特高壓直流系統(tǒng)運行短路比檢測方法及應用

潘衛(wèi)明 盧東斌 崔恒豐 呂彥北

特高壓直流系統(tǒng)運行短路比檢測方法及應用

潘衛(wèi)明 盧東斌 崔恒豐 呂彥北

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

弱交強直混聯(lián)系統(tǒng)中直流系統(tǒng)自身故障引發(fā)的交直流連鎖反應可能會影響整個區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。本文基于交直流混聯(lián)系統(tǒng)等效電路提出交流系統(tǒng)等效阻抗和電源電壓的計算方法，結合特高壓直流換流站投切交流濾波器的過程，在直流控制器中實現(xiàn)對交流系統(tǒng)等效參數(shù)的實時檢測。根據(jù)交流系統(tǒng)等效參數(shù)和直流換流站相關電氣量，提出直流系統(tǒng)運行短路比的概念，用于定量分析交直流系統(tǒng)的強弱關系。最后針對典型弱交強直系統(tǒng)直流線路故障過程中的振蕩問題進行分析，結合直流系統(tǒng)運行短路比優(yōu)化直流控制參數(shù)，解決了故障過程中的振蕩問題。

特高壓直流（UHVDC）；混聯(lián)系統(tǒng)；直流系統(tǒng)運行短路比；控制參數(shù)優(yōu)化

0 引言

近年來，特高壓直流輸電憑借其輸送容量大、送電距離遠、輸電損耗低及輸送功率靈活可控等優(yōu)點已經(jīng)成為我國跨區(qū)域輸電最主要的解決方案[1]。目前，國內已建成昌吉—古泉±1 100kV/5 000A直流工程，以及哈密—鄭州、青?！幽虾桶Q灘—浙江等一大批±800kV/5 000A直流工程，直流系統(tǒng)輸送功率占電網(wǎng)總體潮流的比例顯著增大。交流系統(tǒng)以發(fā)電機等旋轉設備為核心，轉動慣量大、動態(tài)響應慢，直流系統(tǒng)以電力電子設備為核心，時間常數(shù)小、動態(tài)響應快，混聯(lián)系統(tǒng)暫態(tài)故障及恢復過程中交直流系統(tǒng)在電磁暫態(tài)時間尺度引發(fā)的連鎖反應可能影響整個電網(wǎng)[2-4]。

直流系統(tǒng)故障后換流站有功及無功功率快速變化對交流系統(tǒng)的電壓、功率均會產(chǎn)生影響，交流電壓的變化又會反作用于直流系統(tǒng)，加劇故障及恢復過程中直流側電壓、電流的擾動。在某些特殊故障情況下，直流系統(tǒng)過快的調節(jié)速度與交流系統(tǒng)電氣量緩慢的恢復速度相互影響，會引發(fā)系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)。針對直流控制系統(tǒng)控制器參數(shù)和低壓限流（voltage dependent current order limiters, VDCOL）等控制邏輯進行調節(jié)，可以提升混聯(lián)系統(tǒng)故障期間暫態(tài)響應特性[5-8]。然而，直流系統(tǒng)控制參數(shù)或控制邏輯無法根據(jù)交直流系統(tǒng)強弱關系的大范圍變化進行動態(tài)調整，因此需要研究交直流系統(tǒng)強弱關系的衡量方法并將其用于直流控制系統(tǒng)優(yōu)化。目前，直流工程中尚無此類研究。

針對上述情況，本文提出一種根據(jù)換流站投切交流濾波器前后電氣量變化實時計算交流系統(tǒng)等效阻抗的方法。給出直流系統(tǒng)運行短路比（short circuit ratio, SCR）的概念，根據(jù)等效阻抗實時計算直流系統(tǒng)運行短路比，再由運行短路比范圍動態(tài)調整控制系統(tǒng)參數(shù)和策略，最后通過試驗驗證了根據(jù)運行短路比優(yōu)化直流控制系統(tǒng)可有效提升混聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)響應。

1 特高壓直流系統(tǒng)運行短路比

1.1 交直流混聯(lián)系統(tǒng)等效模型

區(qū)域電網(wǎng)內的特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)由交流電源、交流負荷、交流輸電線路及直流換流站組成。為了研究交直流系統(tǒng)之間的相互影響，將交流系統(tǒng)通過戴維南定理等效為理想交流電源S、等效電阻S及等效電感S串聯(lián)，將直流換流站設備簡化為直流換流器和交流濾波器。交直流混聯(lián)系統(tǒng)等效電路如圖1所示。

