白鶴灘直流逆變站技術路線對浙江省多直流換相失敗的影響分析

樓伯良，華 文，王國騰，張 靜，徐 政

（1．國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2．浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027；3.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

浙江電網是一個受端電網，已經形成了“兩交兩直”的特高壓網架結構，目前通過賓金、靈紹兩回常規直流向浙江送電。隨著浙江省經濟的快速發展，浙江電網負荷也在不斷增長。為平衡浙江電網的負荷增長，落點浙江的±800 kV 特高壓白鶴灘直流工程正處于規劃階段， 輸電容量達到800 萬kW。白鶴灘直流建成后，區外來電比重的增加將會給浙江電網的安全穩定運行帶來新的挑戰[1-2]。

隨著饋入直流數量的增加，浙江電網已成為一個多常規直流饋入受端電網，在這樣的受端電網中，多直流同時換相失敗問題嚴重威脅到電網的安全穩定運行[3-4]。多回直流同時換相失敗，電網會形成短時大規模功率缺額，對電網的功角穩定性和電壓穩定性造成極大的威脅[5-6]。關于多回直流同時換相失敗的機理與危害，前人已經做了很多研究[7-9]，并提出了很多防御措施。文獻[10]從三道防線的角度，指出了多直流饋入的南方電網現存的穩定問題和采取的改進措施。文獻[11]提出利用調相機可有效提高直流系統換相失敗抵御能力。文獻[12]分析了調相機對直流換相失敗特性的影響，并提出了一種改善直流換相失敗特性的緊急控制方法。文獻[13-14]針對多常規直流饋入受端系統進行了安全穩定計算，并提出相應的改善措施。根據文獻[15-16]的分析，常規直流的分層接入可以有效提高受端電網的安全穩定性。

雖然前人已經為提高多饋入受端電網的穩定性提出了很多控制策略，但目前只有兩種技術可以徹底消解多直流饋入問題，一種是電網分區技術，另一種是柔性直流輸電技術[17]。文獻[18]詳細介紹了多種分區技術的優缺點。考慮到浙江電網的實際情況，白鶴灘直流正處于規劃階段，因此在不增加過多投入的情況下， 白鶴灘直流采用MMC（模塊化多電平換流器）組成的逆變站將是改善浙江電網多直流饋入問題最為簡便的方法。利用柔性直流輸電技術改善多直流饋入問題的原理在于MMC 不存在換相失敗問題，可以有效提高電網的安全穩定運行水平[19]，另外MMC 也可以對其他常規直流逆變站提供一定的電壓支撐[20-21]，從而改善常規直流的換相失敗恢復特性。

為分析白鶴灘直流逆變站技術路線對賓金、靈紹直流換相失敗的影響，本文首先給出了評估常規直流換相失敗嚴重程度的4 種指標；然后通過仿真計算得到賓金、靈紹兩回常規直流的指標數值；最后通過比較白鶴灘直流逆變站不同技術路線下的指標，總結出白鶴灘直流逆變站技術路線對賓金、靈紹直流換相失敗的影響。

1 常規直流換相失敗嚴重程度評估指標

評估一個常規直流的換相失敗嚴重程度應包括引起換相失敗的故障比例和恢復特性兩方面，故障比例可以反映出交流系統網架對直流系統的適應性，恢復特性可以反映出交流系統對直流系統的電壓支撐程度。從這兩個方面，本文提出以下4 種評估指標。

（1）三相接地短路故障瞬間換相失敗比例

在各種機電暫態仿真軟件中，通常將越前關斷角小于某一數值作為換相失敗發生的判斷條件。在三相接地短路故障發生的瞬間，系統電壓瞬時跌落，LCC（基于相控換流器）逆變站交流母線電壓跌落造成逆變站越前關斷角減小，越前關斷角小于某一閥值時，就判斷換相失敗發生。因故障瞬間各種動態元件還來不及反應，所以此時造成的直流換相失敗無法由其他動態元件來改善，只與電網的網架結構有關。如果一條母線的三相接地短路故障發生瞬間會導致某一常規直流系統發生換相失敗，那么該母線被認為是這一直流系統的瞬時相關母線。一個直流系統所有的瞬時相關母線與電網母線總數之比，被認為是該直流系統的三相接地短路故障發生瞬間換相失敗比例，并作為一種換相失敗嚴重程度評估指標。該指標可以有效反映交流系統網架對直流系統的適應性，如式（1）所示：

