含混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略

陳倩，王國(guó)騰，徐政，繆源誠(chéng)，李建華

(1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；2. 國(guó)家電網(wǎng)華東電力調(diào)控中心，上海200120)

0 引言

隨著我國(guó)直流輸電技術(shù)的發(fā)展和西電東輸工程的實(shí)施，直流系統(tǒng)數(shù)量和容量驟增，華東電網(wǎng)將逐步成為世界直流落點(diǎn)最多、電氣聯(lián)系最緊密、受電功率最大的特大型多直流饋入受端系統(tǒng)[1]。當(dāng)受端交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，可能引發(fā)某一直流或多個(gè)直流換相失敗。換相失敗會(huì)導(dǎo)致直流電壓下降、直流電流上升、直流功率下降。若直流系統(tǒng)發(fā)生多次換相失敗，可能會(huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)失穩(wěn)、直流閉鎖等問題。當(dāng)白鶴灘-江蘇混合級(jí)聯(lián)直流饋入華東電網(wǎng)后，華東電網(wǎng)的換相失敗情型將更為復(fù)雜[2]。在含混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的多饋入直流系統(tǒng)中，若多個(gè)直流系統(tǒng)落點(diǎn)的電氣距離較近，單一短路故障可能引起多條直流線路同時(shí)發(fā)生換相失敗。多直流同時(shí)換相失敗與直流多次換相失敗，都將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。因此，采用適當(dāng)?shù)念A(yù)防手段來(lái)減少甚至避免多次換相失敗的發(fā)生非常必要。

已有大量文獻(xiàn)對(duì)換相失敗的機(jī)理進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]提出了是否發(fā)生換相失敗取決于故障后換流母線電壓的跌落程度。文獻(xiàn)[5]分析了換相失敗的機(jī)理，并研究了換相失敗與逆變側(cè)不同的控制策略的相關(guān)性。文獻(xiàn)[6]基于換相電壓時(shí)間面積分析出交流系統(tǒng)頻譜特性對(duì)換相失敗存在影響。從這些分析中可以看出，交流系統(tǒng)強(qiáng)弱程度、多直流之間的相互影響以及直流系統(tǒng)的控制策略都會(huì)影響直流的換相失敗恢復(fù)特性。

通常短時(shí)間內(nèi)難以改變交流系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與強(qiáng)弱程度，因此采用合理的控制策略改善直流系統(tǒng)的換相失敗恢復(fù)特性成為學(xué)者們的研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]以交流電壓總諧波畸變率作為指標(biāo)評(píng)估換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，提出了預(yù)測(cè)方法以及預(yù)防后續(xù)換相失敗的控制策略。文獻(xiàn)[8]通過(guò)電流指令速動(dòng)的控制方法，提高了直流電流的響應(yīng)速度，從而抑制換相失敗。文獻(xiàn)[9 - 11]對(duì)電流實(shí)行了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了變斜率VDCOL控制器，有效改善了系統(tǒng)的恢復(fù)性能。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于直流電流預(yù)測(cè)控制的換相失敗抑制方法。文獻(xiàn)[13 - 16]利用自適應(yīng)的模糊控制方法，降低了直流系統(tǒng)換相失敗的概率。文獻(xiàn)[17]基于虛擬電阻的電流限制控制器，可以在一定程度上抑制連續(xù)換相失敗的發(fā)生。文獻(xiàn)[18]為了有效抑制多饋入直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗，提出了一種可以轉(zhuǎn)換控制策略的改進(jìn)VDCOL模塊。文獻(xiàn)[19]在常規(guī)的PI控制器中增加前饋回路，可使多饋入直流系統(tǒng)的恢復(fù)性能得到改善。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)兩級(jí)協(xié)調(diào)策略，在系統(tǒng)級(jí)采用模型預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行邊預(yù)測(cè)邊控制的滾動(dòng)優(yōu)化，減小常規(guī)直流換相失敗概率。文獻(xiàn)[21]根據(jù)提出的多饋入直流系統(tǒng)漸進(jìn)錯(cuò)峰有序電壓功率恢復(fù)指標(biāo)，制定了各回直流先后錯(cuò)峰恢復(fù)的策略，但可能造成某一回直流換相失敗時(shí)間延長(zhǎng)。盡管已有學(xué)者對(duì)抑制直流系統(tǒng)換相失敗做了大量研究，但是，上述文獻(xiàn)主要通過(guò)改變站級(jí)控制策略來(lái)抑制換相失敗，在多饋入直流系統(tǒng)中，站級(jí)控制策略只能消除自身直流系統(tǒng)的換相失敗，不能兼顧對(duì)其他直流的影響。已有文獻(xiàn)對(duì)各直流間的系統(tǒng)級(jí)協(xié)調(diào)控制研究較少。文獻(xiàn)[22]從換相失敗預(yù)測(cè)控制的角度，提出了一種考慮多直流協(xié)調(diào)恢復(fù)的換相失敗預(yù)測(cè)控制環(huán)節(jié)啟動(dòng)門檻值優(yōu)化方法，從而降低換相失敗對(duì)交流電網(wǎng)的功率沖擊。文獻(xiàn)[23]對(duì)各直流子系統(tǒng)采取漸變的功率恢復(fù)策略，可以緩解它們之間的相互作用，但對(duì)各直流功率指令值的改變量沒有給出明確的說(shuō)明?？梢钥闯?，現(xiàn)有的系統(tǒng)級(jí)控制策略對(duì)多直流換相失敗恢復(fù)控制參數(shù)的確定還缺乏研究，無(wú)法滿足多直流換相失敗恢復(fù)實(shí)時(shí)控制的要求。

