改善多直流饋入系統穩定性的VDCOL參數優化

呂思卓，楊瀅，鄭超，孫維真，李晶，張靜

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192；2.國網浙江省電力公司，杭州市 310007)

改善多直流饋入系統穩定性的VDCOL參數優化

呂思卓1，楊瀅2，鄭超1，孫維真2，李晶1，張靜2

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192；2.國網浙江省電力公司，杭州市 310007)

我國華東、華南等電網已形成多直流饋入受端電網格局，由于直流間強關聯耦合作用，交流擾動將引發多直流同時換相失敗、電壓失穩等問題。該文首先分析了雙饋入直流系統逆變站動態無功變化軌跡，揭示了通過優化低壓限流環節(voltage dependent current order limiter，VDCOL)參數，實現降低總體無功功率需求的機理。根據換流母線抗擾動能力強弱對直流恢復特性的影響，提出了基于多饋入短路比(multi-infeed short circuit ratio，MSCR)的VDCOL參數優化方案，華東多直流饋入系統仿真結果表明，所提出的VDCOL參數優化方案降低了逆變站總體無功功率需求，提高了受端電網電壓穩定性。

多直流饋入系統；無功特性；多饋入短路比(MSCR)；電壓限流環節(VDCOL)；參數優化

0 引 言

我國一次能源與負荷中心之間呈逆向分布，為實現資源跨大區優化配置，需要利用高壓直流輸電(high voltage direct current transmission，HVDC) 系統對電力進行大容量遠距離輸送[1-2]。多回直流近電氣距離接入形成多直流受端系統，受端電網發生擾動沖擊后，由于換流器需要消耗大量無功功率，加之缺乏電源和動態無功功率支撐，多直流饋入受端電網存在直流連續換相失敗問題和電壓失穩威脅[3-5]，研究多直流饋入系統的協調控制對于提高受端電網的電壓穩定性具有重要意義。

為了預防逆變器換相失敗，直流控制系統配備低壓限流環節(voltage dependent current order limiter，VDCOL)，當交流系統電壓下降時，VDCOL強制減少直流電流指令以降低直流功率，從而減少逆變器對交流系統的無功功率需求[6]。VDCOL的合理設置對直流系統恢復影響很大，文獻[7]詳細分析了VDCOL參數和直流控制方式對逆變站無功功率特性的影響；文獻[8-10]分別提出了基于模糊控制、自適應協調控制和變斜率控制的VDCOL參數設計方法來抑制多饋入直流輸電系統后續換相失敗，加快系統恢復速度，但這些控制方法計算復雜，難以適應實際電網運行方式多變的需求；文獻[11]提出利用靜止無功補償器(static var compensator, SVC)和靜止同步補償器(static synchronous compensator, STATCOM)來避免多饋入直流逆變站同時發生換相失敗問題，但需要增加額外投資；文獻[12-13]分別通過增加延時環節和修改直流電流參考值，實現多饋入功率協調恢復，并在南方電網中進行仿真驗證；文獻[14]研究了多饋入短路比和多饋入交互作用因子對降低換相失敗風險的作用，但是針對的是三饋入直流小系統算例。

本文詳細分析逆變端交流電壓波動過程中，雙直流饋入系統逆變站動態無功功率消耗軌跡特征，揭示不同VDCOL參數設置對其影響機理。根據換流母線抗擾動能力強弱對直流恢復特性的影響，提出基于多饋入短路比(multi-infeed short circuit ratio，MSCR)的VDCOL參數優化方法。該方法的特點是在兼顧直流有功功率傳輸的同時減少逆變站總體無功功率消耗。最后針對華東多直流饋入受端電網故障進行仿真，驗證該優化方法在改善多直流饋入受端電網電壓穩定性方面的效果。

1 多饋入直流逆變站動態無功功率特性

1.1 仿真測試系統

為了研究多饋入直流逆變站動態無功功率特性，在電力系統機電暫態仿真軟件PSD-BPA暫態穩定程序中，建立如圖1所示的雙饋入直流輸電系統，兩回特高壓直流輸電系統的額定電壓udN均為±800 kV、額定電流idN為5 kA、額定送電功率PdN為8 000 MW。圖中，Qi1、Qi2為逆變器無功功率消耗；Qf1、Qf2為濾波器輸出的容性無功功率；Qc1、Qc2為逆變站從交流系統中吸收的無功功率；Es為交流系統理想電壓源等值電勢；Z1、Z2和Zs為交流系統等值阻抗，通過改變Z1、Z2和Zs可以得到不同強度的受端交流電網。