式中：Kins為某一直流系統的三相接地短路故障發生瞬間換相失敗比例；nins為三相接地短路故障瞬間引起直流換相失敗的母線條數；Nsum為系統母線總條數。

（2）三相接地短路故障期間換相失敗比例

通常短路故障需要0.1 s 左右的清除時間，在這0.1 s 期間，短路故障會一直持續存在，從而導致系統電壓在短路故障期間進一步跌落。所以有些短路故障發生瞬間不會造成直流換相失敗，但是故障持續一段時間后，就會發生直流換相失敗。這一類短路故障引起的換相失敗是可以通過其他動態元件來改善甚至是避免的。如果一條母線的三相接地短路故障持續期間導致某一常規直流系統發生換相失敗，那么該母線被認為是這一直流系統的持續相關母線。一個直流系統所有的持續相關母線與電網母線總數之比，被認為是該直流系統的三相接地短路故障期間換相失敗比例，并作為一種換相失敗嚴重程度評估指標。該指標可以有效反映交流系統的動態特性對直流系統的適應性，如式（2）所示：

式中：Kt為三相接地短路故障期間換相失敗比例；nt為三相接地短路故障持續期間引起直流換相失敗的母線條數。

（3）三相接地短路故障清除時換相失敗不能立即恢復的比例

當短路故障清除后，系統電壓會得到瞬時提升。在機電暫態仿真中，換相失敗能否恢復取決于受端交流母線電壓的幅值，當母線電壓恢復到某一數值后，直流系統開始從換相失敗中恢復。如果一條母線的三相接地短路故障發生且清除后，某一換相失敗的常規直流系統不能立即從換相失敗中恢復，那么該母線被認為是這一直流系統的恢復相關母線。

一個直流系統所有的恢復相關母線與電網母線總數之比，被認為是該直流系統的三相接地短路故障清除時換相失敗不能立即恢復的比例，并作為一種換相失敗嚴重程度評估指標。該指標可以有效反映故障清除后交流系統對直流系統的電壓支撐能力，如式（3）所示：

式中：Kaft為三相接地短路故障清除時換相失敗不能立即恢復的比例；naft為三相接地短路故障清除后導致直流換相失敗不能立馬恢復的母線條數。

（4）三相接地短路故障清除后換相失敗最長持續時間

前面已經提到，在機電暫態仿真中，直流系統換相失敗能否開始恢復取決于交流母線電壓水平，因此如果短路故障清除后交流母線電壓處于較低水平，那么直流系統換相失敗無法得到恢復，直到交流母線電壓恢復為止。因此，這里將所有三相接地短路故障中，故障清除后直流換相失敗最長的持續時間Tfail作為一種換相失敗嚴重程度評估指標，該指標可以有效反應故障清除后交直流混聯系統的恢復特性。

2 安全穩定計算邊界條件

本文以浙江電網2021 年數據為計算邊界條件，仿真軟件為PSS/E。本算例中共統計了計算母線86 條，其中浙江電網500 kV 計算母線68條，浙江電網聯絡線對側500 kV 母線5 條，華東境內特高壓交流母線13 條。故障選取為母線三相接地短路故障，故障清除時間按0.1 s 執行。直流換相失敗的觸發條件為逆變站越前關斷角小于7°，恢復條件為逆變站越前關斷角大于7°，延時0.1 s 恢復。

算例中，有3 個直流系統向浙江電網送電，包括賓金直流、靈紹直流以及白鶴灘直流，賓金直流接入浙西南電網，靈紹直流接入浙中電網，白鶴灘直流接入浙北電網。其中賓金直流和靈紹直流為常規直流，整流站和逆變站采用LCC。白鶴灘直流整流側均考慮采用LCC 技術路線，逆變站考慮采用LCC 與MMC 2 種技術路線，MMC技術路線交流控制方式分別考慮采用定交流電壓和定無功功率2 種控制方式。另外，白鶴灘直流采用兩點接入方式，高端閥組與低端閥組分別接入浙江電網的兩個方向，白鶴灘直流系統的拓撲結構如圖1 所示。

