常規(guī)直流送端近區(qū)電網(wǎng)中調(diào)相機和柔性直流的無功協(xié)調(diào)控制

李大虎, 李佳, 周悅, 饒渝澤, 周泓宇, 姚偉

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司,武漢市 430077;2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學),武漢市 430074)

0 引 言

常規(guī)直流輸電(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)憑借其遠距離、大容量輸送的優(yōu)勢極大緩解了我國能源中心和負荷中心逆向分布的難題[1-4]。換相失敗是LCC-HVDC最常見的故障之一,大量研究表明LCC-HVDC受端交流系統(tǒng)故障容易引發(fā)換相失敗[5-8]。目前國內(nèi)外學者也開始關注LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)故障引發(fā)的受端換相失敗[9-11]。其中文獻[11]指出了LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)的過補償無功會增加受端換相失敗發(fā)生的風險,所以有必要進一步探討LCC-HVDC送端的無功補償裝置對換相失敗的影響。

在我國能源資源與負荷需求逆向分布的大背景下,柔性直流(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)和LCC-HVDC送端互聯(lián)的輸電系統(tǒng)被提出,VSC-HVDC可為LCC-HVDC送端提供無功支撐[12]。隨著LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)大規(guī)模新能源集中接入[13-14],電網(wǎng)短路容量低,電壓穩(wěn)定問題突出[15-16],為了確保LCC-HVDC系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,可在LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)加裝調(diào)相機,如青豫直流送端。因此,未來我國將出現(xiàn)LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)同時接有調(diào)相機和柔性直流的輸電系統(tǒng),由調(diào)相機和VSC-HVDC為LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)提供無功支撐。在2019年渝鄂背靠背聯(lián)網(wǎng)工程投運后,隨著湖北省內(nèi)新能源比例的提高,龍政直流的整流側(cè)或?qū)⒙氏瘸霈F(xiàn)此結(jié)構(gòu)。

調(diào)相機作為旋轉(zhuǎn)設備,具有較小的次暫態(tài)電抗,可在故障瞬間釋放大量無功功率,在抑制LCC-HVDC送端暫態(tài)電壓具有獨特優(yōu)勢[17]。定交流電壓控制下VSC-HVDC能根據(jù)交流電壓偏差吸收或發(fā)出無功功率,可以為LCC-HVDC送端弱交流系統(tǒng)提供較強的電壓支撐[18],但文獻[19]指出,在暫態(tài)低電壓恢復后,受比例積分環(huán)節(jié)的影響,VSC-HVDC繼續(xù)發(fā)出無功功率,出現(xiàn)無功功率過補償?shù)那闆r。

文獻[20]比較了調(diào)相機與電力電子無功補償裝置在無功響應能力和無功輸出能力方面的差異。對于LCC-HVDC送端同時接有調(diào)相機和柔性直流的系統(tǒng),將由調(diào)相機和VSC-HVDC同時為LCC-HVDC送端換流站提供動態(tài)無功支撐,基于VSC-HVDC與調(diào)相機的動態(tài)無功響應特性差異制定其合理的無功協(xié)調(diào)控制策略,可以實現(xiàn)整體最優(yōu)的動態(tài)無功支撐效果。

因此,本文提出了一種LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)中調(diào)相機和VSC-HVDC換流站的無功協(xié)調(diào)控制策略,其目的在于加快VSC-HVDC無功響應速度,緩解其無功過補償問題,降低LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的風險,同時提升調(diào)相機無功調(diào)節(jié)容量的利用率。首先探討了調(diào)相機和VSC-HVDC的無功控制機理,比較了兩者的無功響應特性,進一步分析了VSC-HVDC和調(diào)相機無功補償過程中存在的問題;基于問題分析,提出了調(diào)相機和VSC-HVDC的無功協(xié)調(diào)控制策略;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)仿真模型,驗證所提策略的有效性和適應性。

1 含調(diào)相機接入的常規(guī)直流和柔性直流互聯(lián)輸電系統(tǒng)

圖1為含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng),圖中,VSC-HVDC通過聯(lián)絡線將功率饋入到公共母線,LCC-HVDC再將功率送至負荷中心,PVSC和QVSC分別表示VSC-HVDC饋入到公共交流母線的有功和無功功率,UPCC表示公共交流母線的交流電壓幅值,QSC表示調(diào)相機饋入到公共交流母線的無功功率。

