基于UPFC抑制HVDC換相失敗的控制方法研究

劉建坤， 王 蒙， 張寧宇， 楊志超

(1. 國網海上風電并網聯合實驗室(國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院), 江蘇 南京 211103；2. 南京工程學院電力工程學院, 江蘇 南京 211167)

0 引言

由于我國資源分布不均衡，高壓直流輸電(high-voltage direct current，HVDC)得到廣泛運用并快速發展。與傳統輸電方式相比，HVDC系統具有輸送相同功率線路造價低、輸送容量大、運行可靠、線路有功損耗小等優點，在大區域聯網與遠距離大容量輸電等方面擁有顯著優勢[1-2]。換相失敗是采用半控型器件晶閘管作換流閥元件的直流系統逆變側常見故障，交流系統擾動與直流系統自身故障均會導致換相失敗發生[3]。經統計，導致換相失敗的大部分原因為交流電網擾動(交流系統故障)。當發生換相失敗時，直流系統電壓、電流與功率都會發生劇烈波動，對交流系統產生沖擊[4-5]。若不采取必要措施抑制換相失敗，緊急情況下將發生直流閉鎖，嚴重威脅電網的安全運行。隨著我國投運的高壓直流工程逐漸增多，抑制高壓直流系統換相失敗成為值得關注的首要問題[6-7]。

目前，國內外學者已對換相失敗影響因素及抑制措施做出大量研究。文獻[8]分析了7種對換相失敗產生影響的因素，但并未針對換相失敗的主要因素進行深入探究。文獻[9—11]從協調控制、低壓限流環節控制、熄弧角漸變控制3個層面對抑制換相失敗的措施進行了闡述，但僅利用HVDC本身特性抑制換相失敗，且抑制效果有限。文獻[12]對HVDC系統和靜止無功補償器(switching virtual circuit，SVC)協調配合進行研究，并證明SVC在抑制后續換相失敗中產生作用。但由于SVC作為由晶閘管控制的第一代FACTS器件，其動態響應時間較長，無功功率受系統電壓影響，僅能抑制后續換相失敗未能有效降低換相失敗發生概率。

統一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)作為第三代FACTS裝置，可看做STATCOM與SSSC二者的結合，與其他FACTS裝置相比不但可以快速獨立地控制輸電線路中的潮流分布，抑制系統阻尼振蕩，還能動態補償系統的無功功率，提高系統的運行特性[13-16]。目前為解決蘇錦直流動態無功支持不足導致換相失敗、直流雙極閉鎖等問題，已在蘇州南部安裝500 kV UPFC。UPFC在電力系統中的主要作用有：(1) 電壓調節；(2) 無功補償；(3) 可控串補；(4) 動態移相[17]。由于UPFC在一定程度上可以抑制母線電壓振蕩，提高電力系統母線電壓穩定，將UPFC接入高壓直流系統可為系統提供動態無功支持，穩定高壓直流系統交流側電壓，在一定程度上抑制換相失敗的發生。

本文將UPFC接入HVDC系統逆變側交流母線，建立一個含UPFC的HVDC系統模型。推導出UPFC串聯側與并聯側功率傳輸數學模型，在此基礎上提出一種對UPFC并聯側原有控制策略的改善方法。利用不同故障水平，通過PSCAD/EMTDC的仿真驗證，證明了UPFC并聯側采用新的控制策略后在故障容量較小時可減小HVDC系統的換相失敗概率，在故障嚴重的情況可有效抑制換相失敗的持續發生，改善HVDC系統的運行特性。

1 HVDC系統模型

在PSCAD/EMTDC中建立如圖1所示典型HVDC模型。該模型中HVDC是在國際大電網標準直流測試系統CIGRE基礎上建立的單極直流模型，可將此系統視為復雜電力系統的簡化模型。整流側控制方式采用最小觸發角和定直流電流控制，逆變側采用最小關斷角和直流電流控制。此外，HVDC系統配備低壓限流控制(VDCOL)，逆變側還配備有電流偏差控制(CEC)[18-19]。

