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(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

特高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)送端電網(wǎng)影響分析

朱清代，滕予非，李小鵬

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

分析了計(jì)及換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)特高壓直流工程在逆變側(cè)交流故障情況下的響應(yīng)行為，探討了特高壓直流換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)送端電網(wǎng)直流送端電氣量的影響以及換相失敗預(yù)測(cè)控制環(huán)節(jié)參數(shù)的靈敏度。結(jié)果表明，換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的投入可以起到減少換相失敗持續(xù)時(shí)間的作用。最后，在逆變側(cè)電壓跌落出現(xiàn)換相失敗后，分析了其對(duì)傳輸有功功率恢復(fù)速度及送端交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能的影響。

換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)；逆變側(cè)；觸發(fā)角；功角穩(wěn)定

0 引 言

由于特高壓直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電、大區(qū)電網(wǎng)非同步互聯(lián)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制方面的優(yōu)勢(shì)，目前世界各國(guó)均積極開(kāi)展特高壓直流輸電相關(guān)領(lǐng)域的研究，并且在特高壓直流送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性分析研究方面取得了大量研究成果[1-2]。

大量學(xué)者利用PSCAD、BPA以及PSASP等仿真工具，針對(duì)特定的直流工程對(duì)送端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

換相失敗是直流輸電系統(tǒng)的常見(jiàn)故障，一直是業(yè)界研究的熱點(diǎn)[3-4]。研究表明，在直流輸電工程換相失敗過(guò)程中，各電氣量均發(fā)生劇烈波動(dòng)，其中換流母線(xiàn)電壓最低可降至0，直流電流一般可增加到額定電流的1.5 倍，直流有功功率可瞬時(shí)下降至0 甚至短時(shí)反向(最低至-1.0 p.u.)，直流無(wú)功功率過(guò)剩；在換相失敗恢復(fù)過(guò)程中換流站短時(shí)向系統(tǒng)注入大量無(wú)功[5-7]。

下面在介紹高壓直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)交流電壓快速跌落及恢復(fù)時(shí)直流功率動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，利用仿真分析的方法, 分析了換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)送端電網(wǎng)直流電氣量的影響；在逆變側(cè)電壓跌落出現(xiàn)換相失敗后，分析了其對(duì)傳輸有功功率恢復(fù)速度及送端交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能的影響。

1 逆變側(cè)交流電壓快速跌落及恢復(fù)時(shí)直流功率動(dòng)態(tài)特性

1.1 換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)

在逆變側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由于換流站母線(xiàn)單相或三相交流電壓下降，直流輸電存在換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。為防止換相失敗發(fā)生并在故障結(jié)束后加快直流恢復(fù)，直流工程往往引入換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)在檢測(cè)到交流系統(tǒng)故障后，會(huì)使熄弧角值增加以提前觸發(fā)，也會(huì)影響Amax環(huán)節(jié)使得最大α角限制值減小。換相失敗預(yù)測(cè)增加逆變側(cè)γ角可以有3個(gè)來(lái)源。

第1是逆變側(cè)確實(shí)出現(xiàn)換相失敗，其檢測(cè)條件與換相失敗保護(hù)檢測(cè)條件相同，此時(shí)γ角會(huì)增加5°；第2是逆變側(cè)交流電壓出現(xiàn)零序分量，當(dāng)零序分量過(guò)大時(shí)，控保系統(tǒng)會(huì)根據(jù)零序分量大小相應(yīng)增加γ角，最大可增加25.84°。第3是逆變側(cè)交流三相電壓有效值下降，當(dāng)下降程度較大時(shí)，控保系統(tǒng)會(huì)根據(jù)三相電壓有效值下降程度相應(yīng)增加γ角，最大可增加25.84°。最終換相失敗預(yù)測(cè)的輸出取以上3個(gè)輸出的最大值。

1.2 高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了分析逆變側(cè)交流電壓快速跌落及恢復(fù)時(shí)直流功率動(dòng)態(tài)特性，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中，建立如圖 1所示的特高壓直流輸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)額定電壓為±800 kV、額定電流為5 kA，因此雙極額定功率達(dá)到8 000 MW。

圖1 高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型

當(dāng)直流受端近區(qū)交流母線(xiàn)出現(xiàn)短路故障時(shí)，隨著故障的發(fā)生及清除，換流站交流母線(xiàn)電壓將出現(xiàn)快速的跌落及恢復(fù)。為了描述該過(guò)程，可設(shè)置如下情景：