針對(duì)多饋入直流系統(tǒng)換相失敗問題的嚴(yán)峻性以及目前直流系統(tǒng)多次換相失敗抑制方法的局限性，本文通過(guò)分析多饋入短路比指標(biāo)的局限性，提出了多饋入運(yùn)行短路比指標(biāo)，并歸納出多直流饋入系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)應(yīng)當(dāng)遵循的時(shí)序配合原則。針對(duì)多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)多次換相失敗的問題，基于多饋入運(yùn)行短路比，本文提出一種考慮了混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的兩段式多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略，該控制策略有效減少了直流系統(tǒng)換相失敗次數(shù)，從而提高了交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

1 多饋入運(yùn)行短路比

直流系統(tǒng)在換相失敗及恢復(fù)過(guò)程中與交流系統(tǒng)存在較大的無(wú)功功率交換。在多饋入直流系統(tǒng)中，各直流之間交互作用較強(qiáng)，單回直流吸收的無(wú)功功率大小會(huì)影響到自身后續(xù)恢復(fù)及其他直流的響應(yīng)特性[1]。因此，找出一個(gè)能夠準(zhǔn)確評(píng)估多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)特性的指標(biāo)非常必要。

1.1 多饋入短路比

為了確定常規(guī)直流之間交互作用對(duì)換相過(guò)程的影響，有學(xué)者提出了多饋入交互因子(multi-infeed interaction factor, MIIF)的概念。MIIF是衡量多饋入直流系統(tǒng)中不同直流相互作用強(qiáng)度的指標(biāo)，反映了各直流間聯(lián)系的緊密程度，其值越大耦合越緊密，直流間的相互作用越強(qiáng)[24]。為考慮多饋入交直流系統(tǒng)多回直流間的相互影響，參照傳統(tǒng)短路比的定義，基于多饋入交互因子，多饋入短路比(multi-infeed effective short circuit ratio, MIESCR)被定義為相應(yīng)直流換流母線側(cè)三相短路容量與等值直流功率的比值[25]，即：

(1)