圖1 直流系統模型Fig.1 Model of HVDC system

HVDC模型系統參數可由CIGRE標準模型得知。其中，HVDC系統的額定直流電壓為500 kV，額定容量為1000 MW，工頻為50 Hz，平波電抗器的電感為1.2 H，直流線路的電阻為5 Ω，HVDC換流站具體參數如表1所示[20]。

表1 HVDC換流站主要參數Tab.1 Primary parameters of HVDC converter

2 含UPFC的HVDC系統及控制策略

HVDC系統運行時消耗大量無功功率，受端交流系統發生故障時無功功率需求增大。接入UPFC可以為系統提供無功支持，提高系統電壓穩定性，減小HVDC系統發生換相失敗機率。

2.1 含UPFC的HVDC系統模型

本文含UPFC的HVDC系統模型如圖2所示，UPFC主要由并聯變流器(VSC1)、串聯變流器(VSC2)、直流側電容等組成。將UPFC并聯側變流器并聯接入HVDC逆變側交流母線，提高HVDC逆變側電壓穩定性，減小發生換相失敗機率。串聯側變流器串聯接入交流系統，控制交流系統潮流分布。

圖2 含UPFC的直流系統模型Fig.2 HVDC system model with UPFC

圖2中，Ud，Id分別為HVDC系統直流電壓、電流；Pd，Qd分別為HVDC的有功功率和無功功率；U1為HVDC受端交流側母線電壓；Psh，Qsh分別為并聯變流器向系統注入的有功功率和無功功率；ish為并聯側電流；Xsh為并聯側耦合變壓器阻抗；Ush∠θsh為VSC1交流側電壓；Udc為UPFC直流側電壓；Use∠θse為VSC2交流側電壓；U2為串聯側出口電壓；P，Q分別為線路有功功率和無功功率；Z為逆變側線路等值阻抗；UR∠θR為受端系統等效電壓。

文中UPFC并聯側采用定交流側電壓與定直流側電壓控制方式，其中交流側電壓為HVDC逆變側交流母線電壓。利用UPFC并聯側對無功功率進行快速獨立控制的特點，提高HVDC的運行特性，減少換相失敗的概率。UPFC串聯側采用有功、無功獨立控制方式，可靈活對線路潮流進行控制。

2.2 并聯側UPFC控制策略

UPFC并聯側能夠改變接入點電壓的幅值與相角，并對系統進行無功補償。相位參考值取U1，由圖2可得：

(1)

(2)

式中：ishd，ishq分別為dq坐標變換后UPFC并聯側電流的d、q軸電流分量。由式(1)，(2)可知，UPFC并聯側通過向HVDC系統注入無功功率來調節U1的大小，控制改變ushq的大小則可實現改變ishq的大小，從而達到控制并聯側接入點電壓的目的。UPFC并聯側有功功率與直流側電容電壓Udc有關，改變ushd的大小即可實現ishd大小的改變，達到控制直流側電壓的目的。

UPFC并聯側控制策略為外部電壓環控制、內部電流環控制。其外部電壓環控制方式采用定交流側電壓與定直流側電壓控制方式，UPFC所控制的交流側電壓為HVDC逆變側交流母線電壓，直流側電壓為UPFC直流側電容電壓[20]。對UPFC并聯側外環電壓控制中的定交流側母線電壓控制做出改善，提出一種交流側母線電壓參考值調節方法，抑制換相失敗。

如圖3所示，U1，U1ref分別為UPFC并聯側交流母線電壓與參考值；Udc，Udcref分別為UPFC直流側電壓與參考值；ish為UPFC并聯側電流；ushd，ushq，ishd，ishq分別為dq坐標變換后UPFC并聯側電壓、電流的d、q軸電壓、電流分量。原有控制策略中交流母線電壓參考值已知且給定，現提出交流側母線電壓參考值調節方法，測量HVDC系統受端母線電壓U1大小，根據母線電壓實際測量值U1的變化而調節并聯側交流母線電壓參考值U1ref。系統穩定運行時U1為系統額定電壓，UPFC的參考值U1ref也為額定值；交流系統發生故障，電壓U1下降時提高并聯側交流母線電壓參考值，使其在系統故障期間參考電壓U1ref略高于實際電壓值U1。增大實際值與參考值的差額，幫助HVDC系統在短時間內獲得更多無功支持，使系統快速恢復穩定。當HVDC系統處于嚴重故障情況下實際電壓值U1處于低電壓狀態，強補無功將導致UPFC系統過流或直流電壓失控，此時控制系統將發出閉鎖指令，對UPFC并聯側無功補償進行閉鎖。

