高壓直流定無功功率交流故障恢復(fù)方法

黃夢華, 汪娟娟, 李瑤佳, 王子民, 李子林, 傅 闖

(1. 華南理工大學電力學院, 廣東省廣州市 510641; 2. 廣州供電局有限公司, 廣東省廣州市 510620;3. 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司, 廣東省廣州市 510080)

0 引言

高壓直流已被廣泛應(yīng)用在遠距離大功率輸電和非同步電網(wǎng)互聯(lián)場合,中國已投運和在建的直流輸電線路超過30條,中國電網(wǎng)已經(jīng)成為世界上最復(fù)雜的交直流混合運行電網(wǎng)。直流系統(tǒng)兩端換流器在運行中要消耗大量無功功率,一般情況下,整流器和逆變器消耗的無功功率分別約為輸送有功功率的30%～50%和40%～60%[1-3]。

基于電壓源換流器的高壓直流(voltage sourced converter high voltage direct current,VSC-HVDC)[4-6]技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢,近些年也已有較多工程應(yīng)用,但與傳統(tǒng)直流相比,VSC-HVDC在電壓等級、功率輸送能力、建設(shè)成本、運行經(jīng)驗、可靠性、換流站損耗、故障隔離能力等方面仍有顯著差距。因此,在相當長的一段時間內(nèi),基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流(LCC-HVDC)技術(shù)在遠距離、大容量輸電中的地位仍然無法替代。

當交流系統(tǒng)發(fā)生故障時,直流電壓及交流母線電壓會迅速降低,若直流系統(tǒng)仍工作在額定功率或者額定電流下,則會增大換流站對交流系統(tǒng)的無功功率需求,引起換相電壓持續(xù)波動,甚至導致?lián)Q相失敗?，F(xiàn)有的直流控制系統(tǒng)引入低壓限流(voltage dependent current order limitation,VDCOL)功能對低電壓狀態(tài)下的直流電流指令加以限制,減小換流站對交流系統(tǒng)的無功功率需求,改善故障后系統(tǒng)的恢復(fù)特性[1-3,7-10]。但由于逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障導致的換相失敗發(fā)生概率極高,在交流故障期間及恢復(fù)過程中,直流與送受端交流系統(tǒng)交換的無功功率存在暫態(tài)變化過程,表現(xiàn)為對系統(tǒng)不利的“大容量無功功率沖擊負荷”外部特性。

近年來,科研人員針對故障工況下直流控制方式對換流站無功功率特性的影響做了大量研究。文獻[11]分析了交流系統(tǒng)故障時,整流側(cè)在定電流和定功率控制方式下系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性。文獻[12-13]研究了直流控制方式和低壓限流器參數(shù)對大擾動后交直流混合系統(tǒng)電壓和功率恢復(fù)的影響。文獻[14-17]分析了換流站的動態(tài)無功功率非線性軌跡特征、控制方式對動態(tài)無功功率軌跡及交流電壓的影響。文獻[18]提出一種基于逆變器交流側(cè)電壓的動態(tài)自適應(yīng)VDCOL控制策略來支撐交流系統(tǒng)故障。文獻[19]提出了一種將VDCOL協(xié)調(diào)恢復(fù)控制策略,增設(shè)了延時環(huán)節(jié)以改善多饋入直流(MIDC)輸電系統(tǒng)的恢復(fù)性能抑制后續(xù)換相失敗。文獻[20]通過對VDCOL環(huán)節(jié)參數(shù)和瞬時電流限制的研究,提出了直流換相失敗后的恢復(fù)策略。

上述研究均是基于定性分析獲得改善直流恢復(fù)性能的控制方式,且直流恢復(fù)過程中由于受VDCOL電壓—電流線性關(guān)系的制約,直流輸送的有功功率和消耗的無功功率耦合在一起,不能進行解耦控制。因此,本文對換流站無功功率與直流電流間的關(guān)系進行分析,根據(jù)期望的換流站與交流系統(tǒng)的無功功率交換量來獲得直流電流指令,取代現(xiàn)有VDCOL功能,以達到改善系統(tǒng)恢復(fù)性能的目的。