式中：MIESCRi為直流i的多饋入短路比；Ssci為換流站i交流側(cè)的短路容量；Pdci為直流換流站i的額定功率；Qci為直流換流站濾波器輸出的無(wú)功功率；l為多饋入直流系統(tǒng)中常規(guī)直流的數(shù)量；MIIFj,i為換流站i和換流站j之間的多饋入交互因子；Pdcj為直流換流站j的額定功率。由于MIESCRi使用的直流功率參數(shù)為直流功率額定值，即使直流系統(tǒng)的MIESCRi大于3，依然有可能發(fā)生多次換相失敗[25]，難以準(zhǔn)確評(píng)估多饋入直流系統(tǒng)的換相失敗恢復(fù)特性，具有一定的局限性。

1.2 多饋入運(yùn)行短路比

針對(duì)上述問題，本文提出一種新的指標(biāo)—多饋入運(yùn)行短路比，以此評(píng)估多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)特性。多饋入運(yùn)行短路比(multi-infeed operating short circuit ratio, MIOSCR)定義為相應(yīng)直流換流母線側(cè)三相短路容量與等值運(yùn)行直流功率的比值，即：

(2)

式中：MIOSCRi為直流i的多饋入運(yùn)行短路比；換流站i為某一發(fā)生換相失敗的換流站，換流站j是與換流站i同時(shí)換相失敗的換流站，n為同時(shí)換相失敗的直流數(shù)量；Pdcj為直流換流站j的第一段直流功率參考值。直流設(shè)定恢復(fù)的有功功率越多，吸收的無(wú)功功率越多，母線電壓可能不足以支撐直流直接恢復(fù)到額定功率，因此，在第一段讓直流先恢復(fù)部分功率，避免母線電壓過(guò)低，防止多次換相失敗。待交流系統(tǒng)恢復(fù)后，直流系統(tǒng)再恢復(fù)到額定功率，通過(guò)直流延時(shí)恢復(fù)到額定功率，避免多次換相失敗的發(fā)生。由于VSC不由電網(wǎng)提供換相電流且不存在換相失敗問題，所以不需要考慮VSC與其他直流系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)恢復(fù)，在計(jì)算MIOSCRi可以不用考慮柔性直流系統(tǒng)的影響[26]。

多饋入運(yùn)行短路比是評(píng)估多直流落點(diǎn)交流系統(tǒng)強(qiáng)度的指標(biāo)，反映了在多直流落點(diǎn)交流系統(tǒng)中本回直流電壓恢復(fù)能力的大小。MIOSCRi的大小與換流站交流側(cè)短路容量、多饋入交互因子以及各直流恢復(fù)的第一段直流功率參考值有關(guān)。MIOSCRi隨換流站交流側(cè)短路容量的增大而增大，隨各直流恢復(fù)的第一段直流功率參考值的增大而減小。MIOSCRi越大，交流系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)的電壓恢復(fù)能力越強(qiáng)，直流系統(tǒng)恢復(fù)特性越好。對(duì)于發(fā)生多次換相失敗的直流，當(dāng)換流站交流側(cè)短路容量固定、多饋入交互因子較小時(shí)，通過(guò)減小第一段直流功率參考值，能夠增大MIOSCRi， 減少換相失敗次數(shù)，交流系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)的電壓恢復(fù)能力越強(qiáng)，直流系統(tǒng)恢復(fù)特性就越好。對(duì)于一個(gè)實(shí)際多饋入直流系統(tǒng)，可以通過(guò)離線仿真得到使該直流在各交流母線分別故障下均不會(huì)發(fā)生多次換相失敗的一個(gè)MIOSCR經(jīng)驗(yàn)值作為該直流的臨界多饋入運(yùn)行短路比(critical multi-infeed operating short circuit ratio, CMIOSCR)。

相比于MIESCR采用直流換流站的額定功率，MIOSCR采用了直流換流站的第一段直流功率參考值，更能反映出實(shí)際運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，而多饋入短路比則更適用于直流系統(tǒng)規(guī)劃階段[27]。因而，本節(jié)提出的多饋入運(yùn)行短路比指標(biāo)能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估多饋入直流系統(tǒng)的換相失敗恢復(fù)特性。