圖1 含調(diào)相機接入的常規(guī)直流和柔性直流互聯(lián)輸電系統(tǒng)Fig.1 Interconnected transmission system of the LCC-HVDC and VSC-HVDC with synchronous condenser access

2 調(diào)相機和柔性直流的無功響應特性

2.1 無功控制原理

調(diào)相機系統(tǒng)主要包括調(diào)相機本體、勵磁系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及升壓變壓器等。調(diào)相機勵磁系統(tǒng)的控制回路一般采用自動電壓控制器(automatic voltage regulator,AVR),通過機端反饋電壓改變勵磁電流進而控制無功功率,過勵時輸出無功功率以提高電壓,欠勵時吸收無功功率以降低電壓,從而使得調(diào)相機端電壓維持在所設定的參考值附近,實現(xiàn)定電壓控制[21]。

VSC-HVDC采用直接電流矢量控制策略,由外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制組成。外環(huán)控制主要包括有功類控制和無功類控制;內(nèi)環(huán)控制采用正序電流和負序電流解耦控制。無功類外環(huán)控制包括定無功功率控制、定交流電壓控制,兩者選其一[22-23]。當VSC-HVDC采用定無功功率控制時,在交流故障期間通常設置其無功功率參考值為0,即在故障期間不補償無功功率;當VSC-HVDC采用定交流電壓控制時,在交流故障期間檢查到交流電壓偏差后補償無功功率,維持電壓恒定。

2.2 無功響應特性比較

無功響應速度方面,在交流系統(tǒng)故障導致電壓突然跌落時,調(diào)相機作為同步旋轉(zhuǎn)設備,基于磁鏈守恒原則,定子繞組將感應出較大的電流,具有無延時的、自發(fā)的快速動態(tài)無功響應特性;而VSC-HVDC作為非旋轉(zhuǎn)設備,無功輸出需經(jīng)過電氣量測量采樣、內(nèi)外環(huán)計算、閥控系統(tǒng)控制等一系列環(huán)節(jié)才能實現(xiàn),其無功響應速度要慢于調(diào)相機。

無功調(diào)節(jié)能力方面,調(diào)相機具有較強的過流能力,其遲相能力(輸出無功)較好,能夠短時發(fā)出額定容量2倍以上的無功功率,但其進相能力(吸收無功)較差,僅能夠吸收額定容量約一半的無功功率;VSC-HVDC作為電力電子設備,受設備過流能力的限制,其無功調(diào)節(jié)容量與額定容量和輸送功率有關。

2.3 柔性直流無功過補償加劇換相失敗機理

對于LCC-HVDC,其直流輸電線路上的電流可以表示為[24]:

Id=(Udr-Udi)/Rd

(1)

Udr=1.35NTrULrcosα-3NXrId/π

(2)

Udi=1.35NTiULicosγ-3NXiId/π

(3)

式中:Id是LCC-HVDC直流線路電流;Udr和Udi分別是整流側(cè)和逆變側(cè)直流電壓;Rd是直流線路電阻;ULr和ULi分別是整流側(cè)和逆變側(cè)的換流母線電壓;N是6脈動換流器個數(shù);Tr和Ti分別是整流側(cè)和逆變側(cè)換流變壓器變比;α是整流側(cè)觸發(fā)角;γ是逆變側(cè)關斷角;Xr和Xi分別是整流側(cè)和逆變側(cè)的換相電抗。

整合式(1)—(3),得:

Id=(1.35NTrULrcosα-1.35NTiULicosγ)/
(3NXr/π+Rd+3NXi/π)

(4)

從式(4)可以看出,當LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時,ULr降低,為了維持Id的大小恒定,整流側(cè)α減小甚至切換到最小觸發(fā)角控制,逆變側(cè)γ增大;當故障切除后,ULr逐漸增大,由于控制系統(tǒng)具有一定的延時,在此期間,Id將隨之增大,此時LCC-HVDC逆變側(cè)換流閥所需換相面積增大,有可能發(fā)生換相失敗。