圖1 白鶴灘直流系統拓撲結構

因為白鶴灘直流逆變站考慮LCC 和MMC 2種技術路線，所以在后面的計算中，搭建常規直流和LCC-MMC 混合直流2 種直流模型。對PSS/E 中常規直流的介紹可以參考文獻[22]。而LCCMMC 混合直流模型的搭建則是在PSS/E 自定義功能中完成，模型詳細公式和搭建過程可參考文獻[23]。值得注意的是，不論是常規直流模型還是混合直流模型，仿真軟件PSS/E 中用到的都是機電暫態仿真模型。通常，機電暫態仿真模型中存在很多假設與簡化，但是直流系統的機電暫態仿真模型在交流側短路故障下的響應特性與電磁暫態仿真模型基本一致，可以滿足大系統安全穩定分析的要求[24-28]，并且電磁暫態仿真在大規模交直流系統中難以實現。而本文重點關注交流系統發生短路故障后直流系統換相失敗的情況，需要在大規模交流系統中進行仿真計算，所以本文采用文獻[22-23]中給出的直流系統機電暫態仿真模型。

3 浙江電網安全穩定計算

開展白鶴灘直流逆變站不同技術路線下的安全穩定計算，進而分析賓金、靈紹直流的換相失敗特性。

3.1 白鶴灘直流逆變站LCC 技術路線下的安全穩定計算

首先白鶴灘直流逆變站采用LCC 技術路線，也就是整流站和逆變站均為LCC，在這種技術路線下得到各直流的4 種指標如表1 所示。為進一步說明哪些母線附近發生短路故障引起直流換相失敗現象較為嚴重，下面給出三相短路故障引起換相失敗直流數量最多的母線，如表2 所示。

表1 白鶴灘直流逆變站LCC 技術路線下指標計算結果

表2 白鶴灘直流逆變站LCC 技術路線下引起換相失敗直流數量最多的母線短路故障

從表1 中可以看出短路期間換相失敗的直流數量有所增加。原因是短路期間系統中感應電動機負荷吸收無功功率增加，進一步拉低了各個節點電壓，電壓的降低使得直流越前關斷角進一步減小，從而導致換相失敗直流數量的增加。

各直流系統中靈紹直流換相失敗比例最大，其次是賓金直流，白鶴灘直流換相失敗比例最小。由表2 可以看出，含山、瓶窯、王店以及蘭江變電站附近的短路故障引起的換相失敗直流數量最多，也就說明該區域短路故障對浙江電網的安全穩定性威脅最大。

3.2 白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線下的安全穩定計算（定無功功率）

白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線是指直流系統整流站采用LCC，逆變站采用MMC。這里整流站定直流電流，逆變站MMC 的d 軸外環控制定直流電壓，q 軸外環控制定無功功率。在這種技術路線下白鶴灘直流不存在換相失敗問題，得到賓金、靈紹兩回直流的4 種指標如表3 所示。

表3 白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線下（定無功功率）指標計算結果

為進一步說明哪些母線附近發生短路故障引起直流換相失敗現象較為嚴重，表4 中給出了三相短路故障引起換相失敗直流數量最多的母線。

表4 白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線下（定無功功率）引起換相失敗直流數量最多的母線短路故障

從表3 中可以看出靈紹直流換相失敗比例最大，這一點和LCC 技術路線相同。相較于LCC 技術路線，MMC 技術路線（定無功功率）下指標Kt和Kaft略有增加，Kins保持不變，含山、瓶窯、王店、汾湖、蘭江以及泰州等變電站發生短路故障對浙江電網的安全穩定運行威脅最大。

3.3 白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線下的安全穩定計算（定交流母線電壓）

白鶴灘直流系統整流站采用LCC，逆變站采用MMC， 其中整流站定直流電流控制，逆變站MMC 的d 軸外環控制定直流電壓，q 軸外環控制定交流母線電壓。得到賓金、靈紹兩回直流的4種指標如表5 所示。

為進一步說明哪些母線附近發生短路故障引起直流換相失敗現象較為嚴重，下面給出三相短路故障引起換相失敗直流數量最多的母線，如表6 所示。

表5 白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線下（定交流母線電壓）指標計算結果

表6 白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線下（定交流母線電壓）引起換相失敗直流數量最多的母線短路故障

從表5 中可以看出，在三相接地短路故障剛發生瞬間，靈紹直流發生換相失敗的比例要大于賓金直流，但是在故障持續期間，賓金直流發生換相失敗比例大于靈紹直流，這是因為在短路故障期間，白鶴灘直流MMC 逆變站發出無功，對浙江電網電壓起到支撐作用，并且白鶴灘直流和靈紹直流之間的電氣距離要近一些，因此白鶴灘直流MMC 逆變站對靈紹直流換相失敗的改善作用要大于賓金直流。另外，表4 和表6 相比并沒有區別，可以得出：不論白鶴灘柔性直流的控制方式是什么，對浙江電網安全穩定性威脅最大的短路故障發生地點均沒有變化。

