直流輸電系統接入后的恢復控制研究

瞿寒冰，尹茂林

（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

·試驗研究·

直流輸電系統接入后的恢復控制研究

瞿寒冰，尹茂林

（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

隨著直流輸電技術的廣泛應用，其接入后的恢復控制呈現出新的特點。提出一種考慮直流輸電系統接入的系統恢復控制策略。首先，分析傳統直流系統啟動時所產生的功率沖擊問題，確定考慮交流系統強度的直流啟動時機和相應的啟動方式；然后，分析直流啟動后系統恢復需要注意的問題，包括電壓問題和頻率問題，并給出有利于系統恢復的直流控制方式；最后，結合已有的交流系統恢復策略，提出考慮直流輸電系統接入的系統總體恢復控制策略。

電力系統恢復；直流輸電；控制策略；功率沖擊

0 引言

隨著直流輸電技術的不斷發展，以及在遠距離大容量輸電、不同交流系統間非同步聯網等方面表現出的優點，直流輸電在大電網互聯、跨國聯網輸電中得到廣泛應用［1-2］。直流輸電系統具有輸送功率大、啟動和調整速度快、可控性強、且輸電距離不受同步穩定性限制等特點［3］，在系統大停電后的恢復過程中能快速有效地提供功率支援。但直流系統啟動過程中會對受端系統帶來較大的沖擊，若發生直流閉鎖等問題，則可能使恢復過程中的受端交流系統再次崩潰，甚至可能對直流輸電設備產生損害。因此，在系統恢復過程中，有效利用直流系統快速的功率支援特點，避免直流閉鎖故障和啟動沖擊產生的危害，加快恢復進程，減少停電損失，具有至關重要的意義。

目前針對大停電后的系統恢復控制進行了大量深入的研究，包括整體的恢復順序、操作、策略［4-6］，恢復過程中的系統約束和具體問題［7-12］，以及各階段主要目標的恢復控制［13-20］。針對直流系統接入后的恢復研究問題，文獻［21］以中國的天廣直流為例，利用PSCAD構建的仿真模型對電網黑啟動初期直流的啟動方式和條件進行了分析研究。文獻［22-24］則認為基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統（VSCHVDC）具有獨立的無功功率快速控制能力，在電網大停電過程中具有自保護能力，能夠作為受端交流系統的黑啟動電源，加快系統的恢復速度。綜上所述，目前關于直流輸電系統接入后總體恢復控制策略的分析研究較少。另一方面，雖然VSC-HVDC在系統恢復中表現出較好的無功功率控制能力，但目前該技術大多用于電力交易、系統互聯和海底電纜中，且電壓等級較低，在輸送距離較短時具有較好的經濟優勢［25-27］。當前世界電網特別是中國電網進行高電壓、遠距離大容量輸電時，大多仍采用基于相控換流器的傳統直流輸電（PCC-HVDC）。因此，有必要結合當前直流系統的實際情況，針對傳統直流輸電接入后的恢復控制策略進行研究。傳統直流輸電需要兩端交流系統的功率和電壓支撐，因此，如何選擇合適的直流系統啟動時機對于大停電后的恢復控制進程至關重要。

闡述傳統直流系統啟動時所產生的功率沖擊問題，并由此分析考察交流系統強度的直流啟動條件和相應的啟動方式；分析直流啟動后系統恢復需要注意的問題，包括直流控制方式、電壓問題和頻率問題；基于以上分析研究，結合已有的交流系統恢復策略，提出了直流接入后的總體恢復控制策略。

1 直流啟動問題

直流輸電系統啟動時將面臨有功和無功沖擊兩方面的問題。

1.1 有功功率沖擊

直流輸電系統中電流不應過低，否則將會出現電流斷續現象，進而導致在某些電感元件上（換流變、電抗器等）出現過電壓問題，因此，為防止換流器正常換相時發生直流電流斷續現象，工程中要求最小直流電流應為其額定直流電流的5%～10%［3，28］。由于直流功率為電壓和電流的乘積，最小直流電流確定后，根據直流電壓的大小可得到對應最小直流輸送功率，實際直流工程設計中，通常選擇額定功率的10%作為最小輸送功率（已投產的葛上、三常、三廣、貴廣I、貴廣II、三滬等直流工程）［29］。

