潘衛(wèi)明 盧東斌 崔恒豐 呂彥北

特高壓直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比檢測(cè)方法及應(yīng)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(qiáng)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(yīng)可能會(huì)影響整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)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(jì)算方法，結(jié)合特高壓直流換流站投切交流濾波器的過(guò)程，在直流控制器中實(shí)現(xiàn)對(duì)交流系統(tǒng)等效參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。根據(jù)交流系統(tǒng)等效參數(shù)和直流換流站相關(guān)電氣量，提出直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比的概念，用于定量分析交直流系統(tǒng)的強(qiáng)弱關(guān)系。最后針對(duì)典型弱交強(qiáng)直系統(tǒng)直流線路故障過(guò)程中的振蕩問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比優(yōu)化直流控制參數(shù)，解決了故障過(guò)程中的振蕩問(wèn)題。

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

0 引言

近年來(lái)，特高壓直流輸電憑借其輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、輸電損耗低及輸送功率靈活可控等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為我國(guó)跨區(qū)域輸電最主要的解決方案[1]。目前，國(guó)內(nèi)已建成昌吉—古泉±1 100kV/5 000A直流工程，以及哈密—鄭州、青海—河南和白鶴灘—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(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備為核心，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，直流系統(tǒng)以電力電子設(shè)備為核心，時(shí)間常數(shù)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，混聯(lián)系統(tǒng)暫態(tài)故障及恢復(fù)過(guò)程中交直流系統(tǒng)在電磁暫態(tài)時(shí)間尺度引發(fā)的連鎖反應(yīng)可能影響整個(gè)電網(wǎng)[2-4]。

直流系統(tǒng)故障后換流站有功及無(wú)功功率快速變化對(duì)交流系統(tǒng)的電壓、功率均會(huì)產(chǎn)生影響，交流電壓的變化又會(huì)反作用于直流系統(tǒng)，加劇故障及恢復(fù)過(guò)程中直流側(cè)電壓、電流的擾動(dòng)。在某些特殊故障情況下，直流系統(tǒng)過(guò)快的調(diào)節(jié)速度與交流系統(tǒng)電氣量緩慢的恢復(fù)速度相互影響，會(huì)引發(fā)系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)。針對(duì)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(jìn)行調(diào)節(jié)，可以提升混聯(lián)系統(tǒng)故障期間暫態(tài)響應(yīng)特性[5-8]。然而，直流系統(tǒng)控制參數(shù)或控制邏輯無(wú)法根據(jù)交直流系統(tǒng)強(qiáng)弱關(guān)系的大范圍變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此需要研究交直流系統(tǒng)強(qiáng)弱關(guān)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(wú)此類研究。

針對(duì)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(shí)時(shí)計(jì)算交流系統(tǒng)等效阻抗的方法。給出直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比（short circuit ratio, SCR）的概念，根據(jù)等效阻抗實(shí)時(shí)計(jì)算直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比，再由運(yùn)行短路比范圍動(dòng)態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)和策略，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了根據(jù)運(yùn)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(yīng)。

1 特高壓直流系統(tǒng)運(yùn)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(nèi)的特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)由交流電源、交流負(fù)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(guò)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(shè)備簡(jiǎn)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(jí)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(yuǎn)大于等效電阻。為了簡(jiǎn)化計(jì)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(diǎn)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(wú)功功率為。無(wú)功功率為正，表示換流站總體為感性無(wú)功，負(fù)載從交流系統(tǒng)吸收無(wú)功功率；為負(fù)，表示換流站向交流系統(tǒng)提供無(wú)功功率。以電壓c的相位為基準(zhǔn)，將交流電流c分解為有功電流分量cd和無(wú)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(diǎn)電壓c與等效電抗電壓的相量和，仍以c的相位為基準(zhǔn)，等效電路相關(guān)相量關(guān)系如圖2所示。

結(jié)合圖2，不難得到S、L與換流站接入點(diǎn)電壓c、電流c的關(guān)系為

聯(lián)立式（3）和式（4）可得

1.2 直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比

換流站的有功功率、無(wú)功功率及接入點(diǎn)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(wú)功功率包含換流器及交流濾波器等無(wú)功設(shè)備的無(wú)功功率總和。

