提升電網受電能力的多直流低壓限流控制器參數優化方法

田 浩，蔣 哲，馬琳琳，馬 歡，李常剛

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.山東大學，山東 濟南 250061）

0 引言

電壓安全是電力系統安全運行的必要條件，無功支撐能力不足將導致電力系統電壓失穩甚至電壓崩潰，引發大面積停電［1］。美加“8.14 大停電”正是電壓支撐能力不足導致的全網電壓崩潰事故，損失負荷61 800 MW，導致5 000 萬居民失去電力供應。我國能源資源分布極不平衡，初步形成以超高壓/特高壓交直流長距離輸電為主的西電東送格局，在東部負荷中心建成若干交直流多落點大型受端電網。與此同時，碳達峰碳中和目標提出后，新能源呈井噴式增長，通過機組置換效應不斷擠占網內火電機組開機空間，導致電網電壓支撐能力進一步惡化［2］。

特別對于山東、江蘇、浙江等多直流集中饋入的受端電網而言，面臨電壓支撐能力不足、交直流相互影響加劇、運行方式復雜多變的挑戰更為突出，交流故障極易引發多回直流連續換相失敗，甚至導致全網電壓崩潰［3］。提升對直流系統的支撐能力，保障受端電網的電壓安全已成為電力行業亟待解決的重要難題［4］。

針對多直流受端電網故障引起的電壓問題，文獻［5］從臨界斷面特性、故障類型、無功支撐效果、直流暫態過程、負荷模型等多方面進行詳細分析；文獻［6］從穩態控制的角度提出分層接入的特高壓直流系統無功控制策略；文獻［7］從緊急控制的角度提出通過快速投切電容電抗器提升動態電壓支撐效果；文獻［8］從規劃的角度，利用退役火電機組改造為調相機布置在直流落點，增加無功資源儲備。上述分析多從交流系統的角度，通過合理配置、優化及控制無功補償裝置，實現對受端電網電壓支撐能力的提升。而從直流自身控制的角度而言，常用方法為通過配置直流低壓限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL）改善直流系統故障期間的無功特性，預防或減少換相失敗的發生。

當檢測到逆變側母線電壓降落超過閾值時，低壓限流環節可按照預設指令強制減小直流電流，進而降低直流輸送功率，減少直流系統的無功功率需求［9］。VDCOL 配置參數對直流動態特性影響顯著，單回直流的VDCOL 參數配置方法已較為成熟，文獻［10］提出一種抑制直流連續換相失敗的VDCOL 參數優化策略，利用多通道輸入數據比對，根據故障發展過程自適應調整VDCOL 控制策略，抑制后續換相失敗的發生。文獻［11-12］則通過提出具有自適應能力的變斜率控制策略實現VDCOL 參數自動調整，提升直流動態恢復特性。

隨著多直流饋入系統的發展，對多回直流VDCOL 參數協調優化的研究開始逐漸深入［13］。文獻多從直流系統間的交互影響分析入手，建立能夠準確描述不同直流落點強弱的量化指標，并在此基礎根據直流容量、落點等差異配置不同的VDCOL 參數優化算法。山東電網作為典型的多直流受端電網，正面臨交流故障下的電壓崩潰風險，制約受電水平及新能源消納水平［14-15］。為應對多回直流饋入地區電網后帶來的電壓安全風險，保障電網安全穩定運行，提出一種提升地區電網受電能力的多直流VDCOL 參數協調優化方法，從通過臨界運行方式確定失穩模式，進而配置具有針對性的VDCOL 參數協調優化方案，抑制換相失敗的發生，提升地區電網受電能力。