直流系統解鎖過程中常先達到最小啟動功率，然后過渡至最小輸送功率（10%額定功率），由于直流系統的啟動控制速度較快，會對兩端交流系統產生有功功率沖擊。為降低啟動功率以減少系統沖擊，直流啟動過程中可采用降壓啟動方式，通常為額定直流電壓的70%～80%［21］。確定最小啟動功率時應盡量以實際的最小連續電流值作為參考，進行降壓啟動時，由于觸發角增大，相應的電流值也相應增大，因此，需綜合各方面因素合理選擇最小啟動功率［29］，相應的計算公式可表達為

式中：Pdmin為直流最小啟動功率；UdN為直流系統額定電壓；Ic為最小連續電流值；KI為電流取值的裕度系數。

1.2 無功功率沖擊

直流系統啟動時，需要輔以投入最小濾波器組合，此時可能會造成直流系統的無功功率向交流系統的倒送現象，加上系統恢復初期電網負荷較輕，直流啟動會加劇系統恢復初期的無功功率過剩問題，容易導致系統電壓水平過高。直流啟動電壓越高，這種情況越明顯，此時要求交流系統應足夠強壯來支撐落點電壓水平，且已并網機組應具有一定的進相運行能力［29-30］。

綜上所述，系統恢復控制過程中，已恢復交流系統的強度如何對于成功啟動直流系統至關重要。通常用3個指標來評估交流系統的強度，即有效短路比、有效慣性時間常數、短路容量［31-33］。

短路容量可有效反映受端交流系統的供電能力，其對應某系統運行方式下考查點發生三相短路時的視在功率，用來表征考查點任何擾動對交流系統的影響大小。直流輸電系統中，其落點位置的短路容量SSC可表示為

式中：Uac為額定直流功率下的換相母線電壓；Zth為交流系統的戴維南等值阻抗。

有效短路比（ESCR）能有效反映交流系統相對于直流系統的強度，其值越大，直流線路功率擾動對交流系統的影響越小。對應定義為

式中：QcN為電容器和濾波器的無功容量；QmN為同步調相機提供的無功容量；PdN為直流系統的額定功率。直流啟動過程中，PdN采用直流系統的實際傳輸功率，表示為實際傳輸功率下的有效短路比。

系統慣性時間常數則能有效反映系統維持頻率的能力，其定義為

式中：Js為交流系統總轉動慣量；Pds為直流系統實際傳輸功率。直流啟動過程中，恢復中的受端系統較小，其中已并網的發電機可以看作是同調機組，則系統總轉動慣量可被定義為

式中：Hi和Si分別為系統內第i個機組的慣性時間常數和機組容量。

短路容量和有效短路比從無功功率角度出發，反映直流啟動時受端系統的無功沖擊承受能力，有效慣性時間常數則從有功功率的角度出發，反映直流啟動時受端系統的有功沖擊承受能力。由于系統結構和直流啟動方式等方面的差異，不同系統情況下要求的最小直流啟動條件也有所不同，應結合具體的系統條件來確定3個參數指標。文獻［31］中確定直流逆變側有效短路比應大于8（相對于直流實際功率），絕對短路容量需達到直流單組濾波器容量的14倍，有效慣性時間常數需達到28 s。文獻［33］則根據短路比的不同劃分了系統的強弱程度。

直流系統常用的啟動方式主要包括全壓啟動和降壓啟動，恢復過程中交流系統比較薄弱，為了減少功率沖擊，一般選擇降壓啟動方式。當最小直流啟動電流選定后，降壓啟動可以減小啟動功率，減少對受端電網的有功功率沖擊；另一方面，降壓啟動時需要增大觸發角，會使直流吸收的無功功率增加，有利于減小直流啟動初期對交流系統的無功功率倒送影響。

2 直流啟動后的系統恢復

直流系統恢復后能夠為受端交流系統提供快速的功率支持，但由于直流系統所采用的運行、控制模式及其自身的特點，可能會導致電壓和頻率問題。

直流線路投入初期，由于絕對最小濾波器容量的影響，可能導致直流系統對交流系統的無功倒送問題，加上交流系統恢復初期負載較輕，使得系統無功過剩，電壓水平較高，充電線路時易導致過電壓問題。恢復后期，隨著直流線路的傳輸功率增加，其從交流系統吸收的無功功率增加，進行大規模負荷恢復時，可能使直流落點的電壓跌落嚴重，甚至導致逆變側的換相失敗，因此，負荷恢復過程中，應從換相失敗的角度增加直流系統落點電壓的約束條件。

