分层接入特高压直流输电系统抑制连续换相失败协调策略.pdf

第二十八卷第二期Vol.28,No.2JOURNAL OF ANHUI ELECTRICAL ENGINEERING PROFESSIONAL TECHNIQUE COLLEGE安徽电气工程职业技术学院学报2023年6 月June 2023分层接入特高压直流输电系统抑制连续换相失败协调策略鲍玉莹，朱未灿，金天然，张炎（1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽文合肥230022;2.孔径阵列与空间探测安徽省实验室，安徽合肥230088)摘要：为抑制分层接入特高压直流系统连续换相失败，在分析了受端系统短路故障后逆变侧换流器与交流系统无功交换特性的基础上，提出了一种连续换相失败协调抑制策略，对故障期间直流电流指令值及其变化速率进行优化。基于PSCAD/EMTDC搭建了分层接入UHVDC系统模型，并对所提连续换相失败协调抑制策略进行了仿真验证。结果表明：相比于CICRE控制策略，采用所提协调抑制策略时，连续换相失败次数由5 次减低为1 次，故障期间故障层换流器与受端交流系统无功交换近似为零，显著提升了系统暂态稳定性。关键词：分层接入特高压直流；暂态稳定；连续换相失败；协调抑制策略中图分类号：TM721.1文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-9 7 0 6(2 0 2 3)0 2-0 0 2 2-0 8Coordinated Strategy for Suppressing Continuous Commutation Failure ofUHVDC System of Hierarchical Connection ModeBAO Yuying,ZHU Can,JIN Tianran,ZHANG Yan?(1.State Grid Anhui Electric Power Co.,Ltd.Economic Research Institute,Hefei 230022,China;2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei 230088,China)Abstract:To suppress the continuous commutation failure of UHVDC system of hierarchical connectionmode,on the basis of analyzing the exchange characteristics of reactive power between inverter valves andits corresponding receiving-end system,a coordinated suppression strategy is proposed to optimizes the DCcurrent command value and its change rate during the failure.A model is built based on PSCAD/EMTDC,and the proposed coordinated suppression strategy for continuous commutation failure is simulated andverified.The results show that:compared with the CIGRE control strategy,the number of failure isreduced from 5 to 1 when the proposed coordinated suppression strategy is adopted,and the reactive powerexchange between the faulty layer converter and the AC system at the receiving end is approximately zeroduring the fault period,significantly improving the transient stability of the system.Key words:UHVDC system with hierarchical connection model;transient stability;continuous commutationfailure;coordinated suppression strategy收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 8作者简介：鲍玉莹（1 9 9 0 一），女，安徽合肥人，工程师，硕士研究生，研究方向为变电站设计、高压直流输电技术。