4 白鶴灘直流不同技術路線對比分析

上文已經在白鶴灘直流逆變站LCC 接入、定無功功率MMC 接入以及定交流母線電壓MMC接入3 種運行方式下進行了安全穩定計算。為更直觀地展現白鶴灘直流逆變站3 種技術路線對浙江電網影響的區別，下面以賓金、靈紹兩回直流為研究對象，根據三相接地短路故障發生瞬間換相失敗比例Kins、三相接地短路故障期間換相失敗比例Kt、三相接地短路故障清除時換相失敗不能立即恢復的比例Kaft以及三相接地短路故障清除后換相失敗最長持續時間Tfail4 個指標來評估3 種技術路線的優劣。白鶴灘直流3 種技術路線下賓金、靈紹兩回直流的指標Kins，Kt，Kaft以及Tfail對比情況如圖2—5 所示。

圖2 不同技術路線下的指標Kins 對比

圖3 不同技術路線下的指標Kt 對比

圖4 不同技術路線下的指標Kaft 對比

圖5 不同技術路線下的指標Tfail 對比

從圖2 中可以看出，白鶴灘直流逆變站技術路線對Kins的大小沒有影響，所以在故障發生瞬間并不能通過改變白鶴灘直流逆變站的技術路線來緩解浙江電網多直流換相失敗問題。

從圖3 中可以看出，白鶴灘直流逆變站的技術路線對賓金直流的指標Kt沒有影響，原因在于白鶴灘直流接入點和賓金直流接入點電氣距離較遠，難以通過改變白鶴灘直流逆變站的技術路線來改善賓金直流的換相失敗情況。白鶴灘柔性直流技術路線（定無功功率）會增大靈紹直流的Kt數值，也就意味著惡化了靈紹直流的換相失敗情況。原因在于LCC 換相失敗期間吸收無功功率為零，逆變站的無功補償裝置向交流系統注入無功，而MMC 定無功功率控制時，MMC 和交流系統之間沒有無功交換，從而起到負面作用。白鶴灘直流定交流電壓控制后，由于其在故障期間能夠輸出動態無功，有效提高了近區電壓水平，繼而使得靠近白鶴灘直流的靈紹直流Kt值得到了有效降低，降低幅度為0.08。也就意味著，定交流母線電壓控制的MMC 技術路線可以有效降低引起靈紹直流換相失敗的短路故障比例8%。

從圖4 和圖5 中可以看出，定無功功率控制的白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線會增大賓金、靈紹直流的Kaft和Tfail數值，意味著惡化了這兩回直流的換相失敗情況。定交流母線電壓控制的白鶴灘直流逆變站MMC 技術路線會減小賓金、靈紹直流的Kaft和Tfail數值，意味著改善了兩回直流的換相失敗情況。

5 結論

根據以上計算分析，可以得出白鶴灘直流逆變站技術路線對賓金、靈紹直流換相失敗特性的影響如下：

（1）白鶴灘直流逆變站技術路線對遠區的賓金直流換相失敗影響較小，難以通過改變白鶴灘直流逆變站技術路線來改善賓金直流的換相失敗特性。白鶴灘直流技術路線對靈紹直流換相失敗特性影響較大，選擇合適的白鶴灘直流逆變站技術路線可以有效改善近區靈紹直流的換相失敗情況。

（2）相較于白鶴灘直流逆變站LCC 技術路線，定無功功率控制的MMC 技術路線會惡化其他直流的換相失敗特性。原因在于定無功功率控制使得MMC 逆變站在故障期間無功輸出為零，而LCC 逆變站在故障期間有大量的濾波器接入電網，仍有一定的無功輸出。而定交流母線電壓控制的MMC 技術路線對受端電網的電壓支撐能力最強，會改善其他直流的換相失敗特性，從而有利于提高浙江電網的安全穩定運行特性。

（3）白鶴灘直流逆變站采用定交流母線電壓控制的MMC 技術路線后，不僅可以有效避免白鶴灘直流本身的換相失敗問題，提高白鶴灘直流故障期間的輸送功率，還可以為近區的靈紹直流系統提供動態無功支撐。根據統計，定交流母線電壓控制的MMC 技術路線可以有效降低引起靈紹直流換相失敗的短路故障比例8%，并且最大可減少靈紹直流換相失敗持續時間0.2 s。因此，白鶴灘直流逆變站采用定交流母線電壓控制的MMC 技術路線可以有效提高浙江電網的安全穩定性，建議采用。