直流輸電的控制系統通常分為3層，第一層為主控制級，第二層為極控制級，第三層為閥組控制級。主控制級產生定功率控制的電流指令或直接施加恒定電流指令，極控制級主要實現整流側或逆變側的定電流、定熄弧角或定電壓控制，閥組控制主要實現觸發脈沖的正常工作。上述3個層次控制的響應時間有較大差別，例如第一層對應功率變化的響應時間一般在100 ms左右，而第三層對應觸發角變化的響應時間一般在1～4 ms［34］。但相對于交流系統的機電暫態過程來看（一般為秒級），第一層即主控制級的響應速度仍很快，其控制可認為是瞬時完成的。

直流系統主控制級可向極控制級的定電流控制模塊施加恒定功率控制的電流指令或直接的恒定電流指令。系統恢復后期投入電動機負荷時，若直流系統落點電壓下降，不同的控制方式會產生不同的響應結果。以逆變側的輸出功率為例

式中：Pdi為直流線路逆變側輸出功率；Ud0i為逆變側空載直流電壓，與交流側電壓成比例關系；γ為熄弧超前角；Rci為等值換相電阻；Id為直流電流。

若直流系統的主控制級施加恒定電流指令時，假設電動機負荷投入時引起的換流變壓器交流側電壓下降比為k=ΔUac／Uac，由于逆變側的定熄弧角控制，γ和Rci保持不變，而逆變側直流電壓成比例下降，則輸出功率變為

將式（6）和式（7）聯立得

式中：ΔP為逆變側輸出功率下降值。

由于直流系統控制的響應速度遠快過系統頻率的響應速度，上述情況下負荷恢復時的暫態電壓下降引起直流輸電功率的快速響應，會造成受端交流系統的有功功率缺額進一步增大，加重負荷投入過程中的頻率跌落幅度。落點電壓降落越低，這種情況越明顯。若直流系統的主控制級采用定功率控制的電流指令時，則直流系統輸送的功率會隨電壓的變化而進行相應的調整，由于其快速的響應速度，相對于負荷投入時的頻率響應來說，直流系統的輸電功率近似恒定在給定的功率值上。此時，交流系統的有功缺額認為全部是負荷投入產生的，進行頻率特性分析時可忽略直流系統的影響。根據上面兩種情況的分析，恢復過程中，直流系統主控制級應向整流側的定電流控制模塊施加定功率控制下的電流指令。

負荷投入后，為保證交流系統機組有足夠的備用容量，調度員可通過直流系統的功率控制提高輸送功率，向交流系統提供功率支持，用以平衡投入的負荷功率。由式（3）～（4）可知，直流系統輸送功率增加時，相應的ESCR和有效慣性常數都會減小，系統強度的降低可能會導致各種問題的發生，例如換相失敗、電壓穩定等。因此，直流系統啟動后，制定恢復策略時應考慮反映系統強度的約束條件，不滿足要求時，應恢復系統內的重要機組來增加系統強度。

3 總體恢復計劃策略

大停電后系統的初始條件不同，可利用的黑啟動電源也不同，因此，傳統交流系統的總體恢復包括自上而下和自下而上兩種策略［4］。

自上而下的恢復策略［35］。為使遠方電能向故障區域提供功率支持，首先需充電高壓或超高壓輸電線路，此過程中應防止出現工頻過電壓和操作過電壓［12］；為優先級別較高的被啟動機組提供支持功率，并恢復系統內重要變電站的站用電；在恰當的時機并網已獲得廠用電的機組，并進行大規模的負荷恢復。

自下而上的恢復策略［36-37］。根據黑啟動機組、被啟動機組的位置，結合恢復線路的可用性以及重要負荷的分布，將初始系統分為幾個子系統并行恢復；分區內首先向重要機組提供廠用電，恢復分區系統的主干網架，投入適量的重要負荷用以保持系統的功率平衡；進行大規模的負荷恢復，并根據實際情況恢復子系統間的聯絡線，實現分區子系統的并列。

直流輸電系統引入后，為了有效利用直流系統快速的功率支援特點，需根據直流系統的啟動條件要求以及啟動后對系統的影響調整交流系統的傳統恢復策略，建立交直流系統的總體恢復原則。

采用自上而下的恢復策略時，需要首先將遠方機組或聯絡線支持功率通過長距離的高壓或超高壓線路向故障區域供電。如果遠方機組的容量有限，直接恢復直流系統時，其最小啟動功率可能導致較大的頻率偏差，再次造成故障出現；若恢復功率是通過聯絡線由鄰近系統提供，此方式雖然能耐受較大的有功沖擊，但由于直流啟動時最小濾波器組的投入，可能造成線路末端的電壓進一步上升，不利于下一步的網架恢復，且由于鄰近系統一般具有較大的旋轉備用，可以為受端交流系統提供較好的功率支持，此時直流系統的恢復可以推遲進行。