當VSC-HVDC采用定無功功率控制時,在故障期間不補償無功功率,無疑是不存在無功功率過補償問題,也就不會增大LCC-HVDC換相失敗的風險;隨著高電壓、大容量直流的相繼投運以及新能源的接入,交流電網(wǎng)的相對強度將大幅減弱,當電網(wǎng)系統(tǒng)較弱時,VSC-HVDC通常采用定交流電壓控制以提供無功電壓支撐[25],所以本文主要分析VSC-HVDC采用定交流電壓控制的影響。定交流電壓控制框圖如圖2所示。圖2中,Uacref是電壓整定值,Uac是電壓實際值,iqref是輸送到內(nèi)環(huán)控制器的無功電流整定值。

圖2 VSC-HVDC定交流電壓控制框圖Fig.2 Block diagram of constant AC voltage control of the VSC-HVDC

LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障到故障切除后,公共交流母線電壓先階躍下降然后恢復到原先水平,下面分析VSC-HVDC采用定交流電壓控制時在此階段的響應過程。為了簡化分析,公共交流母線電壓變化量和VSC-HVDC補償?shù)臒o功功率成比例關系,另外定交流電壓控制的比例積分(proportional integral,PI)控制器參數(shù)設置為比例系統(tǒng)KP=1.0,積分時間常數(shù)KI=100,限幅為±0.5 pu。

圖3是VSC-HVDC采用定交流電壓控制時LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障到故障切除后的響應過程示意圖。圖中t1是故障發(fā)生時刻,t2是故障切除時刻,XP是PI控制器輸出的比例分量,XI是PI控制器輸出的積分分量。由圖可以看出,在t2后,由于XI的影響,iqref大于0,也就是說,故障切除后VSC-HVDC繼續(xù)無功功率,造成無功過補償,抬升了公共交流母線電壓,LCC-HVDC的直流電流Id進一步增大,最終增大了換相失敗發(fā)生的風險。

圖3 VSC-HVDC定交流電壓控制響應過程示意圖Fig.3 Respond process diagram of constant AC voltage control of the VSC-HVDC

2.4 調(diào)相機無功調(diào)節(jié)容量利用率降低

針對含調(diào)相機接入的常規(guī)直流和柔性直流互聯(lián)系統(tǒng),在電壓跌落較大的工況下,無疑VSC-HVDC與調(diào)相機同時補償無功時系統(tǒng)具有最大的無功支撐能力。在電壓跌落較小的工況下,為了說明VSC-HVDC與調(diào)相機同時補償無功的特性,比較分析:場景1(VSC-HVDC和調(diào)相機均不補償無功)、場景2(調(diào)相機補償無功,VSC-HVDC不補償無功)和場景3(VSC-HVDC和調(diào)相機同時補償無功)。其中,VSC-HVDC采用常規(guī)的定交流電壓控制,調(diào)相機采用自動電壓控制,為了簡化分析,VSC-HVDC補償?shù)臒o功等于PI控制器的輸出量,調(diào)相機補償?shù)臒o功與電壓差成比例關系,系統(tǒng)電壓改變量與補償?shù)臒o功成比例關系。

圖4所示是在電壓跌落0.1 pu時3個場景的響應過程示意圖,由圖2可以看出,在調(diào)相機單獨補償無功時,系統(tǒng)電壓可以維持在正常允許運行水平(≥0.95pu),在VSC-HVDC和調(diào)相機同時補償無功時,由于VSC-HVDC常規(guī)定交流電壓含積分控制器,其電壓無功調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié),而調(diào)相機補償?shù)臒o功隨電壓差的減小而減小,也就是說在穩(wěn)態(tài)時調(diào)相機不補償無功,相比于調(diào)相機單獨補償無功,降低了其無功調(diào)節(jié)容量的利用率。

圖4 3個場景的響應過程示意圖Fig.4 Response process diagram of three scenarios

2.5 無功響應特性的仿真驗證

在PSCAD/EMTDC仿真軟件上搭建了如圖1所示的含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)模型,其中LCC-HVDC模型和調(diào)相機模型的結(jié)構(gòu)和它們的控制系統(tǒng)是參考PSCAD Library模型所搭建;VSC-HVDC模型結(jié)構(gòu)參考PSCAD Library所搭建,控制系統(tǒng)采用的是正負序電流解耦控制策略。系統(tǒng)中LCC-HVDC和VSC-HVDC直流系統(tǒng)主要參數(shù)如附錄表A1所示,調(diào)相機系統(tǒng)的主要參數(shù)如附錄表A2所示。