圖1 交直流混聯(lián)系統(tǒng)等效電路

特高壓直流工程均接入500kV及以上電壓等級的交流系統(tǒng)，該交流系統(tǒng)總體阻抗角接近90°，即等效電抗遠大于等效電阻。為了簡化計算，忽略電阻影響，定義交流系統(tǒng)等效阻抗L為

換流站接入點的交流電壓為c，交流電流為c，則有

換流站與電網(wǎng)交互的有功功率為，無功功率為。無功功率為正，表示換流站總體為感性無功，負載從交流系統(tǒng)吸收無功功率；為負，表示換流站向交流系統(tǒng)提供無功功率。以電壓c的相位為基準，將交流電流c分解為有功電流分量cd和無功電流分量cq，則有

根據(jù)式（2），理想交流電源S等于換流站接入點電壓c與等效電抗電壓的相量和，仍以c的相位為基準，等效電路相關相量關系如圖2所示。

結合圖2，不難得到S、L與換流站接入點電壓c、電流c的關系為

聯(lián)立式（3）和式（4）可得

1.2 直流系統(tǒng)運行短路比

換流站的有功功率、無功功率及接入點交流電壓c等電氣量在直流控制系統(tǒng)中都不難獲取，其中換流站無功功率包含換流器及交流濾波器等無功設備的無功功率總和。

直流換流器為感性負載，直流換流站配置了大容量的容性交流濾波器用于無功補償，在正常運行過程中通過投入或切除交流濾波器控制換流站與交流系統(tǒng)交換的無功功率。檢測交流濾波器投入或切除前后換流站接入點電壓、換流站有功功率及無功功率，根據(jù)式（5）即可計算得到S和L。換流站的無功濾波器單組容量較大，投切濾波器時間間隔較長，因此該方法對交流系統(tǒng)短路阻抗及電源電壓檢測的實時性較差，但考慮到直流換流站接入的500kV及以上電壓等級交流電網(wǎng)短路阻抗及電源電壓是比較穩(wěn)定的，對檢測時間間隔要求不高，所以該方法可用于直流換流站交流系統(tǒng)等效參數(shù)的 檢測。

記某次投切交流濾波器前后換流站與交流系統(tǒng)交互的有功功率為1、2，無功功率為1、2，換流站接入點電網(wǎng)電壓c1、c2，由此可得式（6），根據(jù)式（6）不難求出S和L。

電力系統(tǒng)中短路比定義為交流系統(tǒng)短路容量與設備額定容量的比值。為了衡量直流系統(tǒng)當前運行狀態(tài)對混聯(lián)系統(tǒng)的影響，將交流系統(tǒng)當前短路容量與直流運行輸送的有功功率c的比值記為直流系統(tǒng)運行短路比，可通過式（7）計算得到。越小，表明直流輸送功率在交流潮流中所占比例越大，直流系統(tǒng)自身的變化對交流系統(tǒng)的影響越大。

2 運行短路比變化引發(fā)故障暫態(tài)特性差異

下面以某±800kV/5 000A特高壓工程為例，該工程送端交流電網(wǎng)電壓額定值525kV，交流系統(tǒng)短路電流S的最大、最小值分別為63kA、20kA，額定功率運行時直流系統(tǒng)運行短路比可以根據(jù)式（8）計算，結果分別為7和2.2。根據(jù)SCR≤2為極弱系統(tǒng)，2＜SCR≤3為弱系統(tǒng)，SCR＞3為強系統(tǒng)[9]的劃分標準，交流系統(tǒng)強弱變化范圍極大，在不同的直流系統(tǒng)運行功率下，直流系統(tǒng)實際運行短路比的變化范圍更大，交直流系統(tǒng)強弱對比變化會直接導致混聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生故障后暫態(tài)過程存在較大差異，這給直流控制系統(tǒng)的設計帶來了一定難度。

