多端柔性直流輸電系統(tǒng)故障穿越控制策略研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 焦鑫艷 宋 菁 卞亦飛

多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流和交流故障穿越問題相當(dāng)復(fù)雜。在直流故障期間，由于直流電網(wǎng)阻尼較低，直流電壓迅速降低導(dǎo)致故障電流急劇增加，此時必須快速隔離直流故障，以抵御故障沖擊。而在交流故障期間，由于交流電網(wǎng)輸出電壓突然降低，換流站輸入和輸出功率失去平衡而導(dǎo)致直流電壓偏移，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流站自啟過電壓保護(hù)，脫離電網(wǎng)運行。傳統(tǒng)的故障控制策略普遍需要先關(guān)閉故障側(cè)的換流站，然后開啟交流斷路器，阻隔故障傳播途徑。上述方法不僅必須關(guān)閉換流站，而且需要斷開交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)之間的功率傳輸，不僅不利于故障穿越，更阻礙了電網(wǎng)運行。

1 柔性直流輸電技術(shù)與多端柔性直流輸電系統(tǒng)

1.1 柔性直流輸電技術(shù)功用

目前，柔性直流輸電技術(shù)已成為支持大規(guī)模可再生能源消費、能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、能源轉(zhuǎn)換等的重要技術(shù)工具。利用柔性輸電技術(shù)，可以在發(fā)電側(cè)進(jìn)行與風(fēng)能、水電、太陽熱能等能源的互聯(lián)互通。同時，通過結(jié)合各種能量互補發(fā)電和柔性輸電技術(shù)，其靈活快速的資源規(guī)劃能力和對系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障，能夠在較大區(qū)域內(nèi)有效穩(wěn)定可再生能源發(fā)電的波動性和間歇性問題，進(jìn)而有效降低對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。另外，在用電負(fù)荷側(cè)，通過使用柔性直流輸電技術(shù)，還可以大大提高供電系統(tǒng)的可控性與可靠性，進(jìn)而改善了整個受端供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及對可再生能源的接納能力[1]。

目前，國內(nèi)外對柔性開關(guān)裝置自身的研究仍然缺乏理論深度，還沒有完成拓?fù)溥x擇從孤立生成向有序推演的提升，以及參數(shù)選擇從粗放式向精細(xì)化的轉(zhuǎn)變。應(yīng)用方面，主要集中在多端直流柔性輸電控制系統(tǒng)構(gòu)建和故障控制策略的研究和驗證上，對于交、直流一體化和混合電網(wǎng)運行方案等方面的深入研究較少。

1.2 多端柔性直流輸電系統(tǒng)工作原理

多端柔性直流輸電系統(tǒng)也是基于柔性直流輸電技術(shù)建設(shè)的，其核心裝置為換流器。其基本原理為：在能源側(cè)，電力經(jīng)由換流器進(jìn)行交、直流轉(zhuǎn)化，然后再經(jīng)由直流輸電線路送出。而在用戶端，電力則通過換流器進(jìn)行直、交流轉(zhuǎn)化（逆變流程），進(jìn)而再經(jīng)由交流輸電線路送出[2]。

2 多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障穿越控制策略研究

2.1 問題研究

多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障發(fā)生后，直流電網(wǎng)的低阻尼特性會導(dǎo)致線路直流電流急劇增加，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)的輸入、輸出功率之間失去平衡，若不及時采取保護(hù)措施，將對電力系統(tǒng)產(chǎn)生毀滅性影響。因此，在工程技術(shù)上，可利用直流斷路器阻斷直流故障，實現(xiàn)直流故障的穿越。然而，直流斷路器運作時，環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋾l(fā)生變化，直流電流也隨之變化。此時，必須考慮非故障線路過載情況。

2.2 用直流斷路器隔離故障線路

在每個換流站的輸出端設(shè)置直流斷路器，可在錯誤發(fā)生后5ms內(nèi)隔離直流故障。設(shè)置仿真時間為0.700s時，線路發(fā)生極間短路故障；0.705s時，線路兩端直流斷路器動作，切除故障線路，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 仿真實驗結(jié)果

