林益茂，周雅潔，劉建國(guó)，蘭泳文，顧建新

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0 引言

當(dāng)逆變站或整流站直流電壓或交流電壓處于較低水平時(shí)，經(jīng)常會(huì)通過高壓直流輸電系統(tǒng)控制來限制直流功率的傳輸。在低電壓水平條件下，直流電流將增加，消耗的無功功率會(huì)增多，交流濾波器所發(fā)出的無功功率也將以電壓平方倍的速率下降，進(jìn)一步加劇交流母線電壓的下降，從而對(duì)直流輸電以及交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成重要的影響。為了避免系統(tǒng)受到較大的擾動(dòng)時(shí)，其穩(wěn)定性受到破壞，在高壓直流控制中引入低壓限流環(huán)節(jié)[1]。VDCOL一般有兩種控制類型，即依靠直流電壓的低壓限流和依靠交流母線電壓的低壓限流。目前，大多數(shù)直流工程均采用DC-VDCOL控制，該類型可以根據(jù)直流電壓的變化作用于直流電流指令，有效地減少直流故障后可能的換相失敗。AC-VDCOL近年來才應(yīng)用于實(shí)際工程中，它依賴實(shí)際檢測(cè)到的交流換相電壓作用于直流電流指令，能有效改善交流故障發(fā)生后換流站附近交流電壓和直流功率的恢復(fù)。[2-3]

在高壓直流輸電實(shí)際控制系統(tǒng)中，VDCOL的參數(shù)一般會(huì)跟隨其輸入電壓信號(hào)變化而變化。多數(shù)VDCOL仿真實(shí)驗(yàn)沒有明確VDCOL的參數(shù)與其輸入電壓信號(hào)之間的關(guān)系，以及這種關(guān)系是否有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。本文基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器，給出VDCOL變斜率控制的函數(shù)表達(dá)式，并在RTDS仿真平臺(tái)上搭建模型進(jìn)行驗(yàn)證。DC-VDCOL與AC-VDCOL這兩種控制類型對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定均有一定的作用，但是缺乏對(duì)兩種不同控制類型的對(duì)比性仿真驗(yàn)證，另外，AC-VDCOL正處于初步應(yīng)用階段，為了更好地掌握AC-VDCOL對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文在采用VDCOL變斜率控制的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了DC-VDCOL與AC-VDCOL這兩種控制類型在直流和交流系統(tǒng)發(fā)生故障條件下對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，驗(yàn)證了變斜率VDCOL控制與AC-VDCOL控制的有效性。

1 VDCOL控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析

低壓限流環(huán)節(jié)的任務(wù)是在直流電壓或交流電壓跌落到某個(gè)指定值時(shí)對(duì)直流電流指令進(jìn)行限制。當(dāng)交流電網(wǎng)換相母線電壓過低，即使點(diǎn)火角α調(diào)節(jié)至最小值（5o）也可能無法使直流電流達(dá)到電流指定值，VDCOL通過降低電流指令，使系統(tǒng)傳輸功率自動(dòng)運(yùn)行于可控的降容狀態(tài)。如圖1所示，VDCOL通常包括一個(gè)最小電流指令I(lǐng)L限制功能，目的是防止電流太低時(shí)可控硅在導(dǎo)通期間關(guān)斷電流。最小電流指令一般取值為0.1 pu，但在應(yīng)用時(shí)可降低此值。當(dāng)HVDC工程用于聯(lián)網(wǎng)頻率控制時(shí)，應(yīng)將此值改為0 pu，這樣可使兩端換流站在起動(dòng)過程中小負(fù)荷運(yùn)行。VDCOL功能包括一個(gè)最大電流指令I(lǐng)H限制，此值一般與最大過負(fù)荷限制相等。低壓限流特性的直流電壓動(dòng)作值UL通常取0.45～0.35 pu,其最高電壓門檻值UH通常取0.7～0.9 pu[4]。

圖1 VDCOL的I-U特性曲線Fig.1 I-U Characteristic curve of VDCOL

當(dāng)IL下降時(shí)，I-U的斜率會(huì)增大，針對(duì)相同的輸入電壓，直流輸送的功率將減少，不利于緩解兩端交流系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡[5]。在相同輸入電壓下，電流指令值將下降，換流站消耗的無功也將減少，因而有利于交直流系統(tǒng)的無功平衡和交流系統(tǒng)的電壓恢復(fù)。

根據(jù)VDCOL中的參數(shù)變化，分析了VDCOL參數(shù)對(duì)直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。如表1所示，當(dāng)IL、UL、IH、UH發(fā)生變化時(shí)，直流輸電系統(tǒng)的功率穩(wěn)定和交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性具有不同的情況。

表1 VDCOL參數(shù)對(duì)直流和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的對(duì)照Tab.1 Contrast of VDCOL parameters influence on the stability of DC and AC systems