2 多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略

2.1 時(shí)序配合原則

當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)中各逆變站之間的電氣距離較近時(shí)，交流系統(tǒng)中發(fā)生的某一故障可能引起多個(gè)換流站同時(shí)發(fā)生換相失敗[1]。與單饋入直流輸電系統(tǒng)相似，擾動(dòng)發(fā)生后多饋入直流系統(tǒng)的恢復(fù)性能取決于其所連接交流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、直流系統(tǒng)本身以及對(duì)直流系統(tǒng)所采取的控制[28 - 31]。

多直流同時(shí)換相失敗后的恢復(fù)過(guò)程，應(yīng)綜合考慮直流恢復(fù)緊迫性需求、直流自身恢復(fù)能力及恢復(fù)過(guò)程中對(duì)其他直流的影響。根據(jù)之前的研究，在多饋入直流系統(tǒng)中，換相失敗恢復(fù)應(yīng)滿足下列時(shí)序配合原則[32 - 34]。

1)若某直流恢復(fù)過(guò)程中對(duì)其他直流基本沒影響，則應(yīng)使其盡快恢復(fù)，以降低換相失敗對(duì)電網(wǎng)的整體功率沖擊。

2)若相互影響的幾條直流的多饋入運(yùn)行短路比都很大，不會(huì)發(fā)生多次換相失敗，則這部分直流系統(tǒng)應(yīng)盡快恢復(fù)。

3)發(fā)生多次換相失敗的直流系統(tǒng)與其相互影響較大的直流應(yīng)分時(shí)序恢復(fù)。

4)若交流系統(tǒng)能夠承受的某直流換相失敗次數(shù)越少，即該直流恢復(fù)緊迫性越高，則越應(yīng)加快該直流的恢復(fù)速度。

5)在相同優(yōu)先級(jí)下，分時(shí)序恢復(fù)直流系統(tǒng)應(yīng)以能量損失最小或系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間最短為原則。

多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)應(yīng)當(dāng)遵循的時(shí)序配合原則，以降低換相失敗對(duì)電網(wǎng)的整體功率沖擊，交流電網(wǎng)的功率損失最小為目的，通過(guò)協(xié)調(diào)各直流系統(tǒng)恢復(fù)到額定功率的所需時(shí)間，從而協(xié)調(diào)直流吸收無(wú)功功率的時(shí)間以及降低直流吸收的無(wú)功功率的峰值，錯(cuò)峰恢復(fù)各回直流，防止多回直流同時(shí)吸收大量無(wú)功功率，避免多次換相失敗的發(fā)生。

2.2 兩段式恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略

受端多饋入直流系統(tǒng)故障后恢復(fù)期間，若不對(duì)各回直流加以控制，直流電流同時(shí)恢復(fù)，各逆變器消耗無(wú)功功率的峰值到達(dá)時(shí)間相近，此時(shí)造成換流器過(guò)大的無(wú)功缺額，增加后續(xù)換相失敗的發(fā)生幾率，影響直流輸送功率的恢復(fù)。

MIIF是衡量多饋入直流系統(tǒng)中不同直流相互作用強(qiáng)度的指標(biāo)，反映了各直流間聯(lián)系的緊密程度，其值越大耦合越緊密，直流間的相互作用越強(qiáng)。通常認(rèn)為MIIF值小于0.15時(shí)為弱相互作用[35]，直流之間的交互作用可忽略，在恢復(fù)期間可實(shí)現(xiàn)直流之間的解耦。因此，如果某一直流系統(tǒng)i滿足式(3)：

max(MIIF1i,MIIF2i,…,MIIFli)<0.15

(3)

式中MIIF1i、MIIF2i和MIIFli分別為換流站i和換流站1之間、換流站i和換流站2之間、換流站i和換流站l之間的多饋入交互因子。

根據(jù)2.1節(jié)中原則1)，該直流無(wú)需與其他直流分時(shí)序恢復(fù)，只需考慮自身盡快恢復(fù)即可。對(duì)于一個(gè)有l(wèi)個(gè)常規(guī)直流系統(tǒng)饋入的地區(qū)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，如果可以滿足式(4)：

min(MIOSCR1,MIOSCR2,…,MIOSCRl)>κ

(4)