1 低壓限流控制參數優化機理

1.1 VDCOL控制環節與參數說明

典型的直流系統調節器結構如圖1 所示，圖1中，Ud、Id分別為直流電壓、電流；Uac為交流換流母線電壓；α為觸發角；Pref、ΔP分別為直流功率控制的參考值與功率偏差；αref為觸發角給定值。為解決交流故障下，直流系統可能出現的大電流低電壓特征，直流輸電系統普遍配置低壓限流環節，以便對低電壓時的直流電流信號進行限制，降低直流系統在故障及其恢復過程中對交流系統的無功功率需求，改善直流輸電系統的恢復特性。該環節實時判別直流線路兩側直流電壓Ud，若輸入電壓小于給定值，則降低直流電流給定值I0，降低幅值大小取決于實際電壓降低幅值。逆變器關斷角控制器作為限制器使用，防止關斷角過小發生換相失敗，本文所考慮的關斷角控制器基于實測關斷角，最小關斷角參考實際工程設置為17°［16］。

圖1 直流系統調節器結構Fig.1 DC system regulator structure

1.2 VDCOL參數調整原則

按照接受量測信號不同，目前常見的VDCOL 控制可分為兩類：交流電壓型低壓限流環節（Alternating Current-VDCOL，AC-VDCOL）和直流電壓型低壓限流環節（Direct Current-VDCOL，DCVDCOL），國內現有直流工程均為直流電壓信號型。VDCOL 基本限流曲線為圖2 所示的直線，通過位移、改變其斜率等方式可以顯著影響其限流效果。通過調整電壓限流上限Udhigh、電壓限流下限Udlow、最小電流數值Iomin、限流指令延遲時間Tup等參數可以改變直流系統在故障期間的輸出特性，按照不同的設定目標改善其動態特性。

圖2 Udhigh、Udlow參數對直流U-I曲線影響Fig.2 The influence of curve U-I with Udhigh and Udlow

1）通過改變Udhigh、Udlow數值控制逆變器無功功率消耗。如圖2 所示，將特性控制曲線右移（即同時增大Udhigh、Udlow），則VDCOL 環節可在發生電壓降落后提前啟動，更快地抑制直流系統的無功功率吸收，提升電壓穩定性。該調整缺點為減小直流功率的傳輸，可能出現更大的有功功率缺額。

2）通過改變Iomin數值也可以控制逆變器無功功率消耗。如圖3 所示，降低Iomin數值使曲線由1 變為3，通過改變曲線斜率使VDCOL 在電壓下降過程中電流更小，無功消耗更低，利于電壓穩定，同樣減小了直流功率的傳輸。

圖3 Iomin參數對直流U-I曲線影響Fig.3 The influence of curve U-I with Iomin

3）通過修改指令延遲時間Tup，可以改變恢復期間的電流指令延時時間。Tup數值越大，延時越大，使直流電流的恢復滯后于電壓的恢復，以減小直流系統輸送功率的恢復速度和換流站的無功消耗。同時，時延過大不利于把握控制精度，因此在優化中該參數調節范圍較小。

對于受端電網較弱的工程，逆變側交流故障后電壓恢復較慢，出現振蕩甚至換相失敗，優化中需要鈍化低壓限流信號，采用較大Tup數值和較高的Udhigh，避免VDCOL 在振蕩過程中惡化系統恢復。

2 多饋入短路比與電壓穩定性

當受端系統有多回直流線路集中饋入時，交流系統與直流系統、多直流系統間的交互影響更為顯著且難以解耦，給系統優化與控制帶來挑戰。現有研究通過提出多種類型的指標用以描述多直流饋入系統的運行特性。考慮交流系統短路容量、多回直流輸電容量以及各直流逆變站間的電氣耦合關系，多篇文獻提出多饋入短路比［17-18］，其定義為

式中：MISCR,i為第i回直流的多饋入短路比；Saci為第i回直流的換流母線短路容量；Pdeqi為考慮其他直流對第i條直流影響的等值直流功率；n為直流回數；Pdi、Pdj分別為第i、j回直流的額定功率；MIIF,ji為多饋入相互影響因子，定義為在第i回直流的換流母線上施加微小的無功擾動時，第j回直流的換流母線電壓變化量ΔUj與第i回直流的換流母線電壓變化量ΔUi的比值。