1 高壓直流低壓限流功能控制原理

高壓直流輸電系統(tǒng)中,當交流系統(tǒng)發(fā)生故障時,將造成直流電壓的下降和直流電流的上升。大電流流過直流系統(tǒng),不僅會增加換流器的損耗,而且會使得換流站無功功率需求大幅上升,引起交流換相電壓的持續(xù)波動,加劇交流電壓的下降,甚至會造成換相失敗。為解決交流故障情況下可能出現(xiàn)的“大電流低電壓”的現(xiàn)象,在直流控制系統(tǒng)中引入依賴于電壓的電流指令限制功能(即VDCOL),以便在低電壓時對直流電流指令進行限定,減少直流系統(tǒng)在故障和恢復(fù)期間對交流系統(tǒng)的無功功率需求,改善直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性。

VDCOL的控制原理如圖1所示。圖1中Tud為測量時間常數(shù),輸入的直流電壓Ud經(jīng)測量環(huán)節(jié)與VDCOL環(huán)節(jié)輸出直流電流指令值IVDCOL和直流電流給定值Ides進行比較取較小值,得到最終的整流側(cè)電流指令值Iord。其VDCOL控制特性方程可表示為:

(1)

(2)

式中:k1,k2,k3分別為三段式VDCOL特性曲線的斜率;Udl,Udh和Idl,Idh分別為該特性曲線拐點對應(yīng)的直流電壓、直流電流值。

圖1 VDCOL控制原理Fig.1 Control principle of VDCOL

對于VDCOL控制特性曲線,增大Udl和Udh或是減小Idl能夠減小VDCOL曲線的直流電流指令限值,進而減少換相失敗期間及恢復(fù)過程中直流從受端交流系統(tǒng)吸收的無功功率;而減小Udl和Udh或是增大Idl,則能夠增大VDCOL曲線的直流電流指令限值,進而減少換相失敗期間直流向送端交流系統(tǒng)發(fā)出的無功功率[14-15]。另外,通過增大整流側(cè)VDCOL電壓下降濾波時間常數(shù),能夠減緩直流電流的下降速度,以減小換相失敗期間直流向送端交流系統(tǒng)發(fā)出的無功功率;而增大逆變側(cè)VDCOL電壓上升濾波時間常數(shù),則能夠減緩直流電流的上升速度,以減小換相失敗恢復(fù)過程中直流從受端交流系統(tǒng)吸收的無功功率。

由圖1、式(1)和式(2)可知,交流故障及恢復(fù)過程中遵循VDCOL給定電壓—電流關(guān)系,電壓—電流呈線性關(guān)系,直流輸送的有功功率和消耗的無功功率相互耦合。

2 高壓直流換流站無功特性

高壓直流輸電系統(tǒng)運行時,換流站的無功功率交換情況如圖2所示。圖中:Uac為交流母線電壓;Id為直流電流;Qac為換流站與交流系統(tǒng)間交換的無功功率;Qf為當前狀態(tài)下已投入的無功功率補償設(shè)備提供的無功功率容量;QI為換流器消耗的無功功率。當Qac為負時,表示交流系統(tǒng)吸收無功功率,反之則表示交流系統(tǒng)發(fā)出無功功率。

圖2 換流站無功功率交換示意圖Fig.2 Schematic diagram of reactive power exchange for converter station

本文以CIGRE高壓直流輸電標準測試系統(tǒng)為基本算例,其采用12脈動換流器,額定直流電壓為500 kV,額定直流電流為2 kA;逆變側(cè)等值交流系統(tǒng)的參數(shù)如下：交流母線額定電壓UacN=230 kV,換流變變比k=0.909,極對數(shù)Np=2,變壓器二次側(cè)等值短路阻抗X=13.32 Ω,無功補償裝置等值容納Bc=0.011 84 S。

3 高壓直流定無功功率交流故障恢復(fù)方法

3.1 逆變站無功功率解析

高壓直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時,如果不考慮交流和直流側(cè)的諧波分量,并將換流變壓器的漏抗折算到閥側(cè),則逆變站消耗的無功功率可表示為[2]:

(3)

(4)

式中:Pd為直流系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β?φ為換流器的功率因數(shù)角;Ud0為理想直流空載電壓;γ為逆變側(cè)關(guān)斷角。

進一步將式(4)代入式(3),整理可得逆變站消耗的無功功率表達式為:

(5)

3.2 高壓直流定無功功率交流故障恢復(fù)方法

由圖2可知逆變站的無功功率平衡公式為[3]:

Qac=QI-Qf

(6)

(7)

當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時,逆變器運行在定γmin控制下,此時γmin=17°。令式(6)中Qac為某一期望值Qac_ref,將式(5)、式(7)及CIGRE模型參數(shù)代入式(6),整理可得在不同Uac取值下,以Qac為控制量的形式是如式(8)所示的4次多項式。即

(8)

式(8)中系數(shù)的計算表達式如附錄A式(A1)所示。通過求解式(6),可獲得不同Uac與Qac_ref下的直流電流指令I(lǐng)d_ref,此功能稱為無功功率定量控制功能,并以此來替代原VDCOL功能。其直流電流指令值生成環(huán)節(jié)如圖3所示。以設(shè)定的Qac_ref及實時監(jiān)測到的Uac作為輸入,根據(jù)式(6)計算得到電流指令值Id_ref,再經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)獲得最終的電流指令值Iord。其中,IdN為額定直流電流,Idmin為最小直流電流限定值。

圖3 無功定量控制的直流電流指令值生成環(huán)節(jié)Fig.3 Generation link of DC order controller with constant reactive power control

3.3 不同交流電壓下?lián)Q流站無功控制能力

當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時,Uac下降,Qf減少,Qac也隨之變化。因此,為實現(xiàn)故障期間換流站的無功功率定量控制,需明確不同Uac電壓水平下交流系統(tǒng)無功功率支撐能力的可調(diào)范圍。 當Uac下降到某一定值時,Qf也為定值,由式(6)可知,Qac與QI都是以Id為自變量的函數(shù),且函數(shù)增減性一致,通過對式(5)進行解析發(fā)現(xiàn),QI與Qac同為以Id為自變量的增函數(shù)。將CIGRE高壓直流標準測試模型參數(shù)代入式(6),得到不同Uac水平下,Qac的變化特性曲線及可調(diào)范圍如附錄A圖A1與表A1所示。

3.4 無功功率定量控制策略的實現(xiàn)

3.4.1無功功率定量控制的啟動

本文提出的無功功率定量控制策略能夠根據(jù)交流母線電壓的實時監(jiān)測值得到相應(yīng)的直流電流指令。當檢測到逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓低于電壓閾值Uth時,直流控制系統(tǒng)自動啟用該控制功能對直流輸電系統(tǒng)進行無功功率定量控制。該啟動判據(jù)可表示為:

Uac

(9)

3.4.2無功功率定量控制的撤除

進行無功功率定量控制是為了保證在故障恢復(fù)期間,能夠通過控制交流系統(tǒng)與換流站的無功功率交換量來改善交流故障后系統(tǒng)的恢復(fù)性能,避免高壓直流發(fā)生連續(xù)換相失敗。但如果在電壓恢復(fù)到閾值后就立刻撤除該控制,短期內(nèi)由于直流功率的回升,逆變站消耗的無功功率也會隨之增加,極大可能會出現(xiàn)電壓大幅波動或是電壓失穩(wěn)的情況。因此,當換流母線電壓大于門檻值Uth時,控制系統(tǒng)將會延遲Δt時間后再切除無功功率定量控制,其撤銷判據(jù)為:

Uac>Uth

(10)

由于故障后受端交流系統(tǒng)的強度降低,若撤銷無功功率定量控制后的直流電流指令值Iord尚未恢復(fù)至額定值IdN,那么此時直流電流指令將發(fā)生突變,對受端系統(tǒng)造成沖擊。此種情況下,可按式(11)逐步令直流電流恢復(fù)至額定值IdN。即

(11)