式中：MIOSCR1、MIOSCR2、MIOSCRl分別為直流1、直流2、直流l的多饋入運(yùn)行短路比；κ為劃分系統(tǒng)強(qiáng)度的多饋入運(yùn)行短路比數(shù)值。

根據(jù)2.1節(jié)中原則2)，該直流無(wú)需考慮分時(shí)序恢復(fù)，盡快恢復(fù)即可。

對(duì)于可能發(fā)生多次換相失敗的直流系統(tǒng)，若各回直流采用兩段式恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略，錯(cuò)峰恢復(fù)各回直流，同時(shí)減小直流之間的相互影響，即可避免換流器過(guò)大的無(wú)功功率缺額，快速穩(wěn)定受端換流母線電壓的波動(dòng)，從而促使整個(gè)系統(tǒng)的直流輸送功率快速恢復(fù)[21]。圖1所示為直流系統(tǒng)兩段式恢復(fù)的功率指令值示意圖。其中，P0為直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下直流功率指令值，Pdc1為第一段恢復(fù)功率指令值;tfault為交流故障發(fā)生時(shí)刻，tclr為交流故障切除時(shí)刻，tsec為第二段恢復(fù)時(shí)刻，td為第一段恢復(fù)持續(xù)時(shí)間。

圖1 兩段式恢復(fù)直流功率指令值示意圖Fig.1 DC Power reference value of two-stage coordination control strategy

在恢復(fù)過(guò)程中，并非所有直流都需要采用兩段式恢復(fù)策略，符合2.1節(jié)中原則1)或原則2)的直流可以直接恢復(fù)。因此首先需要確定哪些直流系統(tǒng)有必要采用兩段式協(xié)調(diào)恢復(fù)策略。當(dāng)存在連續(xù)換相失敗的直流時(shí)，采用兩段式協(xié)調(diào)恢復(fù)策略可以有效減少直流換相失敗次數(shù)。

2.3 兩段式恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略參數(shù)確定方法

多饋入運(yùn)行短路比可以作為衡量交流系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)電壓支撐能力的重要指標(biāo)。一個(gè)直流系統(tǒng)的MIOSCR值越大，那么該直流發(fā)生多次換相失敗的可能性就越小。當(dāng)一個(gè)直流系統(tǒng)的MIOSCR值大于一個(gè)臨界CMIOSCR值時(shí)，該直流系統(tǒng)就會(huì)減少換相失敗次數(shù)。MIOSCR并不像SCR有明確的數(shù)值劃分，對(duì)于不同的直流系統(tǒng)，CMIOSCR的數(shù)值是不同的，可以通過(guò)離線仿真得到使該直流在各種故障下均不會(huì)發(fā)生多次換相失敗的一個(gè)MIOSCR經(jīng)驗(yàn)值作為臨界多饋入運(yùn)行短路比CMIOSCR。假設(shè)系統(tǒng)中有n個(gè)相互影響的直流系統(tǒng)，對(duì)于第i個(gè)直流系統(tǒng)，該直流系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生多次換相失敗的條件是MIOSCRi>CMIOSCRi。要想增大直流系統(tǒng)的MIOSCR值，在不改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的前提下，降低該直流系統(tǒng)的輸送功率是有效方法。這也符合2.1節(jié)中原則3)的要求。