文獻[11]指出弱交流系統(tǒng)時LCC-HVDC送端系統(tǒng)故障引發(fā)受端換相失敗的問題將比較突出,所以本案例針對弱交流電網(wǎng)下的VSC-HVDC和LCC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)進行研究,設置VSC-HVDC整流側(cè)和LCC-HVDC整流側(cè)的短路比(short circuit ratio,SCR)為3.0,LCC-HVDC逆變側(cè)的SCR為2.5(相對于LCC-HVDC的額定容量)。

在本案例中,VSC-HVDC兩端的電網(wǎng)系統(tǒng)都較弱,所以兩端的無功類外環(huán)控制采用定交流電壓控制?？紤]VSC-HVDC承受過負荷能力有限,VSC-HVDC無功調(diào)節(jié)限值按滿載功率計算,VSC-HVDC額定滿載功率為1 250 MW,VSC-HVDC受端運行輸送有功功率為1 000 MW,計算得到VSC-HVDC的無功調(diào)節(jié)限值為750 MV· A。

2.5.1 LCC-HVDC整流側(cè)短路故障

為了比較調(diào)相機和VSC-HVDC的無功響應特性,在LCC-HVDC整流側(cè)設置三相接地短路故障,故障發(fā)生時刻為2.0 s,故障距離為0.30 H,故障持續(xù)時間為0.10 s;另外采用VSC-HVDC在定無功功率控制(無功參考值為0,VSC-HVDC輸出無功功率為0)下的控制效果作比較,進一步說明定交流電壓控制的控制特性。觀察公共母線的交流電壓UPCC,LCC-HVDC直流線路電流Id,VSC-HVDC受端輸送到公共母線的無功功率QVSC,調(diào)相機輸送到公共母線的無功功率QSC,仿真結(jié)果如圖5所示,此外LCC-HVDC逆變側(cè)的換流變壓器閥側(cè)電流IY/D如附錄圖A1所示。

圖5 電壓跌落時調(diào)相機和VSC-HVDC的無功響應特性Fig.5 Reactive power response characteristics of the synchronous condenser and VSC-HVDC under a voltage drop

由圖5可以看出,在故障發(fā)生瞬間,公共母線電壓迅速降低,調(diào)相機的無功功率輸出在35 ms左右達到最大值,定交流電壓控制下VSC-HVDC的無功功率輸出在75 ms左右達到最大值,所以在故障瞬間調(diào)相機輸出無功功率的響應速度比VSC-HVDC的快。

在故障切除后,公共母線電壓升高,調(diào)相機輸出的無功功率隨之減小,但定交流電壓控制下VSC-HVDC不能馬上減小無功功率的輸出,出現(xiàn)無功過補償,抬升了公共母線電壓,引起LCC-HVDC直流線路電流增大,LCC-HVDC逆變側(cè)換流閥所需的換相面積增加,如附錄圖A1所示,增大了LCC-HVDC發(fā)生換相失敗風險。總的來說,在故障發(fā)生瞬間以及故障切除后,調(diào)相機無功響應速度都比定交流電壓控制下的VSC-HVDC的快。

2.5.2 LCC-HVDC整流側(cè)電壓突變

LCC-HVDC整流側(cè)電網(wǎng)電壓突變時,比較分析場景4(調(diào)相機單獨補償無功功率)和場景5(調(diào)相機和VSC-HVDC同時補償無功功率)的公共交流母線電壓曲線以及調(diào)相機和VSC-HVDC的無功響應曲線,結(jié)果如圖6所示。圖6中,s1是電壓突變時刻,s2是調(diào)相機無功響應變換時刻。由圖可以看出,電網(wǎng)電壓突變時,調(diào)相機的無功響應分為兩個過程:一是調(diào)相機自發(fā)無功響應過程,即s1～s2;二是勵磁系統(tǒng)控制的無功響應過程,即s2之后。

圖6 電壓突變時的調(diào)相機和VSC-HVDC無功響應特性Fig.6 Reactive power response characteristics of the synchronous condenser and VSC-HVDC under a voltage leap