22鲍玉莹，朱灿，金天然，张炎：分层接入特高压直流输电系统抑制连续换相失败协调策略0引言近年来，为解决特高压直流输电系统（Ultra high Voltage Direct Current,以下简称 UHVDC）输电容量的增加和落点密集度的提升对受端接纳能力和电压支撑等方面带来一系列的问题,在8 0 0 kV锡盟一泰州和1 1 0 0 kV昌吉一古泉工程UHVDC系统中创造性地采用了直流分层接人受端系统的结构，逆变站高、低端换流器分别接入不同电压等级的受端系统，可使系统从整体上具有较大的短路比和电压支撑能力 1-4 UHVDC系统的投运在有效解决电能分布不平衡的同时，也给电网的安全稳定运行带来了巨大的挑战。换相失败是UHVDC系统最为常见的故障,通常是由逆变侧交流系统故障引起 5.6 。目前，国内外学者对分层接入UHVDC系统连续换相失败抑制策略开展了初步研究 7-1 0 。文献 7 分析了分层接入UHVDC系统高低端换流器的耦合机理，提出了预测联动控制策略以降低高低端换流器同时发生换相失败的概率。文献 8 分析认为通过优化预防控制启动时间可以有效抑制非故障层换相失败的发生。文献 9 基于高低端换流器耦合特性分析提出通过增加非故障层换流器的关断角整定值来抑制其换相失败。文献 1 0 通过优化换相失败过程中电压变化幅值系数、控制增益和协同程度等参数，预防了非故障层换流器的换相失败。可以看出，以上研究主要集中在系统高低端换流器的耦合作用机理和非故障层换流器换相失败的预防。随着分层接人UHVDC系统的投运,交流系统故障后逆变侧高低端换流器的交互作用使得换相失败过程更加复杂,直流连续换相失败的协调抑制策略急需深人研究。基于此,文章基于PSCAD/EMTDC搭建了分层接人UHVDC系统模型，在分析了受端交流系统短路故障期间故障层和非故障层换流器与交流系统的无功交换特性，以及受端系统间无功交换特性的基础上，提出了一种分层接入UHVDC系统连续换相失败协调抑制策略，优化了故障期间直流电流指令值及其变化速率,并进行了仿真验证。结果表明所提协调抑制策略能够有效抑制受端系统对称故障和非故障工况下直流系统连续换相失败的发生，提升了系统暂态稳定性。1分层接入特高压直流输电系统模型1.1系统结构与参数某1 1 0 0 kV分层接入UHVDC系统受端结构如图1 所示。受端每极由两个1 2 脉动换流器串联组成,其中靠近接地点的1 组换流器称为低端换流器,远离接地点的1 组换流器称为高端换流器 9 。每极高、低端换流器分别接人5 0 0 kV和1 0 0 0 kV交流电网。逆变侧换流器配套交流滤波器也分别配置于500kV和1 0 0 0 kV交流系统。500kV交流母线极I高端换流器1000kV交流母线极I低端换流器500kV1000kV极I低端交流系统换流器交流滤波器组极II高端换流器?交流系统交流滤波器组图1 分层接入UHVDC系统受端结构图23安徽电气工程职业技术学院学报1100kV分层接入UHVDC系统主要参数如表1 所示。表1 1 1 0 0 kV分层接入特高压直流输电系统主要参数参数数值额定电压/kV1 100额定功率/MW12 000额定电流/A5455触发角参考值/15关断角参考值/17逆变侧5 0 0 kV换流变变比/kV510/228逆变侧1 0 0 0 kV换流变变比/kV第二十八卷第二期1 050/2281.2控制系统结构分层接人UHVDC系统采用了类似于CICRE标准测试模型的控制策略 。为满足逆变侧高低端换流器的控制要求，逆变侧共有4套控制系统，分别对应正、负极的高、低端换流器，每套控制系统电压测量值为对应换流器两端电压值。每极逆变侧高、低端换流器控制系统中低压限流单元输出的电流指令进行取小后输送至整流侧电流控制器，再经过比例积分控制器和限幅得到对应的触发角。2分层接入特高压直流换相失败特性分层接入UHVDC 结构的复杂性决定了其换相失败的影响因素更加复杂 1 2 。为分析分层接人UHVDC系统换相失败特点和逆变侧无功交换特性，在逆变侧5 0 0 kV换流母线设置三相短路故障，故障发生时刻为5 s,持续时间为0.1 s，可得换相失败期间逆变侧换流器阀电流如图2 所示，此时5 0 0 kV受端系统为故障层交流系统，逆变侧高端换流器为故障层换流器。121210阀1 电流阀2 电流8阀3电流64224.98 4.99 5.00 5.01 5.02 5.03 5.04 5.05 5.06（a）故障层换流器阀电流可以看出，故障层换流器换相失败起始时间为5.0 0 2 2 s，换相失败发生时阀电流为1.0 35 pu,此时换流母线电压跌幅为0.2 4pu；非故障层换相失败起始时间为5.0 0 5 6 s，阀电流则达到1.2 2 pu，比故障层换流器高0.1 8 5 pu,此时换流母线电压跌幅为0.0 6 pu。即故障层换流器换相失败的主导因素是换相电压的下降，而非故障层的主导因素是直流电流的增加。换相失败期间逆变侧换流器无功特性如图3所示。108642八24.98 4.99 5.00 5.01 5.02 5.03 5.04 5.05 5.06t/s(b）非故障层换流器阀电流图2 换相失败期间阀电流特性阀2 电流阀4电流阀6 电流t/s24鲍玉莹，朱灿，金天然，张炎：分层接入特高压直流输电系统抑制连续换相失败协调策略40003000200010000-1000-20004.9（a)故障层换流器与系统无功交换特性受端短路故障后，直流电流发生骤升，增加了故障层换流器无功消耗，此时交流电压的下降导致滤波器无功输出明显降低，因此故障层换流器将从交流系统吸收无功功率。