圖3 含有交流電壓參考調節環節的UPFCFig.3 Structure of control system for UPFC witha regulation function for AC voltage reference value

考慮到電壓波動范圍與系統裕量，通過PSCAD/EMTDC仿真分析,設計得到交流側母線電壓參考值如式(3)所示。

(3)

當故障發生，母線電壓U1下降到0.95以下時，U1ref將升高至1.10；故障更加嚴重，U1下降到0.40以下時，并聯側無功補償將閉鎖；故障恢復，U1上升至0.95以上時，U1ref將恢復為額定狀態(全部為標幺值)。

2.3 串聯側控制策略

UPFC串聯側通過改變Use的電壓幅值與相角來改變線路的有功功率與無功功率，相位參考值取U1，設δ=θ2-θR，由圖2可得[21]：

(4)

(5)

由式(4)，(5)可知，U2的電壓幅值主要影響線路的無功功率傳輸，而U2與UR的相角差δ主要影響線路的有功功率傳輸。因此，通過控制線路中U2的電壓幅與相角差δ則可實現對線路中的有功功率和無功功率U1的控制，如圖4所示實現UPFC串聯側控制。

圖4 UPFC串聯側控制系統結構Fig.4 Structure of UPFC series side control system

將輸出電壓Use正交分解為Usep與Useq，且Usep主要對無功進行控制，Useq主要對有功功率進行控制。以線路有功功率與無功功率偏差量作為反饋，利用PI調節對線路有功功率與無功功率進行控制。

3 仿真驗證及分析

3.1 仿真算例說明

在PSCAD/EMTDC中建立如圖2所示含UPFC的HVDC系統模型，系統具體參數如上表1所示。HVDC有功功率、逆變側交流母線電壓、直流電流與直流電壓的基準值分別為1000 MW，230 kV，2 kA，500 kV。正常狀態下，關斷角γ=15°，引入故障水平FL如式(6)所示：

(6)

式中：Uac為逆變側交流母線電壓額定值；Zf為故障阻抗；Pdc直流系統有功功率。故障水平FL與HVDC故障的嚴重性成正比，故障越嚴重，FL值越大。理論上故障阻抗為零時，故障水平FL達到無窮大。

對于含有UPFC的HVDC系統，需驗證本文提出的利用UPFC抑制換相失敗的有效性。在PSCAD/EMTDC仿真中，設計HVDC逆變側交流母線發生單相經電感接地故障(逆變側故障中感性接地故障為最常見的故障類型，也是最容易導致換相失敗的故障形態)，選擇不同故障水平下含UPFC的HVDC系統。驗證UPFC對換相失敗的抑制作用，繼而驗證改善控制策略對換相失敗的抑制作用。對下列3種情況進行仿真分析：

方案一：系統不含UPFC的HVDC系統；

方案二：系統含有UPFC的HVDC系統，UPFC運用原來控制方式；

方案三：系統含有UPFC的HVDC系統，UPFC運用改進后控制方式。

3.2 仿真結果分析

選取不同故障水平，配合上述不同控制方式組合成的方案，分別進行仿真分析。

(1) HVDC逆變側交流母線在2 s時發生單相(a相)經電感接地故障，故障水平FL=18.7%，Zf=282.8 Ω，障持續時間為0.1 s，UPFC并聯側額定無功容量為100 Mvar。在故障水平FL=18.7%的水平下，方案一與方案二有功功率比較如圖5所示。方案一未安裝UPFC，發生故障時HVDC系統發生換相失敗，有功功率大幅跌落。方案二中UPFC成功抑制HVDC系統換相失敗的發生，說明在故障容量較小時，UPFC原有控制策略可以抑制HVDC換相失敗的發生。

圖5 故障水平18.7%時方案一與方案二有功功率Fig.5 Case 1 and case 2 active power and active power drawings under fault level 18.7%

