相失敗預測環(huán)節(jié)的投入可以起到減少換相失敗持續(xù)時間的作用。最后，在逆變側(cè)電壓跌落出現(xiàn)換相失敗后，分析了其對傳輸有功功率恢復速度及送端交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能的影響。

換相失敗預測環(huán)節(jié)；逆變側(cè)；觸發(fā)角；功角穩(wěn)定

0 引 言

由于特高壓直流輸電技術在遠距離大容量輸電、大區(qū)電網(wǎng)非同步互聯(lián)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制方面的優(yōu)勢，目前世界各國均積極開展特高壓直流輸電相關領域的研究，并且在特高壓直流送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性分析研究方面取得了大量研究成果[1-2]。

大量學者利用PSCAD、BPA以及PSASP等仿真工具，針對特定的直流工程對送端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性進行了詳細的分析。

換相失敗是直流輸電系統(tǒng)的常見故障，一直是業(yè)界研究的熱點[3-4]。研究表明，在直流輸電工程換相失敗過程中，各電氣量均發(fā)生劇烈波動，其中換流母線電壓最低可降至0，直流電流一般可增加到額定電流的1.5 倍，直流有功功率可瞬時下降至0 甚至短時反向(最低至-1.0 p.u.)，直流無功功率過剩；在換相失敗恢復過程中換流站短時向系統(tǒng)注入大量無功[5-7]。

下面在介紹高壓直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)交流電壓快速跌落及恢復時直流功率動態(tài)特性的基礎上，利用仿真分析的方法, 分析了換相失敗預測環(huán)節(jié)對送端電網(wǎng)直流電氣量的影響；在逆變側(cè)電壓跌落出現(xiàn)換相失敗后，分析了其對傳輸有功功率恢復速度及送端交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能的影響。

1 逆變側(cè)交流電壓快速跌落及恢復時直流功率動態(tài)特性

1.1 換相失敗預測環(huán)節(jié)

在逆變側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由于換流站母線單相或三相交流電壓下降，直流輸電存在換相失敗風險。為防止換相失敗發(fā)生并在故障結(jié)束后加快直流恢復，直流工程往往引入換相失敗預測環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)在檢測到交流系統(tǒng)故障后，會使熄弧角值增加以提前觸發(fā)，也會影響Amax環(huán)節(jié)使得最大α角限制值減小。換相失敗預測增加逆變側(cè)γ角可以有3個來源。

第1是逆變側(cè)確實出現(xiàn)換相失敗，其檢測條件與換相失敗保護檢測條件相同，此時γ角會增加5°；第2是逆變側(cè)交流電壓出現(xiàn)零序分量，當零序分量過大時，控保系統(tǒng)會根據(jù)零序分量大小相應增加γ角，最大可增加25.84°。第3是逆變側(cè)交流三相電壓有效值下降，當下降程度較大時，控保系統(tǒng)會根據(jù)三相電壓有效值下降程度相應增加γ角，最大可增加25.84°。最終換相失敗預測的輸出取以上3個輸出的最大值。

1.2 高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了分析逆變側(cè)交流電壓快速跌落及恢復時直流功率動態(tài)特性，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中，建立如圖 1所示的特高壓直流輸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)額定電壓為±800 kV、額定電流為5 kA，因此雙極額定功率達到8 000 MW。

圖1 高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型

當直流受端近區(qū)交流母線出現(xiàn)短路故障時，隨著故障的發(fā)生及清除，換流站交流母線電壓將出現(xiàn)快速的跌落及恢復。為了描述該過程，可設置如下情景：

令直流輸電送、受兩端換流站交流母線三相短路容量均為57 200 MVA，同時設置受端電壓電動勢跌落深度ΔEt為0.65 p.u.、變化頻率fs為8 Hz。在換相失敗預測環(huán)節(jié)方面，設置熄弧角γ最大提升量為Δγmax=25.8419°，交流母線電壓恢復后熄弧角γ的恢復時間常數(shù)Tfcdc=20 ms。在上述設置下，分別考慮控保系統(tǒng)中是否配置換相失敗預測環(huán)節(jié)兩種工況，對高壓直流系統(tǒng)的動態(tài)響應特性進行仿真分析。

1.3 仿真分析

在考慮控保系統(tǒng)中配置換相失敗預測環(huán)節(jié)與不配置換相失敗預測環(huán)節(jié)兩種工況下，兩側(cè)換流器觸發(fā)角以及直流電壓、直流電流的變化情況如圖 2所示。