随后，直流发生换相失败，直流电流迅速减低，故障层换流器消耗的无功功率也随之下降，滤波器向受端交流系统输送大量无功功率；随着直流电流的恢复,交流滤波器向系统输送的无功功率逐渐降低，当直流电流增大至一定水平后，换相电压提供的关断面积小于直流电流所需的关断面积，导致连续换相失败的发生。此时,若降低故障期间直流电流指令值，可以降低故障层换流阀所需叠弧面积,从而抑制连续换相失败的发生；并且降低直流电流后滤波器能够向故障层交流系统提供电压支撑，提升系统电压稳定。非故障层换流器与交流系统无功交换特性与故障层换流器相似，由于非故障层换流母线电压跌落幅度较低,换相失败期间滤波器向交流系统输出的无功幅度增加,并且非故障交流系统向故障层提供一定的无功支持。UHVDC逆变侧换流器是串联结构，非故障层换流器电流指令值和故障层换流器相同，由于故障期间非故障层换流母线电压水平高于故障层电压水平，因此降低故障期间直流指令值也可以有效抑制非故障层换流器连续换相失败的发生。3分层接入UHVDC系统换相失败协调抑制策略为抑制受端系统短路故障后UHVDC连续换相失败的发生，提出了一种适用于分层接入UHVDC系统的协调抑制策略，根据换相失败期间UHVDC逆变侧故障层换流器消耗的无功功率等于故障层滤波器无功补偿容量与受端系统间无功支援量之和，得出故障期间直流电流指令值，抑制连续换相失败的发生。UHVDC运行时,交流系统向UHVDC注人的有功功率Pac和无功功率Qa满足：(1)3UgQ.500-50-100-150-200-250-300-3505.05.1Paac3U%acW5.25.3t/s图3换相失败期间逆变侧无功特性5.45.54.9（b）逆变侧受端系统间无功交换5.05.15.2t/s5.35.4 5.5式中：Ua.为换流母线线电压；T为换流变压器变比。UHVDC直流侧和交流侧满足有功功率和无功功率平衡。对于分层接入UHVDC,逆变侧高、低端配套交流滤波器分别配置于对应交流系统中，因此高、低端换流器控制系统根据消耗的无功功率等于其对应滤波器无功补偿容量和受端交流系统间无功支援容量之和计算得出Ical和Ieal2如下所示：4(Qcl-Q ransi2)cos)-cos(,+)(2)4(Q c2+Q rans12)cos2-cos(2+2)lam=a 2(/180)a+sin2a2-sin2(a a 25安徽电气工程职业技术学院学报第二十八卷第二期式中：Uaic为理想空载直流电压，下标1 和下标2 分别对应高端和低端换流器参数值;Qci和Qc2分别为高、低端换流器对应滤波器无功补偿容量；Qrans12为高端换流器对应受端系统向低端换流器对应受端系统输送的无功功率。由于UHVDC整流侧每极仅有一套直流电流控制系统，因此需要把逆变侧高低端换流器控制系统计算得出的Ieall和Ieal2取小后得出Ieal-min作为直流电流指令值输送至整流侧定电流控制系统，即：Iel min=min(leal lea)UHVDC发生换相失败后，换流器的、y和消耗的无功功率均不断变化,根据式(3)计算得出 lal-min在短路故障发生和清除时刻发生骤变，可能导致直流电流指令的跳变，引起UHVDC再次发生换相失败。为避免控制措施的配合不当引起换相失败，在电流指令控制中加人速率限制环节，将速率限制环节输出量1 ord作为整流站定电流控制和逆变侧高、低端换流器定电流控制的输入量，保证在控制切换过程中直流电流的连续变化,防止换相失败的发生。文章提出的分层接入UHVDC系统换相失败协调抑制策略如图4所示。(3)开始闭锁判据：5msN切换电流控制指令高低端换流器分别计算Ieal、Le a 1 2对Icali和Ical2取小得leal电流变化率限制得lord作为电流指令值输入至整流侧和逆变侧高、低端换流器文NUa0.9 pu且AT10 ms文YNUaco0.1pu且AT10msLY恢复原有电流指令值结束图4分层接入UHVDC换相失败协调抑制策略流程图4算例分析仿真中在逆变侧5 0 0 kV换流母线设置三相感性短路故障，接地电感L,=0.075H,故障发生于5 s，持续时间为1 s，低压限流单元采用实际系统控制参数。两种控制策略下系统运行特性对比如图5 所示。26鲍玉莹，朱灿，金天然，张炎：分层接入特高压直流输电系统抑制连续换相失败协调策略100806040200-204.85.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6(a）故障层换流器关断角40003000200010000100020004.85.05.25.45.65.86.06.26.46.6(c)故障层换流器与系统无功交换特性图5 三相短路时不同控制策略下运行特性对比由图5(a)和图5(b)可以看出,采用基于CIGRE的控制策略时,逆变侧故障层和非故障层换流器均发生了5 次换相失败；当采取文章提出的协调抑制策略时，均只发生了1 次换相失败。