直流線路故障是特高壓直流工程典型故障，故障后極線路保護動作，直流控制系統(tǒng)主動移相，經(jīng)過去游離時間后重啟，過程中故障極直流功率降為零，故障極的直流功率可轉帶至非故障極[10]，但由于轉帶能力的限制，在直流功率水平較高時存在暫態(tài)的直流功率損失，暫態(tài)過程中故障電流、有功功率損失等在弱交流系統(tǒng)條件下的負面影響更加明顯。

在額定交流電壓525kV、短路電流20kA的弱交流系統(tǒng)條件下，基于實時數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）試驗平臺開展直流線路故障試驗。試驗項目一模擬直流雙極四閥組800MW運行過程中極1直流線路發(fā)生金屬性接地故障，試驗波形如圖3所示。根據(jù)式（8）計算得到直流系統(tǒng)運行短路比為22，直流系統(tǒng)故障后對交流系統(tǒng)影響有限，單極線路故障后極2存在短暫直流功率轉帶，故障和恢復過程中系統(tǒng)電壓電流正常。

圖3 試驗項目一試驗波形

試驗項目二在相同的交流系統(tǒng)條件下，模擬直流雙極四閥組8 000MW運行過程中極1直流線路發(fā)生金屬性接地故障，試驗波形如圖4所示。雖然交流系統(tǒng)條件并沒有發(fā)生改變，但由于直流功率增大，直流系統(tǒng)運行短路比減小至2.2，直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)影響顯著增大，在暫態(tài)故障過程中極2存在明顯的直流電壓、電流振蕩。

下面將故障過程中系統(tǒng)的響應過程分為圖4所示①～③三個階段分析振蕩產(chǎn)生機理。

圖4 試驗項目二試驗波形

①故障后極1移相、直流功率降為零，由于極2無法轉帶所有直流功率，導致有功功率損失，直流功率損失后，換流器吸收的無功功率隨之減小，而交流濾波器投入組數(shù)并未發(fā)生變化，導致系統(tǒng)無功功率過剩，過剩的無功功率作用于弱交流系統(tǒng)，導致交流電壓升高；極2轉帶過程中，由于電流控制器作用觸發(fā)角進入最小角度運行，維持在電流控制器下限值ALPHA_MIN。

②交流電壓升高、觸發(fā)角保持ALPHA_MIN運行均會導致送端直流電壓增大，直流電壓超過過電壓限制OVL動作閾值后，OVL控制器動作，快速增大電流控制器下限值ALPHA_MIN以提升觸發(fā)角，導致觸發(fā)角快速增大，送端電壓下降。

③送端電壓下降后，過電壓控制器動作復歸，此時在電流控制器作用下觸發(fā)角減小，整流側直流電壓增大，再次出現(xiàn)直流過電壓問題，從而進入一個循環(huán)振蕩的過程，振蕩持續(xù)至極1重啟成功。

該故障過程中出現(xiàn)的振蕩問題是由于弱交流系統(tǒng)條件下，交流電壓、直流電壓/電流、無功功率、直流控制系統(tǒng)觸發(fā)角等相互影響導致，其中直流控制系統(tǒng)觸發(fā)角相關的控制器參數(shù)是根據(jù)典型交流系統(tǒng)條件設計[11]，在弱交流系統(tǒng)下存在優(yōu)化空間。

3 基于運行短路比實時檢測的直流控制系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)第2節(jié)的結論，對交流濾波器投切前后的相關電氣量進行采樣，先通過式（6）聯(lián)立得到L的一元二次方程，求解得到的正數(shù)解為交流系統(tǒng)等效阻抗L，然后求解得到S，最后根據(jù)式（8）計算得到直流系統(tǒng)運行短路比。

由于式（6）較為復雜，在控制系統(tǒng)的數(shù)字芯片中完成求解存在一定難度，因此對求解過程進行適當簡化。在直流工程中，由于直流有功功率變化速度為MW/min量級，投切濾波器前后有功功率的變化可以忽略不計，存在變化的量主要為無功功率和換流站交流電壓，因此可以做出以下簡化。

