再啟動控制對直流送端系統沖擊影響及抑制措施

藺若琦,鄭超,楊明玉,齊軍,李惠玲,楊志國

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；3.內蒙古電力（集團）有限責任公司，內蒙古呼和浩特 010010）

0 引言

我國的能源資源與負荷中心呈逆向分布[1]。在能源轉型、節能減排戰略的推動下，風電、光伏等可再生能源匯集后經特高壓直流外送，已成為我國交直流混聯電網的典型場景[2]～[6]。

由于特高壓直流輸電系統的核心部件換流器是由半控型晶閘管構成，當交流電網或直流系統出現故障或擾動時，換流器和交流電網交換的有功和無功功率均會出現大幅波動，進而影響近區的風電、光伏等發電基地的并網安全[7]，[8]。針對直流閉鎖故障，文獻[9]研究了直流閉鎖導致送端風電場承受暫態過電壓沖擊的問題，提出了風電場高電壓穿越HVRT協同控制策略。文獻[10]研究了直流閉鎖引起的過電壓對永磁直驅風機的影響及機組的功率可控域。針對直流換相失敗故障，文獻[11]結合換相失敗故障過程中得到的送端電網電壓波形，分析了風電系統控制參數對無功輸出特性的影響規律。文獻[12]研究了直流系統將逆變側擾動傳播至整流側的機制，提出了強化電網結構及優化網源穩態無功配置等措施，用以緩解送端系統在換相失敗后所受的沖擊。

在特高壓直流輸電系統中，直流線路發生故障的概率較高，因此，直流再啟動功能（DC-line Fault Recovery Sequences，DFRS）被廣泛應用。但在實際運行中，直流系統故障及再啟動過程將導致直流有功功率快速大幅變化，并因此造成換流站無功功率發生顯著波動，進而使送受端交流電網受到沖擊。文獻[13]研究了再啟動方案對弱受端交流電網頻率的影響，制定了再啟動與第二、三道防線協調配合的原則。文獻[14]為降低有功轉移沖擊，提出了針對再啟動功能的優化策略。文獻[15]針對再啟動過程引發非故障極換相失敗的問題，從一次參數優化和二次策略改進兩個方面提出了抵御換相失敗的措施。在可再生能源大規模并網后經特高壓直流外送的場景中，直流故障及再啟動過程引發的換流站無功波動會導致送端電壓大幅變化，進而威脅新能源電源的并網安全以及送端電網的穩定運行，但目前相關研究仍鮮有涉及。

本文介紹了直流控制系統仿真模型以及對于直流再啟動功能模擬的方法，基于PSD-BPA中面向實際工程開發的特高壓直流系統機電暫態仿真模型，通過時域仿真研究了再啟動造成送端電網電壓波動的機理，以及電網強度、再啟動初始觸發角對波動幅度的影響。在此基礎上，針對再啟動可能導致整流側近區風機低電壓穿越連鎖反應進而威脅送端電網運行安全的問題，提出了相應的優化應對措施。最后，基于甘肅酒泉千萬千瓦級風電基地經祁韶特高壓直流系統電能外送的實際新能源并網系統，對再啟動過程進行仿真，驗證了所提出應對措施的有效性。

1 高壓直流輸電系統及再啟動仿真模型

1.1 高壓直流輸電系統及其主要電氣量

特高壓直流輸電系統如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電系統及其主要電氣量Fig.1 HVDC power transmission system and its main electrical quantities

圖中：Xrc，Tr分別為換流變壓器的漏抗和變比；Urc為整流站換流母線電壓；Prd為直流有功功率；Qrc，Qrf，Qrs分別為整流器無功需求、濾波器無功輸出和整流站與交流電網交換的無功；urd，uid分別為整流側和逆變側的直流電壓；id，rd分別為直流電流和電阻；Ert，Xrt分別為送端交流電網戴維南等值內電勢和電抗。