采用自下而上的恢復策略時，子系統內黑啟動機組的容量一般較小，且恢復初期負載較輕，系統內的總轉動慣量較小，為防止頻率下降過多，一般不宜直接進行直流系統恢復。此時應首先向子系統內重要的被啟動機組提供廠用電，并輔以恢復重要變電站、網架線路和直流落點換流站，待系統恢復至一定強度時啟動直流系統。

綜上所述，大停電后無論是自上而下還是自下而上的恢復策略，均不宜在初始階段即恢復直流系統，均應首先恢復落點受端交流系統內的重要被啟動機組，為直流系統啟動提供必要的有功和無功支撐能力，維持直流系統恢復前后的系統頻率和電壓。如果系統僅發生局部停電故障，若未停電系統足夠強，則可盡快地恢復直流系統。為了明確直流啟動的時機，可根據第1節所提的3個指標對恢復中的交流系統進行量化分析，若指標均滿足啟動條件可恢復啟動直流系統。

圖1 直流接入后的總體恢復策略

直流啟動對受端系統能提供較大的功率支持，可進行大規模的負荷恢復，并恢復系統內其余機組和未充電線路，其具體的恢復策略框圖如圖1所示。制定直流啟動后負荷、機組恢復策略時應充分考慮直流啟動后運行和控制策略的特點，增加對系統無功功率平衡、直流落點電壓、系統頻率和系統強度相關指標等條件的約束校驗。另外，在對系統內多個機組恢復順序優化的過程中，除了考慮機組的容量、調節能力、啟動速度、最大/最小時間限制等因素，還應考慮機組與直流系統落點的電氣距離。

4 結語

直流系統接入后的恢復控制呈現出新的特點，直流啟動時會對恢復中的交流系統造成有功和無功功率的沖擊，為保證恢復順利進行，可通過量化交流系統的3個指標來反映其強度是否滿足條件，有效避免直流啟動帶來的問題，同時合適的啟動方式也能有效減少功率沖擊。直流啟動后初期會加重交流系統無功過剩的現象，應注意系統電壓水平和充電線路的過電壓問題；直流啟動后期，應對負荷投入時的直流落點電壓降落問題進行重點考察，防止電壓過低造成換相失敗；從頻率的角度看，不同的控制方式下負荷投入引起的功率缺額也不同，校驗負荷投入時的頻率響應過程中應注意實際的控制方式。

所提出的直流接入后的總體恢復控制策略，考慮了交流系統恢復的強度，通過重要被啟動機組的優先恢復，可以為直流系統啟動提供必要的功率支撐能力，維持直流系統恢復前后的系統頻率和電壓；制定直流啟動后負荷、機組恢復策略時應充分考慮直流啟動后運行和控制策略的特點，對系統無功功率平衡、直流落點電壓、系統頻率和系統強度相關指標等約束條件進行重點校驗。

［1］周孝信.研究開發面向21世紀的電力系統技術［J］.電網技術，1997，21（11）：11-15.

［2］舒印彪.中國直流輸電的現狀及展望［J］.高電壓技術，2004，30（11）：1-3.

［3］趙畹君.高壓直流輸電技術［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［4］Adibi M M，Fink L H.Power system restoration planning［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1994，9（1）：22-28.

［5］Fink L H，Liou K，Liu C.From generic restoration actions to specific restoration［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1995，10（2）：745-752.

［6］Ancona J J.A framework for power system restoration following a major power failure［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1995，10（3）：1 480-1 485.

［7］Adibi M M，Kafka R J.Power system restoration issues［J］.IEEE Computer Applications in Power，1991，4（2）：19-24.

［8］Adibi M M，Borkoski J N，Kafka R J，and etc.Frequency response of prime movers during restoration［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1999，14（2）：751-756.

［9］Adibi M M，Alexander R W，Milanicz D P.Energizing high and extra-high voltage lines during restoration［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1994，14（3）：1121-1126.

［10］Wunderlich S，Adibi M M，Fischl R，and etc.An approach to standing phase angle reduction［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1994，9（1）：470-478.

［11］Mello F P，Westcott J C.Steam plant startup and control in system restoration［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1994，9（1）：93-101.

［12］Adibi M M，Alexander R W，Avramovic B.Overvoltage control during restoration［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1992，7（4）：1 464-1 470.