有功功率變化可以忽略不計，圖2中有功電流對應量cdL在濾波器投切前后可認為是不變的，S也是恒定的，因此投切前后有

求解得到

在RTDS試驗系統(tǒng)中，調整RTDS模型中的等效電源阻抗和額定電壓可改變系統(tǒng)實際運行短路比，式（6）求解后可得到運行短路比理論計算值，在直流控制系統(tǒng)中根據(jù)式（10）求解得到運行短路比的控制系統(tǒng)實測值，對不同交流系統(tǒng)參數(shù)下的理論計算偏差和控制系統(tǒng)實測偏差進行統(tǒng)計，在運行短路比為2的情況下偏差最大，最大偏差約為10%。直流運行短路比檢測偏差統(tǒng)計如圖5所示。

圖5 直流運行短路比檢測偏差統(tǒng)計

在直流控制系統(tǒng)中實現(xiàn)對運行短路比的實時檢測后，參照短路比的劃分標準，將≤3的系統(tǒng)視為極弱或弱系統(tǒng)，＞3的系統(tǒng)視為強系統(tǒng)。當＜3時，對線路故障過程中非故障極控制系統(tǒng)參數(shù)進行如下調整：

1）將整流側電流控制器下限值ALPHA_MIN由5°調整為12°，減小最小觸發(fā)角運行時直流電壓的過電壓水平。

2）調整整流側過電壓限制控制器動作速率，將比例系數(shù)由500減小至250，降低過電壓控制器對角度調節(jié)的速度。

采用直流系統(tǒng)運行短路比優(yōu)化直流系統(tǒng)后重新進行試驗項目二，試驗波形如圖6所示，控制系統(tǒng)實時檢測得到的運行短路比與理論值相近，根據(jù)短路比進行控制策略優(yōu)化后，解決了直流線路故障過程中的振蕩問題。

圖6 試驗項目二試驗波形（優(yōu)化后）

需要指出的是，本文中的優(yōu)化措施只是針對弱交強直系統(tǒng)直流線路故障過程設計的，目的是說明根據(jù)直流系統(tǒng)運行短路比調整控制系統(tǒng)參數(shù)的有效性，其他類似由弱交強直導致的暫態(tài)性能不達標的問題都可以依據(jù)本文思路進行提升，提升措施包括優(yōu)化控制策略、改變控制參數(shù)和調整解閉鎖時序 等[12]。

4 結論

本文基于交直流混聯(lián)系統(tǒng)的等效模型，推導得到交流系統(tǒng)等效電源相關參數(shù)與直流換流站交流電壓、有功功率及無功功率之間的數(shù)學公式。在理論分析的基礎上提出了直流系統(tǒng)運行短路比的概念，利用換流站投切交流濾波器的暫態(tài)過程，在直流控制系統(tǒng)中對相關電氣量進行采樣，實時計算得到交流系統(tǒng)參數(shù)和直流系統(tǒng)運行短路比，根據(jù)運行短路比的范圍對直流線路故障期間的直流控制系統(tǒng)參數(shù)策略進行優(yōu)化，通過試驗驗證了優(yōu)化策略可以有效提升混聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)特性，為特高壓直流控制系統(tǒng)策略設計及優(yōu)化調整提供參考。

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Real time detection method for operation short circuit ratio of ultra high voltage direct current system and its application in control systems

PAN Weiming LU Dongbin CUI Hengfeng Lü Yanbei

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

The AC/DC interaction during the fault of DC system in the weak AC strong DC hybrid system may affect the stability of the regional power grid. A method of calculating the equivalent impedance and source voltage of AC systems, based on the equivalent circuit of AC/DC hybrid system, is proposed in this paper. By combining the process of switching AC filters in the DC converter station, a real-time detection method of the AC system equivalent parameter is achieved. Based on the equivalent parameter of the AC system and the relevant electrical quantities of the DC converter station, the operation short circuit ratio of ultra high voltage direct current system is defined, which could be used for quantitative analysis of the strength contrast between the AC system and the DC system. Finally, an analysis is conducted on the oscillation problem during DC line fault process of a typical weak AC strong DC system. Combined with real-time detection of DC system operation short circuit ratio, optimization of DC control parameters is achieved, solving the oscillation problem during DC line fault process.

ultra high voltage direct current (UHVDC); hybrid system; operation short circuit ratio of UHVDC system; optimization of control parameters

2023-08-10

2023-08-24

潘衛(wèi)明（1987—），男，山東煙臺人，碩士，高級工程師，主要從事特高壓直流輸電控制保護技術研發(fā)工作。