2 VDCOL控制特性改進(jìn)

2.1 變斜率控制

參數(shù)IL主要用于限制直流電流過低，而參數(shù)IH與直流輸電系統(tǒng)所允許的負(fù)荷限制有關(guān)，綜合這四個(gè)VDCOL參數(shù)對(duì)直流輸電系統(tǒng)和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，對(duì)VDCOL的控制特性做出改進(jìn)，僅考慮UH和UL的合理搭配。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工況時(shí)，交流或直流系統(tǒng)的擾動(dòng)，即電壓水平降低，相比較參數(shù)UH和UL，UH對(duì)直流輸電系統(tǒng)和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大。UH所設(shè)的值越高，電壓下降時(shí)，電流下降得越快，無功消耗得越少，但不利于直流輸送功率的穩(wěn)定性。根據(jù)直流系統(tǒng)所連接的交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱程度，來設(shè)定UH，強(qiáng)交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性一般能夠得到保障，UH可以設(shè)置偏低，來盡量保證直流輸送功率的穩(wěn)定性。

基于以上的分析，對(duì)傳統(tǒng)VDCOL的特性進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示，采用變斜率的I-U特性。相比采用固定的UH，當(dāng)電壓降低時(shí)，通過降低UH來控制電流指令，使得直流功率穩(wěn)定。當(dāng)交流系統(tǒng)為弱系統(tǒng)時(shí)，電壓降低時(shí)，為了保證交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，可以采取適當(dāng)增大UH。

圖2 VDCOL改進(jìn)I-U特性曲線Fig.2 I-U Characteristic curve of improved VDCOL

由圖2可知，VDCOL的數(shù)學(xué)特性可以表達(dá)為：

其中UH與U的函數(shù)關(guān)系可以表示為

UHMAX指的是UH所允許的最大值，UHMIN指的是UH所允許的最小值，UHMAX與UHMIN可根據(jù)不同的工程類型選取不同的值，在本文仿真模型搭建中，取UHMAX=0.75，UHMIN=0.6，Uhmin代表的是所檢測(cè)的電壓最低門檻值，本文中取Uhmin=0.8，以上均為標(biāo)幺值。

2.2 改進(jìn)特性仿真驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)參考±500 kV三常直流聯(lián)網(wǎng)工程，搭建一次等值模型和二次簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，如圖3所示一次RTDS仿真模型。三常工程的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)如下：額定直流輸送功率：Pd＝3 000 MW；額定直流電壓：Ud＝±500 kV；額定直流電流：Id＝3 kA。

圖3 常規(guī)直流輸電一次系統(tǒng)RTDS模型Fig.3 Model of primary system of traditional HVDC system in RTDS

整流側(cè)交流母線線電壓：U＝525 kV；逆變側(cè)交流母線線電壓：U＝500 kV。

整流側(cè)觸發(fā)角：α＝15度；逆變側(cè)關(guān)斷角：γ＝17度。

在高壓直流輸電運(yùn)行過程中，逆變側(cè)作為電網(wǎng)的接入點(diǎn)，會(huì)有換相失敗的狀況發(fā)生，其VDCOL控制對(duì)直流和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性影響更大[6]，因而本實(shí)驗(yàn)主要研究逆變側(cè)VDCOL的曲線特性對(duì)直流和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在逆變側(cè)的交流系統(tǒng)中，采用戴維南電源來進(jìn)行等效。

逆變側(cè)電壓為500 kV，初始相位角為-5.4719度，正序阻抗為7.94 Ω，頻率50 Hz。

（1）傳統(tǒng)VDCOL控制

在傳統(tǒng)VDCOL控制中，一般采取UH固定不變。在直流極線和交流母線分別發(fā)生接地故障情況下，直流電壓和電流變化，以及交流母線電壓變化如圖4所示。在這里，VDCOL引入的電壓信號(hào)采用直流電壓。

圖4 逆變側(cè)直流極線發(fā)生接地故障時(shí)相關(guān)波形Fig.4 Waveforms of voltage and current when a ground fault occurred in DC pole bus in inverter side

圖5 交流母線發(fā)生接地故障時(shí)相關(guān)波形Fig.5 Waveforms of voltage and current when a ground fault occurred in AC bus

（2）改進(jìn)VDCOL控制

根據(jù)變斜率控制，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其中，VDCOL引入的電壓信號(hào)采取直流電壓。在直流極線和交流母線分別發(fā)生接地故障情況下，直流電壓和電流變化，以及交流母線電壓變化如圖6所示。

當(dāng)逆變側(cè)直流極線發(fā)生接地故障時(shí)，通過對(duì)比圖4和圖6，可以看到，采用改進(jìn)型的VDCOL控制策略后，直流電流在恢復(fù)過程中，其振蕩次數(shù)明顯減少，在交流母線發(fā)生接地故障下，也有同樣的效果。通過對(duì)比傳統(tǒng)VDCOL和改進(jìn)VDCOL，交流母線電壓在恢復(fù)過程中，其波形振蕩也明顯減少。通過比較傳統(tǒng)VDCOL和改進(jìn)VDCOL對(duì)直流電流命令值的控制，可以發(fā)現(xiàn)直流電流振蕩最大值有所增加。