多饋入相互影響因子對多饋入短路比的影響最為顯著，因此，能夠反映多回直流落點間的電氣距離。MIIF,ji參數越大，表示直流間的耦合關系越緊密，直流換流母線j對換流母線i的參與度越強；反之，MIIF,ji參數越小，表示直流間的耦合關系越弱，換流母線j對換流母線i的參與度越弱。在實際系統中，根據相互影響因子的大小，可以有效確定多直流饋入系統的規模及范圍［19-20］。

交流系統電網強度越強，其電壓支撐能力越強，對直流換流過程的恢復特性更為有利，多饋入短路比越大，直流電網越不容易出現連續換相失敗甚至閉鎖。因此，在進行直流VDCOL 參數優化時，可以先通過計算直流落點母線的多饋入短路比大小，采取針對性的參數優化策略，重點針對多饋入短路比較小的薄弱直流進行優化，使控制效果更具有針對性。在不額外配置動態無功補償設備的條件下，減少直流連續換相失敗的發生，提升多直流受端電網電壓穩定性，進而提升其外網受電能力。

3 多直流VDCOL參數協調優化方法

當發生嚴重的故障擾動時，多回電氣距離較近的直流恢復過程同時從交流系統吸收大量無功功率，如果受端電網在直流近區配置的動態無功資源不足，則可能引起連續換相失敗甚至直流閉鎖。另一方面，VDCOL 的啟動抑制直流電流的數值，減小了故障期間有功功率傳輸，可能增大有功缺額，造成系統頻率下降并易引發低頻減載。為此，提出基于不同失穩模式的VDCOL 參數優化方法，優化流程如圖4 所示。

圖4 多直流VDCOL參數優化方法流程Fig.4 Optimization method of multi-DC VDCOL parameters

首先，通過臨界運行方式確定當前系統的主導失穩模式：功角失穩或電壓失穩。針對功角失穩模式應保證直流恢復過程的有功功率傳輸，避免更大的有功缺額。根據多饋入短路比大小差異化優化不同直流的參數實現降低總無功需求的目標。具體優化方法為：對于MISCR系數較小的直流（工程中一般認為其數值小于2 時為極弱系統），由于其電壓支撐能力較弱，適當提高Udhigh、Udlow數值使直流系統盡早啟動VDCOL 功能，適當降低Iomin數值、增加控制斜率，快速減少無功消耗；對于MISCR系數較大的直流（工程中其數值大于3 認為是強系統），適當降低Udhigh、Udlow數值，增加Iomin數值，增加恢復期間的有功功率傳輸。通過錯位調節低壓限流環節參數可以滿足在現有動態無功資源不變的條件下，合理分配不同直流之間的無功功率，減小電壓崩潰出現概率。

針對電壓失穩模式，可在一定程度內適當降低多直流總的有功功率，同樣按照多饋入短路比對直流進行排序，多饋入短路比較小的直流大幅提高Udhigh、Udlow數值，降低Iomin數值；多饋入短路比較大的電網維持Udhigh、Udlow及Iomin等參數不變。

4 算例分析

4.1 多直流受端電網結構

為驗證所提方法的有效性，基于電力系統分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP），以山東實際電網為例開展仿真驗證，圖5 為山東電網直流受端近區的簡化結構。如圖5 所示，共有魯固直流、昭沂直流、銀東直流三回特高壓直流輸電系統饋入山東電網。其中，魯固直流、昭沂直流采取分層接入的方式分別接入500 kV、1 000 kV 電網，銀東直流直接接入500 kV 電網。三回直流落點電氣距離近，交互作用顯著，嚴重的交流故障可能引起三回直流逆變側同時發生換相失敗甚至閉鎖，控制難度較大。

圖5 山東電網直流近區電網結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of DC nearby power grid structure of Shandong power grid

表1 山東直流換流母線多饋入短路比Table 1 The multiple feed short circuit ratios of DCs in Shandong