由圖2可知，當高壓直流逆變側(cè)交流母線電壓發(fā)生快速變化，特高壓直流控制系統(tǒng)及電氣參數(shù)的主要響應特征解析如下：

圖2 電壓快速變化時整流側(cè)電氣量軌跡圖

1)Uac初始跌落的換相正常階段(oa階段)。在此過程中電壓輕微下降，直流電壓電流變化并不明顯，逆變側(cè)換流器未發(fā)生換相失敗，控制器觸發(fā)角輸出變化不大。

2)Uac深度跌落后換相失敗階段(配置換相失敗預測環(huán)節(jié)工況：a-b-c階段；未配置換相失敗預測環(huán)節(jié)工況：a-b-d階段)。由于逆變側(cè)交流母線電壓持續(xù)下降，逆變側(cè)換流器出現(xiàn)換相失敗現(xiàn)象。在換相失敗發(fā)生后，下一個換流閥換相完成將導致?lián)Q流閥形成旁通，這相當于逆變側(cè)換流閥直流側(cè)發(fā)生了短路、交流側(cè)發(fā)生了開路，將導致直流電壓顯著下降，而直流電流迅速增加。在此階段下，由于直流電流的快速增加，整流側(cè)的觸發(fā)角將會快速下降。對于逆變側(cè)控制指令而言，如果直流控制系統(tǒng)未配置換相失敗預測環(huán)節(jié)，逆變側(cè)控制器將繼續(xù)維持預測型定熄弧角控制方式，觸發(fā)角指令變化范圍不大。反之，如果直流控制系統(tǒng)配置了換相失敗預測環(huán)節(jié)，由于逆變側(cè)交流母線電壓的下降，逆變側(cè)控制器將增加熄弧角的指令值，導致觸發(fā)角指令顯著降低。在換相失敗預測控制環(huán)節(jié)的作用下，配置該環(huán)節(jié)工況下逆變側(cè)換流器較未配置該環(huán)節(jié)工況下提前8.4 ms結(jié)束換相失敗。

3)Uac恢復、逆變側(cè)換流器換相正常后直流電壓、電流調(diào)整階段(配置換相失敗預測環(huán)節(jié)工況：c-e-f階段；未配置換相失敗預測環(huán)節(jié)工況：d-e-f階段)。逆變側(cè)換流器換相正常后，由于整流側(cè)換流器觸發(fā)角顯著增加，直流電流難以快速恢復，從而進入低直流電流狀態(tài)。此過程中，整流側(cè)、逆變側(cè)控制器同時進入定電流控制模式，經(jīng)400 ms左右的調(diào)整后，直流恢復正常運行狀態(tài)。

對比兩種工況可知，當配置了換相失敗預測環(huán)節(jié)，導致?lián)Q相失敗預測期間逆變側(cè)觸發(fā)角指令值明顯小于未配置該環(huán)節(jié)的工況。這一舉措使得交流電壓恢復后直流電壓、電流恢復期間，直流電壓、電流的恢復速度明顯降低。

圖3所示是對應整流側(cè)交流母線電壓的變化，整流側(cè)有功功率及整流站與交流系統(tǒng)無功功率交換情況的變化軌跡。

圖3 電壓快速變化時整流側(cè)功率軌跡圖

由圖3可知，當直流系統(tǒng)配置了換相失敗預測環(huán)節(jié)后，在交流電壓恢復、直流進入電壓、電流調(diào)整期間，由于直流電壓、電流恢復速度變慢，因此直流有功功率的恢復速度也相應變慢。同時，也相應增加了無功功率的恢復時間，導致?lián)Q流站在濾波器的作用下，輸出容性無功時間明顯增加。

1.4 Δγmax對動態(tài)響應特性影響

保持其他因素不變，分別設置逆變側(cè)換流器換相失敗后，換相失敗預測環(huán)節(jié)熄弧角γ最大提升量余弦值分別為0.025、0.05及0.01(對應提升角度分別為12.83°、18.19°、25.84°)，由此可以得到逆變側(cè)交流電壓擾動期間，直流系統(tǒng)功率動態(tài)響應軌跡如圖4所示。

圖4 RAML不同輸出情況下時整流側(cè)功率軌跡圖

由圖4可知， 熄弧角γ最大提升量的增加降低了直流換相失敗期間的逆變側(cè)換流器觸發(fā)角，因此導致有功功率恢復速度進一步降低；同時電壓恢復期間整流側(cè)換流站釋放的無功功率也會相應而增加。