令直流輸電送、受兩端換流站交流母線(xiàn)三相短路容量均為57 200 MVA，同時(shí)設(shè)置受端電壓電動(dòng)勢(shì)跌落深度ΔEt為0.65 p.u.、變化頻率fs為8 Hz。在換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)方面，設(shè)置熄弧角γ最大提升量為Δγmax=25.8419°，交流母線(xiàn)電壓恢復(fù)后熄弧角γ的恢復(fù)時(shí)間常數(shù)Tfcdc=20 ms。在上述設(shè)置下，分別考慮控保系統(tǒng)中是否配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)兩種工況，對(duì)高壓直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析。

1.3 仿真分析

在考慮控保系統(tǒng)中配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)與不配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)兩種工況下，兩側(cè)換流器觸發(fā)角以及直流電壓、直流電流的變化情況如圖 2所示。

由圖2可知，當(dāng)高壓直流逆變側(cè)交流母線(xiàn)電壓發(fā)生快速變化，特高壓直流控制系統(tǒng)及電氣參數(shù)的主要響應(yīng)特征解析如下：

圖2 電壓快速變化時(shí)整流側(cè)電氣量軌跡圖

1)Uac初始跌落的換相正常階段(oa階段)。在此過(guò)程中電壓輕微下降，直流電壓電流變化并不明顯，逆變側(cè)換流器未發(fā)生換相失敗，控制器觸發(fā)角輸出變化不大。

2)Uac深度跌落后換相失敗階段(配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)工況：a-b-c階段；未配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)工況：a-b-d階段)。由于逆變側(cè)交流母線(xiàn)電壓持續(xù)下降，逆變側(cè)換流器出現(xiàn)換相失敗現(xiàn)象。在換相失敗發(fā)生后，下一個(gè)換流閥換相完成將導(dǎo)致?lián)Q流閥形成旁通，這相當(dāng)于逆變側(cè)換流閥直流側(cè)發(fā)生了短路、交流側(cè)發(fā)生了開(kāi)路，將導(dǎo)致直流電壓顯著下降，而直流電流迅速增加。在此階段下，由于直流電流的快速增加，整流側(cè)的觸發(fā)角將會(huì)快速下降。對(duì)于逆變側(cè)控制指令而言，如果直流控制系統(tǒng)未配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，逆變側(cè)控制器將繼續(xù)維持預(yù)測(cè)型定熄弧角控制方式，觸發(fā)角指令變化范圍不大。反之，如果直流控制系統(tǒng)配置了換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，由于逆變側(cè)交流母線(xiàn)電壓的下降，逆變側(cè)控制器將增加熄弧角的指令值，導(dǎo)致觸發(fā)角指令顯著降低。在換相失敗預(yù)測(cè)控制環(huán)節(jié)的作用下，配置該環(huán)節(jié)工況下逆變側(cè)換流器較未配置該環(huán)節(jié)工況下提前8.4 ms結(jié)束換相失敗。

3)Uac恢復(fù)、逆變側(cè)換流器換相正常后直流電壓、電流調(diào)整階段(配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)工況：c-e-f階段；未配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)工況：d-e-f階段)。逆變側(cè)換流器換相正常后，由于整流側(cè)換流器觸發(fā)角顯著增加，直流電流難以快速恢復(fù)，從而進(jìn)入低直流電流狀態(tài)。此過(guò)程中，整流側(cè)、逆變側(cè)控制器同時(shí)進(jìn)入定電流控制模式，經(jīng)400 ms左右的調(diào)整后，直流恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)比兩種工況可知，當(dāng)配置了換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致?lián)Q相失敗預(yù)測(cè)期間逆變側(cè)觸發(fā)角指令值明顯小于未配置該環(huán)節(jié)的工況。這一舉措使得交流電壓恢復(fù)后直流電壓、電流恢復(fù)期間，直流電壓、電流的恢復(fù)速度明顯降低。

圖3所示是對(duì)應(yīng)整流側(cè)交流母線(xiàn)電壓的變化，整流側(cè)有功功率及整流站與交流系統(tǒng)無(wú)功功率交換情況的變化軌跡。

圖3 電壓快速變化時(shí)整流側(cè)功率軌跡圖

由圖3可知，當(dāng)直流系統(tǒng)配置了換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)后，在交流電壓恢復(fù)、直流進(jìn)入電壓、電流調(diào)整期間，由于直流電壓、電流恢復(fù)速度變慢，因此直流有功功率的恢復(fù)速度也相應(yīng)變慢。同時(shí)，也相應(yīng)增加了無(wú)功功率的恢復(fù)時(shí)間，導(dǎo)致?lián)Q流站在濾波器的作用下，輸出容性無(wú)功時(shí)間明顯增加。