本文利用換流器準穩態方程模擬交直流系統的相互作用，其表達式為

式中：αr為整流器觸發滯后角；φr為功率因數角。

1.2 高壓直流輸電系統仿真模型

為準確復現直流線路故障及再啟動過程，并使特性分析具有一定的普適性，本文仿真采用的直流輸電控制系統模型如圖2所示[16]，[17]。圖中：Pdref，idref分別為有功功率和直流電流的參考值；iδ為電流裕度。

圖2 基于實際工程的直流輸電控制系統模型Fig.2 Model of HVDC control system based on practical project

直流電流控制模型如圖3所示。

圖3 直流電流控制模型Fig.3 DC current control model

圖中：Δid為直流電流與電流參考值之間的偏差；αP，αI分別為PI調節器中比例環節與積分環節的輸出角；α，α-1分別為電流控制模塊本計算時步和上一計算時步輸出的觸發角；Ga為電流控制增益系數；Ki，Ti分別為PI調節器的比例增益和積分時間常數。

1.3 直流再啟動過程及其仿真模擬

依據《國家電網安全穩定計算技術規范》，直流單極2次再啟動應不采取閉鎖直流、切負荷、切機等穩定控制措施，因此，特高壓直流2次再啟動過程中交直流系統相互影響的情況及運行穩定性，已成為交直流混聯電網穩定分析與控制的重要校核內容。本文使用PSD-BPA軟件對特高壓直流2次再啟動進行模擬，仿真計算的主要過程如圖4所示[18]。

圖4 再啟動過程的仿真模擬Fig.4 Simulation of DC-line fault recovery sequences

由圖4可知，tf時刻直流線路發生短路故障，整流器觸發滯后角α增至大于90°的再啟動移相角αf，并持續ΔT1時間，直流電壓與電流受控減小以便進行線路去游離，進而完成對于短路故障的清除。tr1時刻系統進行第1次再啟動，α由αf下調至再啟動初始角，整流器進入定功率控制模式，直流系統準備重新投入運行；由于仿真程序設定，短路故障此時未被清除，因此再啟動無法成功，α持續ΔT2時間后由α0再次增至αf進行線路去游離，為使第2次再啟動成功幾率增大，此次去游離的時間ΔT3要大于ΔT1。tfc時刻直流線路故障清除，系統控制α維持在αf的狀態并持續ΔT3時間后，于tr2時刻進行第2次再啟動過程，此次直流啟動成功進行，直流功率經過ΔT4時間后爬升并恢復至原送電功率Pd。

2 再啟動對送端電網的沖擊性影響

由式（1）～（5）和圖4可以看出，大擾動沖擊下的直流響應具有強非線性特征。為分析直流線路故障及再啟動過程對送端交流電網的影響，利用PSD-BPA軟件構建如圖1所示的雙端直流受擾特性仿真測試系統。特高壓直流額定電壓、電流和功率分別為±800 kV，5 kA和8 000 MW；Xrt取值為0.002 8 p.u.，對應的直流短路比（Short Circuit Ratio，SCR）為4.0。整流器和逆變器分別采用定功率和定熄弧角的控制方式。此外，仿真結果中直流電壓與電流的基準值分別對應其額定值，功率的基準值取100 MV·A。

仿真中，tf=0.1 s時刻直流線路發生短路故障，故障過程持續0.6 s，故障發生后α增至αf=164 °，送端直流電壓受控降至0，相應的直流電流亦隨之下降至0，系統進行持續0.15 s的第1次線路去游離，并于tr1=0.25 s時刻執行第1次再啟動，初始觸發角α0設置為15 °，期間直流電壓作用于短路故障仍然存在的直流線路將使直流電流瞬間大幅提升，產生了較大的功率沖擊；持續ΔT2=0.15 s后，系統檢測到再啟動未能成功，遂將α上調至164 °并再次進行故障線路去游離；經ΔT3=0.55 s后，于tr2=0.95 s時刻執行第2次再啟動，由于線路故障于tf=0.7 s時刻已被清除，直流系統成功啟動；經ΔT4=0.05 s后直流功率快速爬升并恢復至故障前水平。對應上述直流故障及再啟動過程，整流器觸發滯后角及直流電壓和電流的暫態響應如圖5所示。