圖1 雙饋入直流逆變站動態無功測試系統Fig.1 Test system for dynamic reactive power characteristic analysis of dual-infeed HVDC inverter stations

特高壓直流控制系統仿真模型采用CIGRE標準直流測試系統模型[15]，整流側為定功率控制，逆變側為定熄弧角控制，逆變側VDCOL的U-I特性曲線如圖2所示，參數設置為：電壓低門檻值udl=0.4 pu，電壓高門檻值udh=0.8 pu，直流電流最小值idl=0.55 pu，直流電流最大值idh=1.0 pu。額定運行狀態下逆變站與交流系統無功功率交換為0，逆變器無功功率消耗完全由濾波器提供。設置Z1=Z2，兩回直流逆變站換流母線電壓相等，Zs線路上無有功功率流動，交流系統基準容量為100 MV·A。

圖2 VDCOL的U-I特性曲線Fig.2 U-I characteristic curve of VDCOL

模擬交流系統理想電壓源等值電勢發生半周期電壓跌落擾動，用以研究多直流饋入系統逆變站動態無功功率變化特性以及兩回直流之間的相互影響，電壓波動情況如式(1)所示：

Et(t)=Et0-ΔEtsin(ωst)

(1)

式中：Et0為電壓基準值，設為1.0 pu；ΔEt為電壓跌落幅值，設為0.65 pu；ωs為電壓跌落速率，設為 1.571 rad/s。

1.2 VDCOL參數的影響

由文獻[16]可知，VDCOL參數的取值對擾動后換流站無功功率消耗和直流傳輸功率具有顯著影響，當逆變站母線電壓跌落時，VDCOL通過限制直流電流大小實現直流系統恢復速率控制。VDCOL啟動點電流idh通常取為額定值，即1.0 pu，為了使直流電流在電壓下降很多時保持恒定，idl通常設置為 0.55 pu，因此，可以通過改變udh和udl來控制逆變器無功功率消耗。若將VDCOL控制曲線右移(即同時增大udh，udl)，則VDCOL功能在電壓下降過程中更早啟動，使無功功率消耗快速降低，有利于維持電壓穩定，但增大udh和udl也會減小直流功率傳輸；相反，若將VDCOL控制曲線左移(即同時減小udh，udl)，可以提高故障恢復期間有功功率傳輸。

由于Z1=Z2，且兩回直流VDCOL參數一致，逆變站母線電壓跌落時，兩回直流響應特性相同，將會同時從交流電網吸收大量無功功率，不利于交流電壓恢復和穩定。在相同受端交流電網強度條件下，為了減少逆變站總體無功功率消耗，同時保持直流有功功率傳輸不變，將雙饋入直流系統的VDCOL控制曲線進行左右等幅移動設置，通過改變直流系統的恢復速率，實現逆變站無功功率消耗在時間上錯位分布。

對原VDCOL環節的參數進行差異化設置，優化后兩回直流VDCOL環節的參數設置如下：udl1=0.25 pu，udh1=0.65 pu，udl2=0.55 pu，udh2=0.95 pu，即將HVDC1的VDCOL控制曲線左移，將HVDC2的VDCOL控制曲線右移。在逆變站電壓Uc跌落過程中，各直流系統電氣量的暫態響應軌跡如圖3所示。

圖3 單回直流逆變站主要電氣量變化軌跡Fig.3 Main electrical quantities variation of single-circuit inverter station

從圖3(a)所示VDCOL的U-I特性曲線可以看出，由于HVDC2的VDCOL曲線右移，當電壓降低至a′點處，其VDCOL功能比HVDC1的更早啟動，通過快速降低直流電流，使HVDC2逆變站消耗的無功功率大幅減少，而HVDC1逆變站的無功功率消耗增加；在電壓恢復階段，HVDC1與HVDC2逆變站的無功功率消耗呈錯位分布，當Qc1減小時，Qc2增大；當Qc1增大時，Qc2減小；從圖3(c)可以看出，在VDCOL功能啟動后，HVDC2傳輸的直流功率比HVDC1的明顯減少，兩回直流功率傳輸最多相差大約10 pu，即 1 000 MW。

優化VDCOL參數前后雙饋入直流輸電系統逆變站總無功功率消耗和總直流功率的對比曲線如圖4所示。從圖4(a)可以看出，在Uc變化過程中，逆變站會從交流系統吸收無功功率，對VDCOL參數進行差異化設置后，雙饋入直流輸電系統逆變站總無功功率消耗最大值減少了約11 pu，即1 100 MV·A；從圖4(b)可以看出，優化VDCOL參數前后直流總有功功率傳輸基本保持不變，不會發生由于送端直流功率無法送出產生的穩定問題。