1.4 Δγmax對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性影響

保持其他因素不變，分別設(shè)置逆變側(cè)換流器換相失敗后，換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)熄弧角γ最大提升量余弦值分別為0.025、0.05及0.01(對(duì)應(yīng)提升角度分別為12.83°、18.19°、25.84°)，由此可以得到逆變側(cè)交流電壓擾動(dòng)期間，直流系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)軌跡如圖4所示。

圖4 RAML不同輸出情況下時(shí)整流側(cè)功率軌跡圖

由圖4可知， 熄弧角γ最大提升量的增加降低了直流換相失敗期間的逆變側(cè)換流器觸發(fā)角，因此導(dǎo)致有功功率恢復(fù)速度進(jìn)一步降低；同時(shí)電壓恢復(fù)期間整流側(cè)換流站釋放的無(wú)功功率也會(huì)相應(yīng)而增加。

2 換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)送端交直流系統(tǒng)功角穩(wěn)定性影響分析

由擴(kuò)展等面積法則(extended equal area criterion，EEAC)可知，當(dāng)直流控制保護(hù)系統(tǒng)配置了換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)后，當(dāng)直流系統(tǒng)由于逆變側(cè)電壓跌落而出現(xiàn)換相失敗后，直流系統(tǒng)傳輸有功功率恢復(fù)速度將較未配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)時(shí)有所降低。因此，對(duì)于逆變側(cè)單次故障工況，換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的引入將降低送端交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。換相失敗期間熄弧角γ最大提升量越大，對(duì)穩(wěn)定性能的影響也越大。

3 仿真算例

建立如圖5所示單機(jī)-直流-無(wú)窮大系統(tǒng)，其中特高壓直流的額定直流電壓為±800 kV,額定電流為5 kA,額定送電功率為8 000 MW。UC∠0°為無(wú)窮大系統(tǒng)，Et∠δ為一臺(tái)發(fā)電機(jī)，Pd為傳輸?shù)挠泄β省?/p>

圖5 單機(jī)-直流-無(wú)窮大算例系統(tǒng)

令：LG=0.068 H

LS=0.0203 H

在此工況下，特高壓直流整流站交流母線(xiàn)BDC短路容量約為56 400 MVA。

圖6 仿真結(jié)果

短路故障為：

t=2.0 s 特高壓直流整流站逆變母線(xiàn)出現(xiàn)三相短路故障；t=2.1 s 特高壓直流整流站逆變母線(xiàn)故障切除。

設(shè)置未配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)、Δγmax=12.83°以及Δγmax=25.8 419°三種場(chǎng)景下的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6中，不同場(chǎng)景下發(fā)電機(jī)功角振蕩的峰值以及阻尼比如表1所示。

表 1 不同場(chǎng)景下發(fā)電機(jī)振蕩峰值

由表1可知，在此工況下，配置了換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)后，當(dāng)逆變側(cè)交流母線(xiàn)出現(xiàn)故障后，送端電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能較未配置前有所下降，且換相失敗期間熄弧角增加值越大，穩(wěn)定性越差。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)特高壓直流工程在逆變側(cè)交流故障情況下的控制行為及響應(yīng)行為進(jìn)行分析后，得到以下結(jié)論：

1)利用仿真分析的方法探討了特高壓直流換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)送端電網(wǎng)直流送端電氣量的影響；分析了換相失敗預(yù)測(cè)控制環(huán)節(jié)參數(shù)的靈敏度。分析結(jié)果表明，換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的投入的確可以起到減少換相失敗持續(xù)時(shí)間的目的。

2)當(dāng)直流系統(tǒng)由于逆變側(cè)電壓跌落而出現(xiàn)換相失敗后，直流系統(tǒng)傳輸有功功率恢復(fù)速度將較未配置換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)時(shí)有所降低。因此，對(duì)于逆變側(cè)單次故障工況，換相失敗預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的引入將降低送端交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。換相失敗期間熄弧角γ最大提升量越大，對(duì)穩(wěn)定性能的影響也越大。

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The response behavior of UHVDC project under AC fault condition of inverter side are analyzed with consideration of commutation failure prediction. The impact of HVDC commutation failure prediction on electrical quantity of DC transmission terminal is discussed, and the sensitivity of the parameters in the predictive control of commutation failure is analyzed. The results show that the input of commutation failure prediction can really reduce the duration of commutation failure. Finally, after the commutation failure occurring in the voltage sag of inverter side, its influence on the recovery speed of active power and the stability of AC / DC system is analyzed.

commutation failure prediction; inverter side; trigger angle; power angle stability

TM721

A

1003-6954(2017)06-0012-04

朱清代(1966)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷骺刂葡到y(tǒng)研究；

滕予非(1984)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析。

2017-10-08)