圖5 再啟動過程中故障極直流電氣量暫態響應Fig.5 Transient response of DC electrical quantity of the faulted pole during DFRS faulted pole during DFRS

整流站交流側有功、無功功率以及換流站母線電壓的暫態響應過程如圖6所示。

圖6 再啟動過程中交流電氣量暫態響應Fig.6 Transient response of AC electrical quantity during DFRS

由圖6可知，由于故障尚未清除，第1次再啟動過程中直流電流快速增長并超過穩態值，使得整流器的無功需求大幅增加，因此整流站從交流電網吸收大量的無功功率，導致換流站母線電壓顯著下降，并可能跌落至0.9 p.u.以下。所以對于送端整流站近區連接有大規模風電基地的特高壓直流輸電系統，直流再啟動失敗可能引發風機進入低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）的連鎖反應[19]～[21]，使風機的有功輸出下降，最終導致系統有功功率大幅波動進而威脅電網的安全穩定運行。為此，需要采取相應的優化措施抑制直流再啟動失敗對于換流站母線電壓產生的不良影響。

3 相關因素對再啟動過程沖擊幅度的影響

3.1 送端電網強度的影響

直流短路比是衡量交流電網強度的定量指標，通常其數值越大則交流電網強度越高，直流擾動沖擊下交流系統電壓的波動幅度越小，反之電壓波動幅度越大。仿真中通過調整圖1中的電抗Xrt來改變交流電網強度，并設置了SCR分別為3.0，4.0和5.03種不同情況，直流線路故障及再啟動過程的直流電流、整流器自交流電網吸收的無功功率及換流站母線電壓變化量Δidc，ΔQrs和ΔUrc的暫態變化過程如圖7所示。

圖7 送端電網強度對沖擊幅度的影響Fig.7 Influence of SCR on impact amplitude

由圖7可以看出，雖然不同SCR的設置對Δidc無明顯影響，但增大SCR可限制直流線路故障瞬間交直流系統的相互作用。首先整流站自交流電網吸收的無功功率略微減少，同時結合上文所述，隨著SCR的增大換流站母線電壓Urc的波動幅度會有所降低；其次由故障引起的過電壓沖擊被有效緩解，但這一措施在緩解由再啟動失敗引起的線路低電壓情況時則效果有限。

3.2 再啟動控制參數的影響

改變直流再啟動過程中整流器的初始觸發角α0，將影響再啟動過程中直流電壓，仿真結果如圖8所示。

圖8 再啟動初始觸發角對沖擊的影響Fig.8 Influence ofα0 on impact amplitude

由圖8可見，不同電壓作用于故障尚未消除的直流線路時直流電流的變化程度會有所不同，產生不同大小的Δidc，受此影響ΔQrs也會出現差異，在電網強度相同的情況下，換流站母線電壓的變化幅度ΔUrc亦會隨之變化。對應SCR為3.0，4.0和5.0的3種情況，α0由15°遞增至60°，不同情況下的ΔUrc如圖9所示。可以看出，α0與ΔUrc之間具有近線性關系，通過增大α0可限制ΔUrc的大小，即可有效抑制電壓跌落。

圖9 再啟動控制參數對沖擊幅度的影響Fig.9 Influence of DFRS's control parameters on impact amplitude

3.3 電流控制增益系數的影響

圖3中電流控制模型中的增益系數Ga，其取值直接影響直流電流的動態過渡過程，并進而影響ΔQrs和ΔUrc。對應Ga取值15，30，45和60的不同情況，在直流線路故障及再啟動過程中Δidc，ΔQrs和ΔUrc的變化如圖10所示。可以看出，增大Ga可抑制Δidc的增長，但其抑制效果隨著Ga的逐步增大而減弱。