當(dāng)直流輸送功率較大時(shí)，多次換相失敗的持續(xù)功率沖擊可能威脅送受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是送受端存在弱系統(tǒng)的情況。因此受直流送受端系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的不同約束，各直流恢復(fù)的緊迫性也不同。根據(jù)2.1節(jié)中原則4)，需要定義一個(gè)反映直流恢復(fù)緊迫性的指標(biāo)。本文以各直流送受端穩(wěn)定約束下能夠承受的最大換相失敗次數(shù)來(lái)表征直流恢復(fù)的緊迫程度[22]。換相失敗次數(shù)由換相失敗持續(xù)時(shí)間確定，直流換相失敗持續(xù)時(shí)間每增加0.1 s，換相失敗次數(shù)計(jì)數(shù)增加一次。能夠承受的換相失敗次數(shù)越小，表示該直流恢復(fù)緊迫性越高，需要越快恢復(fù)。假設(shè)所有直流在換相失敗次數(shù)達(dá)到nmax次后均會(huì)閉鎖，當(dāng)直流送受端穩(wěn)定約束下能夠承受的最大換相失敗次數(shù)為nmax時(shí)，其恢復(fù)的緊迫性為1。直流恢復(fù)的緊迫性隨著直流能夠承受的最大換相失敗次數(shù)m的降低而急劇增加。定義直流恢復(fù)緊迫系數(shù)α為：

α=enmax/m-1

(5)

式中m為各直流在送受端穩(wěn)定約束下能夠承受的最大連續(xù)換相次數(shù)。

對(duì)于l個(gè)常規(guī)直流系統(tǒng)，根據(jù)2.1節(jié)中原則3)—5)，為了確定采用兩段式恢復(fù)的直流系統(tǒng)和第一段直流功率指令值，可以采用如式(6)所示的優(yōu)化模型。

(6)

式中：Pdc0i為第i個(gè)直流在穩(wěn)態(tài)下的輸送功率；Pdc1i為第i個(gè)直流第一段恢復(fù)功率指令值；αi為第i個(gè)直流的直流恢復(fù)緊迫系數(shù)；MIOSCRi為第i個(gè)直流系統(tǒng)的多饋入運(yùn)行短路比；CMIOSCRi為第i個(gè)直流不發(fā)生多次換相失敗的臨界多饋入運(yùn)行短路比。求解式(6)，得到各個(gè)直流系統(tǒng)的第一段功率指令值Pdc1。

多饋入混合直流系統(tǒng)和傳統(tǒng)LCC直流系統(tǒng)有所差別。由于VSC不由電網(wǎng)提供換相電流且不存在換相失敗問題，不需要考慮VSC與其他直流系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)恢復(fù)。但是對(duì)于含有混合級(jí)聯(lián)直流的多饋入混合直流系統(tǒng)，LCC-VSC級(jí)聯(lián)逆變站的LCC部分依然會(huì)發(fā)生換相失敗，調(diào)節(jié)LCC的直流功率也會(huì)改變VSC的輸出功率。所以在混合級(jí)聯(lián)直流饋入系統(tǒng)中，需要對(duì)式(6)進(jìn)行修正。同樣地，假設(shè)系統(tǒng)中有l(wèi)個(gè)直流系統(tǒng)，編號(hào)l為混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的LCC部分，混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)有s個(gè)VSC(編號(hào)為l+1，…，l+s)，則式(6)修正如下：

(7)

式中：PVSC,min為VSC最小允許輸出功率；PVSC,max為VSC最大允許輸出功率；Pdc1l為混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)LCC換流站l的第一段直流功率參考值。

求解式(7)后，就確定了參與分段恢復(fù)的直流系統(tǒng)以及第一段直流功率指令值Pdc1。再采用離線仿真的方法確定第一段恢復(fù)持續(xù)時(shí)間td。本文所有參與分段恢復(fù)的直流系統(tǒng)均采用同一個(gè)td。將td從小到大取值，不斷進(jìn)行仿真，得到可以消除多次換相失敗的最小td，將其作為最后兩段式恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略的參數(shù)。

本文所提的考慮了混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略如圖2所示。

圖2 多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)流程圖Fig.2 Multi-infeed DC systems commutation failure recovery