由圖1可見，當(dāng)故障出現(xiàn)后，由于靠近故障端的換流站向故障點注入了有功功率，換流站的潮流電流反轉(zhuǎn)。直流斷路器動作時，將直流功率由遠(yuǎn)端換流站直接接入近端換流站，換流站直流側(cè)電壓迅速上升，而電壓達(dá)到峰值后，又在控制環(huán)節(jié)的影響下逐漸減弱。因此盡管能夠在短時內(nèi)切斷故障線路，但換流站在暫態(tài)過程中仍然存在很大的直流過電壓，容易觸發(fā)換流站過電壓保護(hù)機制。

2.3 利用輔助電路實現(xiàn)直流故障穿越

換流站直流過電壓主要是由直流斷路器斷開后，殘余過電壓電流再對子模塊電容器進(jìn)行充電所致，或換流站的輸入、輸出功率不平衡所致。所以，應(yīng)該考慮在直流斷路器動作前將故障電路全部切除，以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，并消耗不平衡功率以降低直流過電壓。

通過提高了換流站的輸出電路設(shè)計，并在換流站的直流輸出口增加了輔助電路。輔助電路主要由開關(guān)電路和電能耗散電路所組成。開關(guān)電路主要負(fù)責(zé)引導(dǎo)能量傳遞，而高能量的損耗電路則負(fù)責(zé)損耗不平衡功率。開關(guān)電一般選用高通流特性較強的電力元器件構(gòu)成。而能量耗散電路則由高通流能的晶閘管組件、電容組和耗能電阻所構(gòu)成。同時安設(shè)避雷裝置，避雷裝置通常串聯(lián)于開關(guān)電路的兩端，防止過電壓沖擊，保護(hù)IGBT器件。輔助電路結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 輔助電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 增強型自適應(yīng)下垂控制策略

直流斷路器動作后，由于直流電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，引發(fā)潮流傳遞，進(jìn)而引起非故障線路超載。此時，應(yīng)該適時調(diào)節(jié)換流站的有功功率輸出值，以防止非故障線路發(fā)生超載。但是，如果調(diào)整了換流站的有功功率，很容易造成換流站輸入電流與輸出功率之間再次失去平衡。因此需要建立換流站輸出功率調(diào)整機制，以便于緩沖不平衡功率，并保持直流電壓平衡。

增強型自適應(yīng)下垂控制策略，即允許多臺變換站聯(lián)合協(xié)調(diào)有功功率，并根據(jù)換流站的輸出功率變化自動適應(yīng)并調(diào)節(jié)下垂系數(shù)。同時當(dāng)出現(xiàn)直流故障時鎖定瞬時下垂系數(shù)，并自動平移下垂曲線，以避免換流站功率的超限。

3 多端柔性直流輸電系統(tǒng)交流故障穿越控制策略研究

3.1 問題研究

連接在多端柔性直流輸電系統(tǒng)的交流電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)中公共連接點電壓（PCC）也出現(xiàn)了一定程度的下降，對交流電網(wǎng)形成了很大的故障電壓。因為多端柔性直流輸電體系的高耦合特性，交流電網(wǎng)故障不僅會導(dǎo)致交流電壓降低和線路電流增加，還會引起功率波動，導(dǎo)致?lián)Q流站的輸入和輸出功率不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致直流電壓發(fā)生偏移。此時，柔性多端直流輸電系統(tǒng)必須充分發(fā)揮其靈活控制的技術(shù)優(yōu)勢，通過站間協(xié)調(diào)控制恢復(fù)功率平衡。

3.2 軟件控制

交流故障的出現(xiàn)，PCC點電壓也將相應(yīng)下降。換流站還能夠通過增加的無功功率控制保持PCC點電流平衡。但是，考慮到增加的無功功率控制會導(dǎo)致?lián)Q流站輸出功率超限，進(jìn)而引起在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生過電流，所以一定要在換流站的雙閉環(huán)控制連接中增加動態(tài)輸出電流限幅環(huán)節(jié)，其能夠通過給換流站無功功率控制進(jìn)行手動調(diào)整和限流，進(jìn)而有效控制過電流現(xiàn)象的產(chǎn)生[3]。