圖10 電流控制增益系數對沖擊幅度的影響Fig.10 Influence of Ga on impact amplitude

鑒于電流控制的增益系數Ga是直流控制系統中的重要參數，其取值調整將會影響諸如緊急功率控制響應特性、換相失敗恢復性能以及交直流混聯電網穩定性等多個方面，因此綜合上述對不同影響因素的分析，對于既定的交直流混聯電網，為抑制再啟動失敗所引起的換流站母線電壓降低的情況，宜采取優化調增再啟動初始觸發角參數的措施。

4 大規模風電匯集直流外送系統控制優化

4.1 風電匯集經祁韶直流外送系統

祁韶特高壓直流主要承擔酒泉地區風電消納任務，其結構如圖11所示。

圖11 祁韶特高壓直流送端風電大規模并網系統Fig.11 Large-scale wind power grid-connected system at Qishao UHVDC rectifier side

由圖11可知，祁韶特高壓直流配套的常規火電機組裝機容量相對較小，整流站近區交流電網的動態電壓支撐能力偏弱；此外，由于整流站接入的橋灣電站位于敦煌-橋灣-酒泉-河西-武勝750 kV長鏈型通道，這使得整流側電網短路容量較小且短路比偏低。

為保障在交流短路沖擊下風機的連續并網，酒泉地區風機均配置有低壓穿越（LVRT）功能，當風機出口電壓低于0.9 p.u.時，會觸發LVRT從而導致其有功輸出大幅降低。因此，祁韶直流線路故障再啟動過程可能引起的交流電網低電壓沖擊，存在觸發大規模風電機組進入LVRT控制從而導致電網有功潮流大幅波動進而威脅電網運行安全的風險。

4.2 直流再啟動過程對風電并網的威脅及優化措施的效果

祁韶直流雙極運行時的功率為5 500 MW，直流線路故障及2次再啟動過程所涉及的參數與前文相同，初始觸發角α0取值為15°和優化調整至60°種情況，故障及再啟動過程中直流電流、換流站母線電壓以及匯入近區750 kV橋灣電站的橋八風電場中單臺雙饋風機有功功率的暫態響應如圖12所示。

圖12 有無參數優化條件下祁韶直流再啟動對系統影響Fig.12 Influence of Qishao DC-line fault recovery sequences on system with or without parameter optimization

由圖12可以看出，α0取值為15°時，第1次再啟動將使祁韶直流整流側換流母線電壓跌落至0.82 p.u.，橋八風電場雙饋風機出口電壓跌落至0.88 p.u.，風機因進入LVRT而使得有功功率快速跌落并經過約1 s的爬坡過程才能恢復至初始功率。將α0取值優化調整至60°，整流側換流母線電壓和風機出口電壓均能提升至0.9 p.u.以上，不會觸發風機進入LVRT控制過程，有效緩解了祁韶直流再啟動過程引發的風機連鎖反應對系統的沖擊。

5 結論

對于直流2次及多次再啟動，直流線路短路故障尚未清除時，進行的再啟動過程會使直流電流快速大幅提升，受此影響，整流站將從交流電網吸收大量無功使送端電網出現低電壓。對于風電大規模并網的送端系統，再啟動失敗引起的換流站母線低電壓會觸發風電機組的低電壓穿越控制，導致規模化風電場的有功出力顯著下降，擴大了直流擾動對電力系統的沖擊影響。增大再啟動過程的初始觸發角，可抑制直流線路故障未清除期間進行再啟動過程所產生的直流電流沖擊，減小換流站母線電壓的下降幅度，有效緩解換流站近區風機因進入低電壓穿越導致有功出力不足對系統安全運行造成的沖擊。