(2) HVDC逆變側交流母線在2 s時發生單相(a相)經電感接地故障，故障水平FL=23.1%，Zf=229 Ω，故障持續時間為0.1 s，UPFC并聯側額定無功容量為100 Mvar。為描述HVDC暫態特性，文中定義故障恢復時間為故障清除后HVDC系統有功功率恢復到故障發生前有功功率輸出值90%所消耗的時間。

在故障水平FL=23.1%的水平下，方案一與方案二的有功功率比較如圖6所示。方案二中UPFC雖然未能抑制HVDC系統換相失敗的發生，但可以改變系統故障恢復特性，縮短故障恢復時間。

圖6 故障水平23.1%時方案一與方案二有功功率Fig.6 Case 1 and case 2 active power and active powerdrawings under fault level 23.1%

相同的故障水平下將方案一與方案三的仿真進行比較，如圖7所示。圖7(a)為在故障水平23.1%時HVDC系統不加任何改善措施(不加入UPFC裝置)的運行特性。故障后系統逆變側母線電壓波動嚴重，線路有功功率與直流電壓下降劇烈，直流電流驟然上升，關斷角γ跌落為0，系統換相失敗發生。

圖7 故障水平23.1%時HVDC系統運行特性Fig.7 System operation performance under fault level 23.1%

在故障水平23.1%時，將改善控制策略的UPFC運用于HVDC系統。圖7(b)與圖7(a)相比，由于在故障發生后加入電壓參考值調節措施，UPFC可以提供更多無功支持，穩定逆變側母線電壓，抑制線路有功功率大幅跌落，對系統換相失敗產生預防作用。說明采用新的UPFC控制策略可以抑制HVDC系統換相失敗的發生。

(3) HVDC逆變側交流母線在2 s時發生單相(a相)經電感接地故障，故障水平FL=93.56%，Zf=56.5 Ω，故障持續時間為0.1 s，UPFC并聯側額定無功容量為100 Mvar。在此故障水平下將方案一與方案三的仿真進行比較如圖8所示。由圖8(a)可知，在故障程度進一步加重，故障水平達到93.56%，方案一中HVDC系統發生兩次換相失敗，HVDC有功功率與逆變側母線電壓持續跌落，對系統造成嚴重沖擊。圖8(b)所示在HVDC系統引入改善控制策略的UPFC裝置，方案三中改善控制策略的UPFC裝置對HVDC系統的換相失敗起到了一定的抑制作用。安裝UPFC裝置后，HVDC系統故障產生的換相失敗從原有的兩次減少為一次，抑制了持續換相失敗的發生，大大改善了系統的運行特性。

圖8 故障水平93.56%時HVDC系統運行特性Fig.8 System operation performance under fault level 93.56%

(4) HVDC逆變側交流母線在2 s時發生單相(a相)經電感接地故障，故障水平FL=421%，Zf=12.57 Ω，故障持續時間為0.1 s，此時交流故障電壓降落至70%左右，UPFC并聯側額定無功容量為100 Mvar。方案一與方案三的仿真比較如圖9與所示。

圖9 故障水平421%時方案一與方案三有功功率Fig.9 Case 1 and case 3 active power and active powerdrawings under fault level 421%

當故障程度極為嚴重時，方案一未安裝UPFC裝置有功功率瞬時大幅跌落至0附近，故障結束后緩慢恢復。方案三中前期由于故障較為嚴重有功功率變化與方案一一樣，但在故障結束后有功功率恢復正常狀態所用時間明顯短于方案二。說明在故障程度極為嚴重情況下UPFC裝置加入可以幫助系統更快地恢復正常運行。

4 結語

本文研究了含UPFC的HVDC系統，在PSCAD/EMTDC中建立了仿真模型，研究了其控制策略并在原有控制方法下提出了一種新的UPFC并聯側控制策略。在故障發生時提高UPFC并聯側交流母線電壓參考值，為HVDC系統提供更多無功支持，故障結束后電壓參考值恢復為額定值。該控制策略在故障水平較低時能夠抑制HVDC系統換相失敗的發生，在故障水平較高時可有效降低連續換相失敗的概率，增強UPFC對HVDC的電壓支撐能力，提高HVDC系統的穩定性。