由图5（c）和图5（d)可以看出,采用协调抑制策略后,故障期间故障层换流器与受端交流系统无功交换近似为零,且受端交流系统间无功交换不再振荡,逐渐稳定于2 7 0 Mvar。为验证不同程度逆变侧交流短路故障下所提协调抑制策略对故障层和非故障层换流器连续换相失败的抑制作用，文章引入故障水平fL来表示逆变侧交流系统故障的严重程度，fn表达式如下 1 3：(4)式中：Uaci为逆变侧故障层换流母线额定电压;o为系统额定角频率;Pan为UHVDC额定容量。fru值越大表明故障程度越严重。在仿真中修改L,，可得5 0 0 kV交流系统不同程度短路故障时两种策略的控制效果如表2 所示。表2 5500kV交流系统短路时不同控制策略下直流连续换相失败的次数统计表对称短路不对称短路故障水平接地电感基于 CICRE控制L/H故障层非故障层故障层非故障层故障层非故障层故障层非故障层换流器换流器换流器换流器换流器换流器换流器0.10.6630.20.3320.30.2210.40.1660.50.1330.60.111100806040200基于CIGRE控制策略协调抑制策略t/s基于CIGRE控制策略-协调抑制策略t/s000011324355基于CIGRE控制策略-204.85.0 5.25.4 5.6 5.8 6.0 6.2(b)非故障层换流器关断角500-50100150-200250-300-3504.85.05.25.45.65.86.06.26.46.6t/s(d)逆变侧受端系统间无功交换UfrL=oL,Pan协调抑制策略000011111111协调抑制策略6.4.6.6t/s一基于CIGRE控制策略协调抑制策略基于 CICRE控制000000336655协调抑制策略换流器00000000111127续表安徽电气工程职业技术学院学报对称短路故障水平接地电感基于 CIGRE 控制L/H故障层非故障层故障层非故障层故障层非故障层故障层非故障层换流器换流器换流器换流器换流器换流器换流器0.70.0950.80.0830.90.074可以看出：若采用基于CIGRE控制策略时UHVDC没有发生换相失败故障，则换相失败判据没有启动，没有切换至协调抑制策略；当交流系统故障程度较重，引起UHVDC故障层和非故障层换流器连续换相失败时，则换相失败判据启动,UHVDC切换至协调抑制策略，故障层和非故障层换流器换相失败次数均能降低为1次。同理5 0 0 kV短路故障情形，10 0 0 kV换流母线短路故障时不同控制策略下直流换相失败次数如表3所示，可以看出所提协调抑制策略可以有效抑制故障层和非故障换流器连续换相失败的发生。表3 10 0 0 kV交流系统短路时不同控制策略下直流连续换相失败的次数统计表不对称短路接地电感基于 CIGRE控制故障水平L/H0.12.6540.21.3270.30.8850.40.6630.50.5310.60.4420.70.3790.80.3320.90.2951.00.2655结论文章提出的分层接入UHVDC系统换相失败协调抑制策略，能够有效抑制直流连续换相失败。具体结论如下：（1）故障期间直流电流指令值和交流电压的配合不当导致了直流连续换相失败，优化直流电流指令值可以抑制连续换相失败的发生；（2）根据换相失败期间UHVDC逆变侧故障层换流器消耗的无功功率等于故障层滤波器无功补偿容量与受端系统间无功支援量之和，得出故障期间直流电流指令值；并在电流指令控制中加入速率限制环节，保证在控制切换过程中直流电流的连续变化，防止换相失败的发生；（3）当交流系统故障程度较重，引起UHVDC故障层和非故障层换流器连续换相失败时，则换相失败判据启动，UHVDC切换至协调抑制策略，故障层和非故障层换流器换相失败次数均能降低为1次，有效28第二十八卷第二期不对称短路协调抑制策略基于 CIGRE 控制555555对称短路协调抑制策略故障层非故障层故障层非故障层故障层非故障层故障层换流器换流器换流器换流器换流器换流器换流器00000011226655555555协调抑制策略换流器11111100000011111111111111555基于 CIGRE 控制00000044444455555555555111协调抑制策略非故障层换流器00000011111111111111111鲍玉莹，朱灿，金天然，张炎：分层接入特高压直流输电系统抑制连续换相失败协调策略抑制连续换相失败的发生。文章所提的分层接入UHVDC系统换相失败协调抑制策略为实际工程控制策略的制定提供了参考。参考文献：1刘振亚,秦晓辉,赵良，等.特高压直流分层接入方式在多馈入直流电网的应用研究J.中国电机工程学报,2 0 13,3 3(10):1-7,2 5.2徐鹏，姚为方，华雪莹，等110 0 kV换流站BOX-IN装置降噪效果的测试与分析J.安徽电气工程职业技术学院学报,2 0 2 2,2 7(2）：5 9-6 3.3 AAMIR A,QIAO L,GUO C Y,et al.Impact of synchronous condenser on the dynamic behavior of LCC-based 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