直流換流器為感性負(fù)載，直流換流站配置了大容量的容性交流濾波器用于無(wú)功補(bǔ)償，在正常運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)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(wú)功功率。檢測(cè)交流濾波器投入或切除前后換流站接入點(diǎn)電壓、換流站有功功率及無(wú)功功率，根據(jù)式（5）即可計(jì)算得到S和L。換流站的無(wú)功濾波器單組容量較大，投切濾波器時(shí)間間隔較長(zhǎng)，因此該方法對(duì)交流系統(tǒng)短路阻抗及電源電壓檢測(cè)的實(shí)時(shí)性較差，但考慮到直流換流站接入的500kV及以上電壓等級(jí)交流電網(wǎng)短路阻抗及電源電壓是比較穩(wěn)定的，對(duì)檢測(cè)時(shí)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(cè)。

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(wú)功功率為1、2，換流站接入點(diǎn)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(shè)備額定容量的比值。為了衡量直流系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)對(duì)混聯(lián)系統(tǒng)的影響，將交流系統(tǒng)當(dāng)前短路容量與直流運(yùn)行輸送的有功功率c的比值記為直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比，可通過(guò)式（7）計(jì)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(duì)交流系統(tǒng)的影響越大。

2 運(yùn)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(yùn)行時(shí)直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比可以根據(jù)式（8）計(jì)算，結(jié)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(qiáng)系統(tǒng)[9]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，交流系統(tǒng)強(qiáng)弱變化范圍極大，在不同的直流系統(tǒng)運(yùn)行功率下，直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行短路比的變化范圍更大，交直流系統(tǒng)強(qiáng)弱對(duì)比變化會(huì)直接導(dǎo)致混聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生故障后暫態(tài)過(guò)程存在較大差異，這給直流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)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(hù)動(dòng)作，直流控制系統(tǒng)主動(dòng)移相，經(jīng)過(guò)去游離時(shí)間后重啟，過(guò)程中故障極直流功率降為零，故障極的直流功率可轉(zhuǎn)帶至非故障極[10]，但由于轉(zhuǎn)帶能力的限制，在直流功率水平較高時(shí)存在暫態(tài)的直流功率損失，暫態(tài)過(guò)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(fù)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(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展直流線路故障試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目一模擬直流雙極四閥組800MW運(yùn)行過(guò)程中極1直流線路發(fā)生金屬性接地故障，試驗(yàn)波形如圖3所示。根據(jù)式（8）計(jì)算得到直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比為22，直流系統(tǒng)故障后對(duì)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(zhuǎn)帶，故障和恢復(fù)過(guò)程中系統(tǒng)電壓電流正常。

圖3 試驗(yàn)項(xiàng)目一試驗(yàn)波形

試驗(yàn)項(xiàng)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(yùn)行過(guò)程中極1直流線路發(fā)生金屬性接地故障，試驗(yàn)波形如圖4所示。雖然交流系統(tǒng)條件并沒(méi)有發(fā)生改變，但由于直流功率增大，直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比減小至2.2，直流系統(tǒng)對(duì)交流系統(tǒng)影響顯著增大，在暫態(tài)故障過(guò)程中極2存在明顯的直流電壓、電流振蕩。

下面將故障過(guò)程中系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程分為圖4所示①～③三個(gè)階段分析振蕩產(chǎn)生機(jī)理。

圖4 試驗(yàn)項(xiàng)目二試驗(yàn)波形

①故障后極1移相、直流功率降為零，由于極2無(wú)法轉(zhuǎn)帶所有直流功率，導(dǎo)致有功功率損失，直流功率損失后，換流器吸收的無(wú)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(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)功功率過(guò)剩，過(guò)剩的無(wú)功功率作用于弱交流系統(tǒng)，導(dǎo)致交流電壓升高；極2轉(zhuǎn)帶過(guò)程中，由于電流控制器作用觸發(fā)角進(jìn)入最小角度運(yùn)行，維持在電流控制器下限值A(chǔ)LPHA_MIN。

②交流電壓升高、觸發(fā)角保持ALPHA_MIN運(yùn)行均會(huì)導(dǎo)致送端直流電壓增大，直流電壓超過(guò)過(guò)電壓限制OVL動(dòng)作閾值后，OVL控制器動(dòng)作，快速增大電流控制器下限值A(chǔ)LPHA_MIN以提升觸發(fā)角，導(dǎo)致觸發(fā)角快速增大，送端電壓下降。