在某一典型運行方式下，三回直流落點換流母線處的多饋入短路比計算結果如表4 所示。膠東站多饋入短路比最大，沂南、廣固站相對較小。因此可知，魯固直流、昭沂直流落點的電壓支撐能力相對較弱，需要進行針對性的優化調整。

4.2 VDCOL參數優化方案

隨著山東電網新能源并網增加及外受電比例逐年增大，面臨動態無功/電壓支撐能力不足，系統電壓穩定裕度降低等風險。通過極限運行方式計算可得，山東電網主導失穩模式為交流故障引起的電壓失穩，因此，本算例按照電壓失穩模式的優化流程對三回直流VDCOL 參數進行優化，調整原則為銀東直流參數不變，增加昭沂、魯固直流Udhigh、Udlow數值，降低Iomin數值，優化前后的多回直流參數對比如表2所示。

表2 多直流VDCOL參數優化方案Table 2 Optimization scheme of multi-DC VDCOL parameters

4.3 優化結果對比

設置典型故障為海河—泉城特高壓線路雙線N-2 接地短路故障。故障具體設置如下：1 s 時刻海河—泉城特高壓線路泉城站出口2% 處發生三相接地短路故障，1.1 s 同時切除同塔兩回特高壓線路。以魯固直流為例，優化前后直流換流站母線電壓、熄弧角等物理量變化趨勢如圖6、圖7所示。

圖6 廣固站1 000 kV母線電壓曲線Fig.6 The voltage curve of 1 000 kV Guanggu substation

圖7 魯固直流逆變側熄弧角變化曲線Fig.7 The curve of arc extinguishing angle on the inverter side of Lugu DC

對比圖6、圖7 可以發現，優化前廣固換流站母線電壓在故障后恢復較慢，直至8 s 后發生多次連續換相失敗，魯固直流功率傳輸下降為0，并最終出現電壓失穩現象。采用VDVOL 優化參數后，直流系統可以在整個故障過程中保持穩定，廣固換流站僅在故障瞬間發生1 次換相失敗，電壓動態恢復速度明顯提升，故障切除后未再發生換相失敗。綜上所述，通過本文所提的基于不同失穩模式的多直流VDCOL 參數協調優化方法，可以更具針對性地改善直流動態特性，提升系統電壓穩定性。

進一步，在某一臨界運行方式下，校核山東電網優化前后的交流外受電能力，初始邊界條件為山東三大直流群功率20 000 MW，山東總負荷70 000 MW，計算結果如表3 所示，優化VDCOL 參數后，山東電網交流外受電能力從12 000 MW 提升至12 600 MW，提升約600 MW。同理，保持山東電網交流外受電12 000 MW，調整魯固直流傳輸功率，計算結果如表3、表4 所示，優化參數后同樣可以提升直流受電600 MW。綜上所述，采用本文所述VDCOL 優化方法可以提升山東電網交直流受電能力600 MW。

表3 優化前后山東電網交流受電能力比較Table 3 Comparison of AC power receiving capacity of Shandong power grid before and after optimization

表4 優化前后山東電網直流受電能力比較Table 4 Comparison of DC power receiving capacity of Shandong power grid before and after optimization

5 結束語

隨著新型電力系統的發展、碳達峰碳中和目標的推進，電網運行特性復雜多變、交直流相互影響加劇，交流故障極易引發多回直流連續換相失敗，甚至導致全網電壓崩潰。提出一種基于不同失穩模式的多直流VDCOL 參數協調優化方法。通過臨界運行方式確定當前系統的主導失穩模式，并針對功角失穩、電壓失穩兩種不同模式制定差異化的VDCOL 參數調整方案。基于多饋入短路比相對大小排序，對多回直流配置不同的參數調整策略，最終達到抑制換相失敗的發生，提升地區電網接納外受電的效果。經過實際電網的仿真分析驗證可得，按照本文方法優化直流參數后，可增加山東電網交直流外受電能力約600 MW。