3 仿真驗(yàn)證

對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，通過(guò)離線仿真設(shè)置各個(gè)交流母線分別故障，可以獲得各直流臨界多饋入運(yùn)行短路比CMIOSCR和第一段持續(xù)時(shí)間td，通過(guò)式(7)能夠獲得各直流第一段直流功率參考值。在線運(yùn)行時(shí)，當(dāng)交流故障發(fā)生后，容易找到該交流故障對(duì)應(yīng)的兩段式恢復(fù)參數(shù)。本節(jié)將針對(duì)前文所提出的多饋入系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略的有效性及可行性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在PSS/E中搭建了多饋入直流系統(tǒng)模型。由于白鶴灘-江蘇混合級(jí)聯(lián)直流的接入，華東電網(wǎng)將成為我國(guó)最為復(fù)雜的多饋入直流輸電系統(tǒng)。本節(jié)所述研究?jī)?nèi)容中，多饋入直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)均與華東電網(wǎng)保持一致。

通常來(lái)說(shuō)，低谷運(yùn)行方式下受端開機(jī)容量小，直流輸送功率大，短路比相對(duì)高峰運(yùn)行方式小，直流換相失敗故障也更為嚴(yán)重。下面以華東電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)2023年夏季低谷、冬季低谷兩種運(yùn)行方式為例，在江蘇電網(wǎng)500 kV交流母線故障下，驗(yàn)證本文所提出的多直流恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略在含混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)中的應(yīng)用效果。江蘇電網(wǎng)直流饋入情況如圖3所示。

圖3 江蘇電網(wǎng)直流饋入情況Fig.3 Infeed DC in Jiangsu power grid

3.1 2023年夏季低谷方式

夏季低谷運(yùn)行方式下，離線仿真得出在各個(gè)交流母線分別故障時(shí)使得錦蘇直流均不發(fā)生多次換相失敗CMIOSCR值為20.001，雁淮直流的CMIOSCR值為21.934，龍政直流的CMIOSCR值為35.033。分別調(diào)整錦蘇直流、雁淮直流和龍政直流換相失敗后的直流功率參考值滿足式(7)，通過(guò)離線仿真手段確定了第一段持續(xù)時(shí)間td為0.08 s。夏季低谷運(yùn)行方式下部分直流參數(shù)如表1所示。

表1 夏季低谷運(yùn)行方式下部分直流參數(shù)Tab.1 Partial DC parameters in summer valley operation mode

以蘇安瀾500 kV母線發(fā)生三相短路故障為例，0.2 s時(shí)蘇安瀾500 kV母線發(fā)生三相短路故障，0.3 s時(shí)故障消除，未采用多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，3回直流同時(shí)換相失敗，其中雁淮直流換相失敗2次，錫泰1 050 kV直流和錫泰525 kV直流各換相失敗1次。采用多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，求解式(7)得到雁淮直流第一段直流功率參考值為3 000 MW，錫泰1 050 kV直流和錫泰525 kV直流第一段直流功率參考值不變，由離線仿真得到第一段持續(xù)時(shí)間td為0.08 s。雁淮直流換相失敗1次，錫泰1 050 kV直流換相失敗1次，錫泰525 kV直流換相失敗1次，3回直流的響應(yīng)特性如圖4—5所示。

圖4 雁淮直流的響應(yīng)特性Fig.4 Response characteristics of Yanhuai HVDC

圖5 錫泰直流的響應(yīng)特性Fig.5 Response characteristics of Xitai HVDC

由圖4—5可以看出，蘇安瀾500 kV母線故障時(shí)，本文所提出的多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)暫時(shí)降低雁淮直流第一段直流功率參考值，緩解了直流換相失敗恢復(fù)過(guò)程中受端電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膲毫?，從而加?qiáng)了對(duì)雁淮直流換流母線的電壓支撐，減少了雁淮直流換相失敗次數(shù)。在本算例中，由各直流穩(wěn)態(tài)下的輸送功率及換相失敗持續(xù)時(shí)間的減少值可以得出本文所提出的多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略有效降低華東電網(wǎng)能量損失570 MJ。