［13］Adibi M M，Milanciz D P，Volkman T L.Remote cranking of steam electric stations［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1996，11（3）：1 613-1 618.

［14］王洪濤，劉玉田，邱夕照.基于分層案例推理的黑啟動決策支持系統［J］.電力系統自動化，2004，28（11）：49-52.

［15］劉強，石立寶，倪以信，等.電力系統恢復控制的網架重構智能優化策略［J］.中國電機工程學報，2009，29（13）：8-15.

［16］劉艷，顧雪平.基于節點重要度評價的骨架網絡重構［J］.中國電機工程學報，2007，27（10）：20-27.

［17］王春義，劉玉田.輸電網架恢復的動態優化決策方法［J］.電力系統自動化，2011，35（2）：23-27，78.

［18］瞿寒冰，劉玉田.計及暫態電壓約束的負荷恢復能力快速計算［J］.電力系統自動化，2009，33（15）：8-12.

［19］周云海，閔勇.負荷的快速恢復算法研究［J］.中國電機工程學報，23（3）：74-79.

［20］程改紅，徐政.基于粒子群優化的最優負荷恢復算法［J］.電力系統自動化，2007，31（16）：62-65，74.

［21］周劍，李建設，蘇寅生.電網黑啟動情況下高壓直流輸電系統啟動條件分析［J］.電力系統自動化，2011，35（3）：92-96.

［22］程改紅.交直流電力系統恢復控制策略研究［D］.杭州：浙江大學，2006.

［23］李廣凱.VSC-HVDC系統及其在電網恢復中的應用研究［D］.杭州：浙江大學，2007.

［24］郭麗，趙成勇，李廣凱，等.VSC-HVDC在電網黑啟動時負荷恢復階段提高系統頻率穩定性研究［J］.華北電力大學學報，2007，34（5）：22-26，31.

［25］李庚銀，呂鵬飛，李廣凱，等.輕型高壓直流輸電技術的發展與展望［J］.電力系統自動化，2003，27（4）：77-81.

［26］文俊，張一工，韓民曉，等.輕型直流輸電—一種新一代的HVDC技術［J］.電網技術，2003，27（1）：47-51.

［27］徐政，陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術綜述［J］.高電壓技術，2007，33（1）：1-10.

［28］劉振亞.特高壓直流輸電理論［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［29］王華偉，曾南超，蔣衛平，等.±660 kV中蒙直流工程送端孤島運行方式最小功率啟動研究［J］.電網技術，2010，34（5）：83-87.

［30］嚴干貴，韓來文，孫效偉.呼-遼高壓直流輸電系統全電壓起動過電壓的研究［J］.東北電力技術，2007（1）：9-12.

［31］周劍，蘇寅生，王新寶.云廣直流在南方電網黑啟動及系統恢復過程的作用［J］.南方電網技術，2010，4（4）：48-51.

［32］Kunder P.電力系統穩定與控制［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［33］Krishayya P C S，Adapa R，Holm M，et al.IEEE guide for planning DC links terminating at AC locations having low short-circuit capacities［R］.CIGRE and IEEE，1997.

［34］徐政.交直流電力系統動態行為分析［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［35］Morin G.Service restoration following a major failure on the Hu dro-Quebec power systems［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1987，2（2）：454-463.

［36］Kafka R J，Penders D R，Bouchey S H，et al.System restoration plan development for a metropolitan electric system［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1981，PAS-100（8）：3703-3713.

［37］Mariani E，Mastroianni F，Romuano V.Field experience in reenergization of electrical networks from thermal and hydro units［J］. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1984，PAS-103（7）：1 707-1 713.

Research on Restoration Control with the DC Transmission System Integration

QU Hanbing，YIN Maolin
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinnan 250012，China）

With the widely application of DC transmission technology，power system restoration control with the DC system integration presents new characteristics.In this paper，a restoration control strategy is proposed for power system with DC transmission system integration.Firstly，the issues on power inrush with starting up DC system are illustrated，in which the DC startup conditions on AC system strength and the corresponding startup mode are analyzed.Secondly，issues after starting up the DC system are determined，which includes voltage and frequency variation.The proper DC control modes are also given during power system restoration.Finally，overall restoration control strategy with DC transmission system integration is proposed based on the existed restoration strategy of AC system.

power system restoration；DC transmission；control strategy；power inrush

TM614；TM71

A

1007－9904（2015）06－0001－05

2015-04-13

瞿寒冰（1985），男，工程師，博士，主要從事電網調度與控制的相關工作；

尹茂林（1965），男，工程師，主要從事電網調度與控制的相關工作。