在電壓下降過程中，變斜率的VDCOL控制通過降低UH提升了電流指令值，這樣可以保證直流輸電功率的穩(wěn)定。在電流恢復(fù)過程中，隨著電壓的上升，UH值增大，可以使得電流指令值有所減少，從而保證直流傳輸功率的穩(wěn)定，以及直流電流的振蕩性減少。由于采取變斜率的VDCOL控制，在電壓恢復(fù)過程中，降低了電流指令值，換流器消耗的無功功率相應(yīng)減少，交流母線電壓波動(dòng)變得更小。

圖6 逆變側(cè)直流極線發(fā)生接地故障Fig.6 Ground fault in DC pole bus in inverter side

圖7 交流母線發(fā)生接地故障Fig.7 Ground fault in AC bus

圖8 直流故障下的直流電壓和電流波形Fig.8 Waveform of DC voltage and current when a fault occurred in DC side

3 VDCOL控制類型比較

VDCOL控制可以通過引入直流電壓或是交流電壓，來限制直流電流命令值。采用和上述驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一樣的一次RTDS模型和二次控制系統(tǒng)，仿真研究當(dāng)直流極線發(fā)生接地故障、交流母線發(fā)生接地故障時(shí)，直流電壓和電流，以及交流母線電壓，在不同的VDCOL控制類型下，所發(fā)生的變化。

（1）研究直流輸送功率穩(wěn)定

在圖8中，當(dāng)直流極線發(fā)生接地故障時(shí)，VDCOL引入交流電壓信號(hào)來控制直流電流指令值，能夠很好地保證直流電流值振蕩幅度，要小于采取直流電壓信號(hào)。在圖9中，也能得到在VDCOL當(dāng)中引入交流電壓，在保證直流電流穩(wěn)定方面，要優(yōu)于引入直流電壓。在交流故障情況下，采用AC-VDCOL，直流電壓的波動(dòng)程度也要小于DC-VDCOL情況下的。

通過對(duì)比AC-VDCOL和DC-VDCOL兩種控制類型，在直流故障下，交流系統(tǒng)相對(duì)直流系統(tǒng)而言，電壓更加穩(wěn)定，此時(shí)引入交流電壓到VDCOL當(dāng)中，直流電流指令值的波動(dòng)也會(huì)更小。當(dāng)交流母線發(fā)生接地故障，采取AC-VDCOL相比DC-VDCOL，可以更加靈敏地反應(yīng)電壓的波動(dòng)，調(diào)整直流電流指令值的輸出，從而保證直流輸送功率的穩(wěn)定性。

（2）研究交流電壓穩(wěn)定

圖9 交流故障下的直流電壓和電流波形Fig.9 Waveform of DC voltage and current when a fault occurred in AC side

圖10 直流故障下的交流電壓波形Fig.10 Waveform of AC voltage when a fault occurred in DC side

在圖10中，AC-VDCOL控制類型下，交流電壓的波動(dòng)幅度要小于DC-VDCOL當(dāng)中的，相比較DC-VDCOL當(dāng)中的電壓振蕩，AC-VDCOL中的交流電壓振蕩次數(shù)更多。在圖11中，兩種控制類型對(duì)于交流電壓的振蕩幅度和次數(shù)的影響程度基本相同。

在VDCOL控制中采用交流電壓信號(hào)，當(dāng)直流發(fā)生故障時(shí)，可以依靠交流系統(tǒng)更加穩(wěn)定的電壓水平，通過降低電流指令，減少無功消耗，來保證交流電壓穩(wěn)定。

圖11 交流故障下的交流電壓波形Fig.11 Waveform of AC voltage when a fault occurred in AC side

4 結(jié)論

本文從分析VDCOL參數(shù)對(duì)直流輸電穩(wěn)定性和交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性出發(fā)，給出變斜率的VDCOL控制方式，根據(jù)電壓輸入值的變化來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)UH，從而調(diào)整直流電流命令值。在RTDS仿真實(shí)驗(yàn)過程中，驗(yàn)證了變斜率控制有利于直流電流、直流電壓以及交流電壓的恢復(fù)。在電壓降低情況下，增大直流電流指令值，可以來保證直流輸電的功率穩(wěn)定。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，采取的是非線性元件，UH和引入VDCOL中電壓信號(hào)呈線性關(guān)系，對(duì)于限制直流電壓和交流電壓波動(dòng)效果不明顯，可以采取一定措施加以改進(jìn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)VDCOL的兩種控制類型進(jìn)行比較，在AC-VDCOL控制類型下，有利于直流輸送功率的穩(wěn)定，對(duì)保證交流電壓的穩(wěn)定性，也有一定的作用。

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