式中:N為等分次數(shù)。

綜上所述,基于逆變站換流母線電壓的無功功率定量控制策略如圖4所示。控制系統(tǒng)對Uac進行循環(huán)采樣,當Uac的實時檢測值達到控制方式啟動要求時,結(jié)合設(shè)定的Qac_ref,求解出相應(yīng)的Iord,控制系統(tǒng)執(zhí)行此指令;隨著Uac恢復(fù),當滿足控制撤銷判據(jù)后切除無功功率定量控制,逐步提升電流指令至額定值。

4 仿真驗證

本文以CIGRE直流輸電標準測試模型為算例,在電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC中對本文所提無功功率定量控制方法進行仿真驗證和分析。首先,對不同交流電壓水平下?lián)Q流站無功功率可調(diào)范圍的準確性進行驗證,附錄A圖A2為交流母線電壓跌落至0.6(標幺值)時,Id取值范圍為0.1～1.0(標幺值)下無功功率交換量Qac測量值與計算值的特性曲線。從圖中能夠看出,Qac的測量值與理論計算值基本一致,驗證了本文求解得到的無功功率可調(diào)范圍計算公式的準確性。

圖4 交流故障時換流站無功定量控制策略Fig.4 Control strategy of constant reactive power for converter under AC faults

接著對換流站無功功率定量控制對系統(tǒng)恢復(fù)性能的改善作用進行驗證。設(shè)定故障持續(xù)時間為0.1 s,換流站與交流系統(tǒng)的無功功率交換量期望值Qac_ref分別為60,-60,0 Mvar。與原VDCOL控制方式進行對比,得到直流輸電系統(tǒng)的Uac,Ud,Idc和γ的特性曲線如附錄A圖A3所示。從圖中可以看出,由于在恢復(fù)過程中,Uac波動較大,逆變側(cè)控制方式在定關(guān)斷角控制和定電流控制中來回切換,直流電流指令值出現(xiàn)振蕩,導致原VDCOL控制方式發(fā)生第二次換相失敗。而本文所提無功功率定量控制策略,通過控制Qac_ref來控制Idc的平穩(wěn)變化,從而在故障恢復(fù)階段能夠使Uac,Ud和γ恢復(fù)得更平穩(wěn)。此外,從仿真結(jié)果可以看出,當控制Qac_ref為-60 Mvar時的Uac與Ud的恢復(fù)速度要優(yōu)于控制Qac_ref為0和60 Mvar的情況,說明換流站向交流系統(tǒng)提供一定的容性無功功率對系統(tǒng)故障恢復(fù)更有利。從關(guān)斷角γ上看,無功功率定量控制下在故障恢復(fù)時期未發(fā)生換相失敗,為進一步驗證這一結(jié)論,取Qac_ref為-60 Mvar無功功率定量控制下的換流變閥側(cè)電流與原VDCOL方式進行仿真對比,結(jié)果如附錄A圖A4和圖A5所示。從圖中可以看出,本文所提無功功率定量控制方式下的直流系統(tǒng)只發(fā)生1次換相失敗,這進一步說明了本文提出的控制方法能夠有效降低直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的概率,提高系統(tǒng)的故障恢復(fù)性能。

針對單相金屬性接地故障,其交流母線電壓、直流電壓及有功功率的變化特性曲線如附錄A圖A6所示。從圖中可以看出,對于交流母線電壓,在故障切除系統(tǒng)恢復(fù)階段,Qac_ref為-60 Mvar的恢復(fù)速度要比原VDCOL及Qac_ref為0,60 Mvar的要快,并且比原VDCOL系統(tǒng)恢復(fù)得更加平穩(wěn);對于直流電壓,在故障切除恢復(fù)階段,定無功功率控制下的恢復(fù)速度要優(yōu)于原VDCOL系統(tǒng),且比原VDCOL系統(tǒng)恢復(fù)得更加平穩(wěn);從傳輸?shù)挠泄β蕘砜?其恢復(fù)速度快慢的順序依次為:Qac_ref=-60 Mvar,Qac_ref=0,Qac_ref=60 Mvar, 原VDCOL。