調(diào)相機自發(fā)的無功響應速度比VSC-HVDC定交流電壓控制的無功響應速度快。對比場景4和場景5,VSC-HVDC的無功調(diào)節(jié)能力優(yōu)于調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)能力,這是因為在本案例中VSC-HVDC的無功調(diào)節(jié)容量(750 MV·A)大于調(diào)相機的額定容量(300 MV·A);另外,在調(diào)相機單獨補償無功和VSC-HVDC和調(diào)相機同時補償無功時,系統(tǒng)電壓都可以維持在正常允許運行水平(0.95～1.05 pu),在VSC-HVDC和調(diào)相機同時補償無功時,在穩(wěn)態(tài)時VSC-HVDC優(yōu)先補償無功,調(diào)相機不補償無功,相比于調(diào)相機單獨補償無功,調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)容量的利用率低。

3 調(diào)相機和柔性直流的無功協(xié)調(diào)控制

本文研究的含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng),在LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng),由調(diào)相機和VSC-HVDC同時提供動態(tài)無功支撐。由上文分析可知,兩者獨立運行時不僅VSC-HVDC存在無功過補償問題,而且調(diào)相機也存在無功調(diào)節(jié)容量使用不充分問題?；诖?提出調(diào)相機和VSC-HVDC的無功協(xié)調(diào)控制策略,一方面的目的是加快VSC-HVDC在故障發(fā)生的無功響應速度,抑制暫態(tài)電壓,以及緩解故障切除后的無功過補償問題,降低LCC-HVDC換相失敗發(fā)生的風險;另一方面考慮到調(diào)相機的主要功能是無功功率補償,柔性直流的主要功能是功率傳輸,有功輸送容量越大,所能提供的無功調(diào)節(jié)容量越小,在電壓波動較小時優(yōu)先利用調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)容量進行無功補償,可以提高調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)容量的利用率,減小所需的VSC-HVDC無功調(diào)節(jié)容量,增大有功輸送容量。

3.1 無功協(xié)調(diào)控制策略

在dq坐標系下,令公共母線電壓的d軸分量Ud=UPCC,q軸分量Uq=0,所以調(diào)相機和VSC-HVDC輸送到公共母線的無功功率可以表示為:

QSC=Udiq_SC

(5)

QVSC=Udiq_VSC

(6)

式中:iq_SC是調(diào)相機接入公共母線的線路上電流的q軸分量;iq_VSC是VSC-HVDC接入公共母線的線路上電流的q軸分量。

由式(5)和式(6)可以看出,在同一Ud下,調(diào)相機和VSC-HVDC輸送到公共母線的無功功率的變化跟隨其接入線路上電流的q軸分量的變化。由文中的第2節(jié)的無功響應特性分析可知,在故障發(fā)生瞬間以及故障切除后,調(diào)相機的無功響應速度比VSC-HVDC的快。因此,在此階段將VSC-HVDC的內(nèi)環(huán)控制的無功電流參考值設置為iq_SC的標幺值,使VSC-HVDC的無功電流變化跟隨調(diào)相機的無功電流的變化,也就是使VSC-HVDC輸送無功功率的變化跟隨調(diào)相機輸送無功功率的變化,這樣可以加快VSC-HVDC在故障發(fā)生瞬間以及故障切除后的無功響應速度。考慮到不對稱故障下負序電流的影響,在故障發(fā)生時將內(nèi)環(huán)控制的無功電流參考值設置為iq_SC的正序分量。

圖7 調(diào)相機和柔性直流的無功協(xié)調(diào)控制框圖Fig.7 Block diagram of the reactive power coordinated control of the synchronous condenser and VSC-HVDC

具體實施方式為:

另外,在處于工作模式1或工作模式2后,當公共母線電壓UPCC恢復到額定運行電壓Urate時切換為工作模式0,這樣做的目的是避免控制器在電壓閾值附近頻繁進行模式切換。

3.2 無功協(xié)調(diào)控制策略的仿真驗證

仍以第2.5節(jié)的含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)模型為例。換流母線穩(wěn)態(tài)電壓運行范圍通常為0.95～1.05 pu,所以設置Umin=0.95 pu,Umax=1.05 pu,另外設置Urate=1.0 pu。在本實施例中,VSC-HVDC額定滿載功率為1 250 MW,無功調(diào)節(jié)限值為750 MV·A,所以設置iqmin=-0.6 pu,iqmax=0.6 pu。

為驗證所提協(xié)調(diào)控制策略的有效性,分別設置2個對比方案,具體為:

1)調(diào)相機和VSC-HVDC之間獨立控制,VSC-HVDC受端采取常規(guī)的定交流電壓控制,設置電壓參考值Uref=1.0 pu。

2)調(diào)相機和VSC-HVDC之間協(xié)調(diào)控制,VSC-HVDC受端采取所提的無功協(xié)調(diào)控制策略。

3.2.1 LCC-HVDC整流側(cè)短路故障

在LCC-HVDC整流側(cè)設置三相接地短路的對稱故障,故障發(fā)生時刻為2.0 s,故障距離為0.22 H,故障持續(xù)時間為0.10 s,比較調(diào)相機和VSC-HVDC在獨立控制和協(xié)調(diào)控制的控制效果,仿真結(jié)果如圖8所示。此外LCC-HVDC逆變側(cè)的換流變壓器閥側(cè)電流IY/D如附錄圖A2所示。

由圖8可以看出,從無功響應方面來看,在故障發(fā)生瞬間,獨立控制下VSC-HVDC的無功功率輸出在75 ms左右達到最大值,協(xié)調(diào)控制下VSC-HVDC的無功功率在55 ms左右達到最大值,協(xié)調(diào)控制下的無功響應速度更快;在故障切除后,獨立控制下VSC-HVDC出現(xiàn)無功過補償,協(xié)調(diào)控制下VSC-HVDC輸出的無功功率隨之減小,協(xié)調(diào)控制下的無功響應速度更快。

從控制效果來看,在故障發(fā)生瞬間,公共母線電壓迅速降低,獨立控制下公共母線電壓最小值為423.1 kV,協(xié)調(diào)控制下公共母線電壓最小值為427.2 kV,協(xié)調(diào)控制下暫態(tài)低電壓抑制效果稍好;結(jié)合附錄圖A2,在故障切除后,獨立控制下VSC-HVDC無功過補償導致LCC-HVDC發(fā)生換相失敗,協(xié)調(diào)控制下VSC-HVDC減小了輸出的無功功率,進而減小LCC-HVDC直流線路電流,LCC-HVDC沒有發(fā)生換相失敗,且協(xié)調(diào)控制有效抑制了故障恢復過程中的暫態(tài)高電壓。

為了進一步說明本文方法的有效性,觀察在對稱故障下,不同故障發(fā)生時刻(2.000～2.009 s)和不同故障距離(0.20～0.50 H)時獨立控制和協(xié)調(diào)控制抑制LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的效果,結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?相對于調(diào)相機和VSC-HVDC的獨立控制,本文所提調(diào)相機和VSC-HVDC的無功協(xié)調(diào)控制方法能有效降低LCC-HVDC送端電網(wǎng)故障切除后發(fā)生換相失敗的風險。

圖9 對稱故障下?lián)Q相失敗抑制能力對比Fig.9 Comparison of commutation failure suppression capabilities under a balanced fault

為了進一步說明本文方法的適應性,在LCC-HVDC整流側(cè)設置單相接地短路的不對稱故障,故障發(fā)生時刻為2.003 s,故障距離為0.12 H,故障持續(xù)時間為0.10 s,結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出,在故障發(fā)生瞬間,相比于獨立控制,協(xié)調(diào)控制下的VSC-HVDC的無功響應速度稍快,暫態(tài)低電壓抑制效果稍好;結(jié)合附錄圖A3,在故障切除后,協(xié)調(diào)控制下的VSC-HVDC更快地減小無功功率的輸出,抑制了換相失敗的發(fā)生。

圖10 不對稱故障下?lián)Q相失敗抑制能力對比Fig.10 Comparison of commutation failure suppression capabilities under an unbalanced fault

觀察在不對稱故障下,不同故障發(fā)生時刻(2.000～2.009 s)和不同故障距離(0.05～0.20 H)工況下獨立控制和協(xié)調(diào)控制抑制LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的效果,結(jié)果如圖11所示,可以看出,無功協(xié)調(diào)控制抑制換相失敗的效果更好。

圖11 不對稱故障下?lián)Q相失敗抑制能力對比Fig.11 Comparison of commutation failure suppression capabilities under an unbalanced fault