2 換相失敗預測環(huán)節(jié)對送端交直流系統(tǒng)功角穩(wěn)定性影響分析

由擴展等面積法則(extended equal area criterion，EEAC)可知，當直流控制保護系統(tǒng)配置了換相失敗預測環(huán)節(jié)后，當直流系統(tǒng)由于逆變側(cè)電壓跌落而出現(xiàn)換相失敗后，直流系統(tǒng)傳輸有功功率恢復速度將較未配置換相失敗預測環(huán)節(jié)時有所降低。因此，對于逆變側(cè)單次故障工況，換相失敗預測環(huán)節(jié)的引入將降低送端交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。換相失敗期間熄弧角γ最大提升量越大，對穩(wěn)定性能的影響也越大。

3 仿真算例

建立如圖5所示單機-直流-無窮大系統(tǒng)，其中特高壓直流的額定直流電壓為±800 kV,額定電流為5 kA,額定送電功率為8 000 MW。UC∠0°為無窮大系統(tǒng)，Et∠δ為一臺發(fā)電機，Pd為傳輸?shù)挠泄β省?/p>

圖5 單機-直流-無窮大算例系統(tǒng)

令：LG=0.068 H

LS=0.0203 H

在此工況下，特高壓直流整流站交流母線BDC短路容量約為56 400 MVA。

圖6 仿真結(jié)果

短路故障為：

t=2.0 s 特高壓直流整流站逆變母線出現(xiàn)三相短路故障；t=2.1 s 特高壓直流整流站逆變母線故障切除。

設置未配置換相失敗預測環(huán)節(jié)、Δγmax=12.83°以及Δγmax=25.8 419°三種場景下的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6中，不同場景下發(fā)電機功角振蕩的峰值以及阻尼比如表1所示。

表 1 不同場景下發(fā)電機振蕩峰值

由表1可知，在此工況下，配置了換相失敗預測環(huán)節(jié)后，當逆變側(cè)交流母線出現(xiàn)故障后，送端電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能較未配置前有所下降，且換相失敗期間熄弧角增加值越大，穩(wěn)定性越差。

4 結(jié) 語

對特高壓直流工程在逆變側(cè)交流故障情況下的控制行為及響應行為進行分析后，得到以下結(jié)論：

1)利用仿真分析的方法探討了特高壓直流換相失敗預測環(huán)節(jié)對送端電網(wǎng)直流送端電氣量的影響；分析了換相失敗預測控制環(huán)節(jié)參數(shù)的靈敏度。分析結(jié)果表明，換相失敗預測環(huán)節(jié)的投入的確可以起到減少換相失敗持續(xù)時間的目的。

2)當直流系統(tǒng)由于逆變側(cè)電壓跌落而出現(xiàn)換相失敗后，直流系統(tǒng)傳輸有功功率恢復速度將較未配置換相失敗預測環(huán)節(jié)時有所降低。因此，對于逆變側(cè)單次故障工況，換相失敗預測環(huán)節(jié)的引入將降低送端交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。換相失敗期間熄弧角γ最大提升量越大，對穩(wěn)定性能的影響也越大。

[1] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2014.

[2] 鄭超. 直流逆變站電壓穩(wěn)定測度指標及緊急控制[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(2): 344-352.

[3] Rahimi E, Gole A M, Davies J B, et al．Commutation Failure Analysis in Multi-infeed HVDC Systems[J]．IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(1)：378-384．[4] 王春明, 劉兵. 區(qū)域互聯(lián)多回直流換相失敗對送端系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術, 2013(4):1052-1057.

[5] 滕予非, 湯涌, 周波，等. 基于高頻電壓突變量的特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極引線故障監(jiān)測方法[J].高電壓技術, 2016, 42(1):72-78.

[6] 代賢忠, 沈沉．基于端口供給功率的低頻振蕩強相關機組識別方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(16):65-70.

The response behavior of UHVDC project under AC fault condition of inverter side are analyzed with consideration of commutation failure prediction. The impact of HVDC commutation failure prediction on electrical quantity of DC transmission terminal is discussed, and the sensitivity of the parameters in the predictive control of commutation failure is analyzed. The results show that the input of commutation failure prediction can really reduce the duration of commutation failure. Finally, after the commutation failure occurring in the voltage sag of inverter side, its influence on the recovery speed of active power and the stability of AC / DC system is analyzed.

commutation failure prediction; inverter side; trigger angle; power angle stability

TM721

A

1003-6954(2017)06-0012-04

朱清代(1966)，高級工程師，研究方向為特高壓直流控制系統(tǒng)研究；

滕予非(1984)，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析。

2017-10-08)