3.3 輔助回路控制

功率不平衡是換流站直流過電壓產(chǎn)生的主要原因。為此，設(shè)計了一種輔助電路。工作人員可以通過調(diào)整輔助電路中的直流電容器電壓峰值，實現(xiàn)對放電過程中不平衡功率的動態(tài)調(diào)整。其與模塊化卸荷電路和傳統(tǒng)式卸荷電路相比，具有更好的經(jīng)濟性。

3.4 仿真實驗

圖3 仿真模型結(jié)構(gòu)

仿真開始后，換流站依次投運，0.5s后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。與受端換流站相連的交流電網(wǎng)于1.0s發(fā)生交流故障，交流電壓下跌15%。此時，若不采取任何控制手段，多端柔性直流輸電系統(tǒng)各電氣量的變化情況如圖4所示。

圖4 換流站無動作時各電氣量波形圖

現(xiàn)啟動多端柔性直流輸電系統(tǒng)交流故障穿越控制策略。1.05s時換流站增發(fā)無功功率，電流限幅自動變化。1.10s時，換流站啟動輔助電路，消耗換流站不平衡功率。此時，多端柔性直流輸電系統(tǒng)各電氣量的變化情況如圖5所示[4]。

圖5 故障穿越控制后的各電氣量波形圖

由仿真結(jié)果可知，交流故障發(fā)生后，若不啟動交流故障穿越控制策略，PCC點電壓隨之下降，并伴隨有過電流產(chǎn)生。啟動交流故障穿越控制策略之后，換流站增發(fā)無功功率，PCC點電壓逐漸恢復(fù)平衡，在動態(tài)電流限幅環(huán)節(jié)的作用下，交流過電流得到有效抑制。同時，啟動輔助電路消耗不平衡功率。通過軟件、硬件結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)交流故障穿越。

4 多端柔性直流輸電系統(tǒng)的未來展望

目前，兩網(wǎng)公司已經(jīng)全面掌握了柔性直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)及工程成套能力。舟山五端、廈門島柔直示范工程的投運是技術(shù)開始成熟的標(biāo)志。我們認(rèn)為，我國已經(jīng)具備了柔性直流輸電工程技術(shù)的完全自主知識產(chǎn)權(quán)，已經(jīng)具備了在國內(nèi)大范圍推廣的技術(shù)基礎(chǔ)，并且具有較強的技術(shù)競爭力。2020年12月27日，世界首個特高壓多端柔性直流示范工程（昆柳龍直流工程）正式啟動投產(chǎn)送電，在此之前，世界上柔性直流的最高電壓等級為±500kV，而該工程則提升到前所未有的±800kV，筆者所在單位為該工程提供核心部件[5]。

柔性輸配電除了在技術(shù)上追趕學(xué)習(xí)，并實現(xiàn)了彎道超車，其成本也在逐年下降，未來有望逐步凸顯經(jīng)濟性價值。可以預(yù)見，其將向更高性能、設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計更加緊湊化發(fā)展。目前，多個國內(nèi)公司正在加緊IGBT、SiC等大功率電子電子器件和電力電子電容器、交直流電纜等技術(shù)的研發(fā)，以實現(xiàn)柔性輸電裝備的全面國產(chǎn)化。通過核心器件的國產(chǎn)化和技術(shù)升級，未來柔性輸電的技術(shù)經(jīng)濟性將得到顯著提升，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛，數(shù)量也將越來越多，柔性輸電將成為促進(jìn)新能源大規(guī)模開發(fā)利用和電網(wǎng)建設(shè)的重要技術(shù)支撐。

5 結(jié)語

本文重點研究了多端柔性直流輸電系統(tǒng)的故障管理策略，詳細(xì)分析了多端柔性直流輸電系統(tǒng)的交、直流故障特征，并給出了具體的故障管理策略，但仍然存在部分需要解決的問題。例如，雖然在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中安裝輔助電路可以解決故障問題，但輔助電路安裝成本較高，電力系統(tǒng)元器件增多也會導(dǎo)致故障情況發(fā)生的可能性增加。