③送端電壓下降后，過(guò)電壓控制器動(dòng)作復(fù)歸，此時(shí)在電流控制器作用下觸發(fā)角減小，整流側(cè)直流電壓增大，再次出現(xiàn)直流過(guò)電壓?jiǎn)栴}，從而進(jìn)入一個(gè)循環(huán)振蕩的過(guò)程，振蕩持續(xù)至極1重啟成功。

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

3 基于運(yùn)行短路比實(shí)時(shí)檢測(cè)的直流控制系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)第2節(jié)的結(jié)論，對(duì)交流濾波器投切前后的相關(guān)電氣量進(jìn)行采樣，先通過(guò)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(jì)算得到直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比。

由于式（6）較為復(fù)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(duì)求解過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。在直流工程中，由于直流有功功率變化速度為MW/min量級(jí)，投切濾波器前后有功功率的變化可以忽略不計(jì)，存在變化的量主要為無(wú)功功率和換流站交流電壓，因此可以做出以下簡(jiǎn)化。

有功功率變化可以忽略不計(jì)，圖2中有功電流對(duì)應(yīng)量cdL在濾波器投切前后可認(rèn)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(yàn)系統(tǒng)中，調(diào)整RTDS模型中的等效電源阻抗和額定電壓可改變系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行短路比，式（6）求解后可得到運(yùn)行短路比理論計(jì)算值，在直流控制系統(tǒng)中根據(jù)式（10）求解得到運(yùn)行短路比的控制系統(tǒng)實(shí)測(cè)值，對(duì)不同交流系統(tǒng)參數(shù)下的理論計(jì)算偏差和控制系統(tǒng)實(shí)測(cè)偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)行短路比為2的情況下偏差最大，最大偏差約為10%。直流運(yùn)行短路比檢測(cè)偏差統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 直流運(yùn)行短路比檢測(cè)偏差統(tǒng)計(jì)

在直流控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行短路比的實(shí)時(shí)檢測(cè)后，參照短路比的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將≤3的系統(tǒng)視為極弱或弱系統(tǒng)，＞3的系統(tǒng)視為強(qiáng)系統(tǒng)。當(dāng)＜3時(shí)，對(duì)線路故障過(guò)程中非故障極控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行如下調(diào)整：

1）將整流側(cè)電流控制器下限值A(chǔ)LPHA_MIN由5°調(diào)整為12°，減小最小觸發(fā)角運(yùn)行時(shí)直流電壓的過(guò)電壓水平。

2）調(diào)整整流側(cè)過(guò)電壓限制控制器動(dòng)作速率，將比例系數(shù)由500減小至250，降低過(guò)電壓控制器對(duì)角度調(diào)節(jié)的速度。

采用直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比優(yōu)化直流系統(tǒng)后重新進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目二，試驗(yàn)波形如圖6所示，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的運(yùn)行短路比與理論值相近，根據(jù)短路比進(jìn)行控制策略優(yōu)化后，解決了直流線路故障過(guò)程中的振蕩問(wèn)題。

圖6 試驗(yàn)項(xiàng)目二試驗(yàn)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(duì)弱交強(qiáng)直系統(tǒng)直流線路故障過(guò)程設(shè)計(jì)的，目的是說(shuō)明根據(jù)直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)的有效性，其他類似由弱交強(qiáng)直導(dǎo)致的暫態(tài)性能不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題都可以依據(jù)本文思路進(jìn)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(diào)整解閉鎖時(shí)序 等[12]。

4 結(jié)論

本文基于交直流混聯(lián)系統(tǒng)的等效模型，推導(dǎo)得到交流系統(tǒng)等效電源相關(guān)參數(shù)與直流換流站交流電壓、有功功率及無(wú)功功率之間的數(shù)學(xué)公式。在理論分析的基礎(chǔ)上提出了直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比的概念，利用換流站投切交流濾波器的暫態(tài)過(guò)程，在直流控制系統(tǒng)中對(duì)相關(guān)電氣量進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)計(jì)算得到交流系統(tǒng)參數(shù)和直流系統(tǒng)運(yùn)行短路比，根據(jù)運(yùn)行短路比的范圍對(duì)直流線路故障期間的直流控制系統(tǒng)參數(shù)策略進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)及優(yōu)化調(diào)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(tái)人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事特高壓直流輸電控制保護(hù)技術(shù)研發(fā)工作。