2 多饋入直流VDCOL參數優化

2.1 電網強度評價方法

工程應用中，通常用短路比(short circuit ratio，SCR)指標來評價交流電網的強度，其計算公式為

(2)

式中：Sac為換流母線短路容量；Pd為直流傳輸功率；UN為換流母線電壓；Z為交流系統等值阻抗。

計及多回直流之間的耦合作用后，引入多饋入短路比(multi-infeed short circuit ratio，MSCR)[17]，其計算公式為

圖4 雙饋入直流逆變站總無功消耗和有功傳輸Fig.4 Total reactive power consumption and active power transmission of dual-infeed HVDC inverter station

(3)

式中：ΔUj/ΔUi定義為多饋入影響因子(multi-infeed interaction factor，MIIF)，反映了多回直流之間的相互影響，計算方法為換流母線i施加無功功率擾動引起換流母線j的電壓下降ΔUj與換流母線i的電壓下降ΔUi的比值。

多饋入短路比反映了換流母線與電源之間的等值電氣距離，多饋入短路比越大，則對應交流系統越強，反之則越弱[18]。通過改變圖1中Z1、Z2和Zs，使HVDC1逆變側多饋入短路比為6.0，HVDC2逆變側多饋入短路比為3.0。在圖1受端交流系統施加電壓擾動，雙饋入直流系統逆變站無功功率消耗和直流功率的響應軌跡如圖5所示。

圖5 交流電網強度對直流恢復特性的影響Fig.5 Influence of AC strengthen on DC recovery characteristics

由圖5可知，交流電網強度會影響多饋入直流系統的恢復性能，由于HVDC1的多饋入短路比較大，則受端交流系統擾動引起換流母線1的電壓跌落幅值較小，而換流站的無功功率變化軌跡僅與換流母線電壓這一唯一變化量有關，因此該逆變站從交流系統吸收的無功功率最大值相應下降，直流有功功率傳輸增加。說明電網越堅強，系統動態無功功率支撐能力越強，越有利于維持逆變站母線電壓穩定；反之，系統多饋入短路比越小，換流母線抗擾動能力越差，為了維持換流母線電壓，逆變站需要消耗更多的無功功率，而直流有功功率傳輸會更少。

2.2 多饋入直流VDCOL優化方案

多直流饋入輸電系統在擾動后恢復過程中，多回直流在功率同時恢復過程中需要消耗大量無功功率，當系統整體無功容量不足時可能導致電壓失穩。為此本文提出基于多饋入短路比的VDCOL參數優化方法，在盡量保持有功功率不變的前提下，通過多回直流的VDCOL參數差異化設置，控制直流系統功率恢復時間，實現降低系統總無功功率需求。

具體優化方法為：對于多饋入短路比較小的電網，由于其電壓支撐能力較弱，適當提高udl和udh使直流系統盡早啟動VDCOL功能以維持電壓穩定；對于多饋入短路比較大的電網，適當降低udl和udh，以增大故障期間直流有功功率傳輸。通過調整VDCOL參數可以滿足在受端電網無功補償容量一定的條件下，使直流逆變站的無功功率消耗錯位分布，減少系統總的無功功率消耗，提高交直流系統的電壓穩定性。

3 實際電網仿真驗證

3.1 多直流饋入受端電網概況

我國華東電網是典型的多直流饋入輸電系統，根據電網規劃，2016年華東電網共有葛南、龍政、宜華、林楓4回高壓直流輸電系統和溪浙、靈紹、復奉、錦蘇4回特高壓直流輸電系統同時運行，華東電網總直流受入功率達到39.7 GW，華東多直流饋入局部電網結構如圖6所示。

圖6 華東多直流饋入局部電網Fig.6 Part of multi-infeed HVDC systems in East China power grids

隨著華東電網燃煤機組減少和受電比例逐年增大，受端電網發生短路故障時，會引起多回直流同時發生換相失敗，逆變站從系統吸收大量無功功率，嚴重時可能引起電壓失穩，威脅電網安全穩定運行。因此有必要研究多回直流輸電系統之間的協調控制策略，以提高華東電網的穩定性。