3.2 2023年冬季低谷方式

冬季低谷運(yùn)行方式下，離線仿真得出在各個(gè)交流母線分別故障時(shí)錦蘇直流的CMIOSCR值為27.751，雁淮直流的CMIOSCR值為21.112。分別調(diào)整錦蘇直流和雁淮直流換相失敗后的直流功率參考值滿足式(7)，通過(guò)離線仿真手段確定了第一段持續(xù)時(shí)間td為0.08 s。冬季低谷運(yùn)行方式下部分直流參數(shù)如表2所示。

表2 冬季低谷運(yùn)行方式下部分直流參數(shù)Tab.2 Partial DC parameters in winter valley operation mode

以蘇華蘇500 kV母線發(fā)生三相短路故障為例，0.2 s時(shí)蘇華蘇500 kV母線發(fā)生三相短路故障，0.3 s時(shí)故障消除，未采用多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，2回直流同時(shí)換相失敗，其中白鶴灘江蘇直流換相失敗1次，錦蘇直流換相失敗2次。采用多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，求解式(7)得到錦蘇直流第一段直流功率參考值為1 000 MW，白鶴灘-江蘇直流第一段直流功率參考值不變，由離線仿真得到第一段持續(xù)時(shí)間td為0.08 s。白鶴灘-江蘇直流和錦蘇直流各換相失敗1次，兩回直流的響應(yīng)特性如圖6所示。

圖6 錦蘇直流和白鶴灘-江蘇直流的響應(yīng)特性Fig.6 Response characteristics of Jinsu HVDC and Baihetan-Jiangsu HVDC

由圖6可以看出，蘇華蘇500 kV母線故障時(shí)，本文所提出的多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)暫時(shí)降低錦蘇直流第一段直流功率參考值，減少了錦蘇直流換相失敗次數(shù)。在本算例中，由各直流穩(wěn)態(tài)下的輸送功率及換相失敗持續(xù)時(shí)間的減少值可以得出本文所提出的多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略有效降低華東電網(wǎng)能量損失240 MJ。

3.3 兩種運(yùn)行方式下適用性分析

夏季低谷、冬季低谷兩種運(yùn)行方式下，交流母線發(fā)生三相短路故障會(huì)造成2回及以上直流同時(shí)換相失敗時(shí)，本文所提的協(xié)調(diào)控制策略的適用性結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 協(xié)調(diào)控制策略的適用性結(jié)果Tab.3 Applicability results of coordinated control strategy

在夏季低谷、冬季低谷兩種運(yùn)行方式下，對(duì)于未引起直流發(fā)生多次換相失敗或交流系統(tǒng)對(duì)多次換相失敗的直流電壓支撐能力較弱的母線故障，在故障發(fā)生后，無(wú)論采用何種策略，都無(wú)法降低能量損失。當(dāng)交流母線發(fā)生三相短路故障造成2回及以上直流同時(shí)換相失敗時(shí)，對(duì)于引起直流發(fā)生多次換相失敗的故障，所提協(xié)調(diào)控制策略能夠較為廣泛的應(yīng)用，有效緩解直流換相失敗恢復(fù)過(guò)程中受端電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膲毫?，減少直流換相失敗次數(shù)，有效降低受端電網(wǎng)的能量損失。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析多饋入短路比指標(biāo)的局限性，提出了多饋入運(yùn)行短路比指標(biāo)，以此評(píng)估含混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的多饋入直流系統(tǒng)的換相失敗恢復(fù)特性，并歸納出多直流饋入系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)應(yīng)當(dāng)遵循的時(shí)序配合原則。針對(duì)多饋入直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)多次換相失敗的問題，基于多饋入運(yùn)行短路比和多直流換相失敗時(shí)序恢復(fù)原則，本文提出一種考慮了混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的兩段式多直流換相失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)控制策略。所提控制策略中的參數(shù)易于獲取，適合在實(shí)際工程中應(yīng)用。為驗(yàn)證所提控制策略的有效性，基于華東電網(wǎng)兩種典型運(yùn)行方式數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，所提協(xié)調(diào)控制策略能夠有效緩解直流換相失敗恢復(fù)過(guò)程中受端電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膲毫?，減少直流多次換相失敗次數(shù)，有效降低受端電網(wǎng)的能量損失。