3.2.2 LCC-HVDC整流側(cè)電壓突變

如圖12(a)和(b)所示,電網(wǎng)電壓波動較小時,獨立控制下和協(xié)調(diào)控制下系統(tǒng)電壓可以維持在正常允許運行水平(0.95 pu

圖12 電壓突變時控制效果對比圖Fig.12 Comparison of control effects under a voltage leap

如圖12(c)所示,電網(wǎng)電壓突然升高且大于1.05 pu時,可以看出,獨立控制下VSC-HVDC的控制方式為定交流電壓控制,而協(xié)調(diào)控制下VSC-HVDC的控制方式也切換為定交流電壓控制,獨立控制下和協(xié)調(diào)控制下系統(tǒng)電壓可以維持在正常允許運行水平(<1.05 pu),此時調(diào)相機和VSC-HVDC吸收的無功功率已達最大值,后續(xù)可以通過切除LCC-HVDC換流站交流濾波器進一步降低母線電壓;如圖12(d)所示,電網(wǎng)電壓突然降低且小于0.95 pu時,可以看出,獨立控制下和協(xié)調(diào)控制下系統(tǒng)電壓可以維持在正常允許運行水平(>0.95 pu),相比于獨立控制,協(xié)調(diào)控制下調(diào)相機補償?shù)臒o功功率更多,充分利用了調(diào)相機的無功功率調(diào)節(jié)容量,進而減小了所需的VSC-HVDC無功調(diào)節(jié)容量,同樣,若調(diào)相機和VSC-HVDC發(fā)出的無功功率達到最大值,可以通過投入LCC-HVDC換流站交流濾波器進一步抬升母線電壓。

3.2.3 通信延時的影響分析

調(diào)相機和VSC-HVDC的通信延時主要與兩者的電氣距離有關,電氣距離越遠,通信延時越長,接下來分析不同通信延時對控制效果的影響。在LCC-HVDC整流側(cè)設置三相接地短路的對稱故障,故障發(fā)生時刻為2.0 s,故障距離為0.22 H,故障持續(xù)時間為0.10 s,驗證調(diào)相機和VSC-HVDC無功協(xié)調(diào)控制在不同通信延時的控制效果,仿真結(jié)果如圖13所示,其中,“10 ms”、“20 ms”和“30 ms”分別代表兩站間的通信延時為10 ms、通信延時為20 ms以及通信延時為30 ms。

圖13 不同通信延時下控制效果對比Fig.13 Comparison of control effects under different communication delays

仿真結(jié)果表明,在故障發(fā)生瞬間,隨著通信延時的加長,VSC-HVDC的無功響應變慢,暫態(tài)低電壓的抑制效果變差;在故障切除后,隨著通信延時的加長,VSC-HVDC減小輸出無功功率的速度變慢,LCC-HVDC逆變器關斷角γ的降低幅度增加,換相失敗風險增加。所以說,當調(diào)相機和VSC-HVDC的電氣距離較大,也就是兩站間的通信延時較長時,調(diào)相機和VSC-HVDC的無功協(xié)調(diào)控制的效果將不突出。綜上所述,當調(diào)相機和VSC-HVDC兩站間的距離較小,也即通信延時較短時,本文所提無功協(xié)調(diào)控制方法有較好應用前景。

4 結(jié) 論

本文基于含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC--HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點提出了一種調(diào)相機和VSC-HVDC換流站的無功協(xié)調(diào)控制策略以降低LCC-HVDC送端系統(tǒng)故障引發(fā)受端換相失敗的風險。該策略考慮了調(diào)相機和VSC-HVDC的無功控制原理和響應特性,可充分利用調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)容量以及加快VSC-HVDC的無功響應速度。通過理論和仿真分析,結(jié)論如下:

1)在故障發(fā)生瞬間和故障切除后,調(diào)相機的無功響應速度比VSC-HVDC的快,故障切除后VSC-HVDC的無功過補償會增大LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的風險。

2)在故障發(fā)生瞬間,所提控制策略使VSC-HVDC的無功響應跟隨調(diào)相機的無功響應,加快了VSC-HVDC發(fā)出無功功率的速度,抑制了暫態(tài)低電壓。

3)在故障切除后,所提控制策略使VSC-HVDC的無功響應跟隨調(diào)相機的無功響應,加快了VSC-HVDC減小輸出無功功率的速度,抑制了無功過補償,降低了LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的風險。