3.2 多饋入直流VDCOL參數優化效果

2016年典型方式下，華東電網多饋入直流輸電系統各逆變站的多饋入短路比如表1所示。

表1 華東直流多饋入短路比
Table 1 MSCR of multi-infeed HVDC systems in East China

根據多饋入短路比的大小對多饋入直流VDCOL參數進行差異化設置，將多饋入短路比較大的直流系統的VDCOL曲線左移，將多饋入短路比較小的直流系統的VDCOL曲線右移，優化前后各直流逆變站的VDCOL參數如表2所示。

表2 優化前后各直流VDCOL參數
Table 2 VDCOL parameters before and after optimization pu

為了驗證優化VDCOL參數對系統電壓穩定性的影響，在直流落點近區設置故障。1 s時泗涇—練塘線路發生三相短路且開關拒動故障，0.35 s后切除同串另一回線路，優化VDCOL參數前后林楓和葛南直流系統各電氣量的仿真結果如圖7、8所示。

圖7 優化前后林楓直流系統仿真結果Fig.7 Simulation results of Linfeng HVDC before and after optimization

由圖7、8可知，優化前逆變站發生連續換相失敗且無法恢復，直流有功功率傳輸中斷，交直流系統無法正常運行。這是因為電氣距離較近的兩回直流在功率恢復階段同時從系統吸收大量無功功率，使南橋和楓涇逆變站母線電壓難以快速恢復。優化后，直流系統可以恢復穩定運行。由圖7(b)可以看出，故障恢復期間林楓逆變站的無功功率消耗減少了 100 MV·A，換流母線電壓恢復特性明顯改善，故障切除后未發生后續換相失敗。可以看出，通過差異化設置VDCOL參數可以降低逆變站無功功率需求，提升受端電網的電壓穩定性。

圖8 優化前后葛南直流系統仿真結果Fig.8 Simulation results of Genan HVDC before and after optimization

4 結 論

(1)交流電壓跌落過程中，逆變站需要從系統吸收無功功率，對VDCOL參數進行差異化設置，可以在降低對有功功率傳輸影響的前提下，實現直流逆變站的無功功率消耗呈錯位分布，減少多直流系統逆變站總的無功功率消耗。

(2)交流電網強度影響直流系統恢復特性，多饋入短路比越大，換流母線的抗擾動能力越強，受端電網擾動期間逆變站無功功率消耗越少，直流有功功率傳輸越多，基于多饋入短路比的差異化VDCOL參數優化方案可以減少逆變站無功功率需求，改善受端電網的電壓恢復特性。

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(編輯 張小飛)

VDCOL Parameters Optimization to Improve Multi-Infeed HVDC System Stability

LYU Sizhuo1, YANG Ying2, ZHENG Chao1, SUN Weizhen2, LI Jing1, ZHANG Jing2

(1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2.State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China)

In East China and South China power grid, it has formed the pattern that many HVDC transmission systems feed into the receiving-end grid.Because of the strong coupling of multi-infeed HVDC systems, AC voltage disturbance will lead to the commutation failure of multiple HVDC at the same time, even voltage instability.At first, this paper analyzes the inverter station dynamic reactive power change track of dual-infeed HVDC test systems, and reveals the mechanism that the optimization of voltage dependent current order limiter (VDCOL) parameters can reduce the total reactive power demand.According to the influence of resisting disturbance capacity of converter bus on DC power recovery characteristics, this paper proposes the optimization scheme of VDCOL parameter based on multi-infeed short circuit ratio (MSCR).The simulation results of East China multi-infeed HVDC systems show that proposed optimization scheme of VDCOL parameter can reduce the reactive power demand of inverter station and improve the voltage stability of receiving end of power grid.

multi-infeed HVDC system; reactive power characteristic; multi-infeed short circuit ratio (MSCR); voltage dependent current order limiter(VDCOL); parameters optimization

TM 721

A

1000-7229(2016)09-0079-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.011

2016-06-06

呂思卓(1989)，男，工學碩士，工程師，研究方向為電力系統穩定與控制；

楊瀅(1980)，女，工學碩士，高級工程師，主要從事電網調度與運行等方面的研究工作；

鄭超(1977)，男，工學博士，高級工程師，研究方向為電力系統穩定與控制、高壓直流輸電、FACTS、新能源并網技術；

孫維真(1963)，男，工學碩士，高級工程師，主要從事大電網運行與控制等方面的研究工作；

李晶(1978)，女，工學碩士，高級工程師，研究方向為電力系統穩定與控制；

張靜(1980)，男，工學博士，高級工程師，主要從事電網穩定運行和柔性直流輸電方面的研究工作。