為了進一步驗證上述無功功率定量控制方法的優(yōu)越性和魯棒性,本文在±500 kV貴州—廣州Ⅱ(簡稱“貴廣Ⅱ”下同)高壓直流輸電工程PSACD/EMTDC工程模型上進行了仿真驗證,工程模型的控制功能與實際工程完全一樣。將貴廣Ⅱ工程相關(guān)參數(shù)代入式(6)中,可得到不同交流電壓水平下高壓直流換流站無功功率可調(diào)范圍,解析計算結(jié)果與PSACD/EMTDC工程模型仿真結(jié)果一致。附錄A圖A7給出了不同Uac下貴廣Ⅱ逆變站定無功功率控制效果,根據(jù)設(shè)定的Qac_ref,在系統(tǒng)中輸入對應(yīng)的Iord,逆變站無功功率交換量的實測值與設(shè)定值一致,說明在換流站無功功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可實現(xiàn)換流站與交流系統(tǒng)無功功率交換量的定量控制。在貴廣Ⅱ的PSACD/EMTDC工程模型中分別對原VDCOL控制并將Qac_ref設(shè)定為-200,-100,0,100,200 Mvar的無功功率定量控制方法進行仿真驗證,持續(xù)時間為0.1 s的三相交流故障恢復(fù)特性測試表明，無功功率定量控制方式下的交流母線電壓與直流功率恢復(fù)特性相比于原VDCOL控制方式要平穩(wěn)迅速,更有利于故障后的系統(tǒng)恢復(fù)。

綜上所述,本文所提無功功率定量控制方法的控制效果要優(yōu)于原VDCOL的控制效果,該方法能將換流站的無功功率交換量準確地控制在期望值,充分利用了換流閥的無功功率調(diào)節(jié)能力,改善了故障后直流電壓、換流母線電壓的恢復(fù)特性,還可避免直流輸電系統(tǒng)發(fā)生后續(xù)換相失敗,對提升直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有明顯的作用。

5 結(jié)語

本文對交流故障期間和恢復(fù)過程中采用換流站無功功率的定量控制代替VDCOL方法進行了解析分析和仿真研究。該方法在交流故障下和恢復(fù)過程中實時地根據(jù)交流母線電壓及換流站無功功率交換量的期望值來獲取相應(yīng)的直流電流指令值。本文完成的主要工作如下。

1)提出了不同交流母線電壓水平下?lián)Q流站無功功率支撐能力分析方法和計算公式,在電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC中以CIGRE高壓直流標準測試模型和±500 kV貴廣Ⅱ高壓直流輸電工程為算例,仿真結(jié)果與解析計算結(jié)果一致。

2)解析計算及電磁暫態(tài)仿真表明,在換流站無功功率支撐能力范圍內(nèi)可以對換流站的無功功率交換量進行任意的定量控制。

3)電磁暫態(tài)仿真表明,對稱故障下期望的無功功率交換量為負值(即換流閥向交流系統(tǒng)提供容性無功功率)時，更有利于系統(tǒng)的恢復(fù),無功功率定量控制對改善交流電壓的恢復(fù)特性、降低交流故障恢復(fù)過程發(fā)生換相失敗概率的作用,證明了該控制策略的有效性和可行性。

本文主要研究了交流系統(tǒng)在三相對稱故障及其恢復(fù)過程,而交流故障大多是單相不對稱故障,這種不對稱故障下?lián)Q流站的無功功率控制研究會更加復(fù)雜,這是下一步的研究內(nèi)容。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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LI Xinnian, CHEN Shuyong, PANG Guangheng, et al. Optimization of commutation failure prevention and automatic recovery for East China multi-infeed high-voltage direct current system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(6): 134-140. DOI: 10.7500/AEPS20140305002.

黃夢華(1994—),女,碩士研究生,主要研究方向:高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。E-mail： 1015573307@qq.com

汪娟娟(1974—),女,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電。 E-mail: epjjwang@scut.edu.cn

李瑤佳(1992—),女,碩士,主要研究方向:高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。E-mail: 908902181@qq.com