多馈入直流系统受端故障的协调渐进恢复策略*

夏成军　黄浩宇　涂亮　洪潮

(1．华南理工大学 电力学院， 广东 广州 510640； 2．南方电网科学研究院有限责任公司， 广东 广州 510080)

多馈入直流系统受端故障的协调渐进恢复策略*

夏成军1黄浩宇1涂亮2洪潮2

(1．华南理工大学 电力学院， 广东 广州 510640； 2．南方电网科学研究院有限责任公司， 广东 广州 510080)

摘要:多馈入直流系统在交流故障后可能发生后续换相失败、无功功率需求过大及直流有功功率恢复缓慢等问题，严重时甚至会影响系统稳定性.文中分析了单回直流电压功率的恢复特性，并进一步分析了多馈入直流电压功率的恢复特性，基于多馈入有效短路比、多馈入相互作用因子及直流功率输送容量的相互联系，提出了多馈入直流系统渐进错峰有序电压功率恢复指标，并依据此指标的大小制定了各回直流先后错峰恢复的策略.提出在直流控制系统的低压限流单元设置一阶延时取小环节，并通过控制时间常数实现了此恢复策略；然后利用各回直流系统的动态无功功率峰值大小、有功功率恢复至额定值90%时所需的时间、多馈入直流系统整体动态无功功率需求，量化评估了多馈入直流恢复性能.最后在PSCAD/EMTDC上搭建受端七馈入直流模型，验证了多馈入直流协调渐进错峰恢复策略的有效性.

关键词：多馈入直流系统；错峰恢复；恢复指标；评估指标

我国能源资源和消纳逆向分布的特征，促使了“西电东送”的能源战略的形成[1- 4].直流输电以其功率调节迅速灵活、输电距离不受同步运行稳定性限制的技术优势，在我国电力流动跨区域、远距离、大规模背景下得到了广泛的应用[5- 6].截止2015年我国国家电网和南方电网分别投运了十几回和八回直流输电工程，由于东部沿海经济发达地区负荷需求用电大，多回直流均落点于同一交流受端系统(如上海、广东交流系统)，形成了规模庞大的多馈入直流输电系统(MIDC).MIDC系统受端各换流站电气耦合紧密，受端系统接受直流系统馈入功率高，使多馈入直流系统电网稳定性趋向复杂，给电网运行带来诸多新挑战[7- 10].其中故障后多回直流协调恢复策略的选择是电网稳定运行的重要问题之一，合理的恢复方案将极大地提高多馈入直流系统的安全稳定水平.

MIDC系统受端交流系统故障后，电压大幅度下降，可能引发多回直流系统同时或相继发生换相失败，且无功功率需求大(稳态无功功率需求达到额定输送功率的50%～60%，暂态需求达到60%～80%)，直流功率传输中断，严重时可能导致直流系统闭锁[11- 14].恢复期间，由于换流母线电压低，无功功率补偿设备(换流母线电容器组、SVC等)作用小，但换流器需要消耗大量无功功率，造成了系统大的无功功率缺额，若各回直流同时恢复，直流间的相互影响将造成MIDC系统更加严重的无功功率缺额，使换流母线电压持续下降，增加了系统发生持续或后续换相失败的风险，同时传输的有功功率还未恢复，瞬时功率因素小，功率输送堵塞，恢复速度慢，可能造成潮流转移，威胁系统安全稳定运行.因此对于如何减小MIDC换流器动态无功功率的需求，同时又加快直流有功功率恢复速度，如何减缓恢复期间直流间的相互作用，以何种策略协调有序恢复故障后的MIDC系统均亟需深入研究.

文献[15]中通过对低压限流单元的特性曲线进行改进，使直流电流滞后于电压恢复，达到了减小本回直流换流器无功功率消耗的目的，但其未考虑各回直流间不良的相互作用，若各换流器消耗的动态无功功率峰值到达时刻相近，系统必然会存在大量的无功功率缺额，换流站母线电压大幅下降，进而导致后续换相失败的发生.文献[8]中利用故障恢复的熄弧角控制和低压限流单元进行改进，减小了逆变侧发生换相失败的几率，实现了多回直流渐变恢复的策略，达到了多回直流动态无功功率错峰恢复的目标，但其未明确各回直流恢复的具体顺序，若受端弱的直流系统先恢复，其电压支撑能力的不足必然会导致电压波动时间长，延长了电压恢复稳定所需时间.文献[16]中提出在PI控制器中加入准稳态工作点的非线性前馈回路，对被控量交流电压在线协调控制，减小了电压波动，实现了换流器消耗动态无功功率错峰恢复，缓解了直流系统间的相互作用，但其对有功功率输送恢复速度未考虑，可能导致系统有功功率恢复稳定所需的时间太长.

为解决以上问题，文中提出了一种多馈入直流输电系统渐进有序错峰恢复策略.分析了多馈入直流恢复的外特性，利用直流落点强度、相互作用因子提出了评估各回直流恢复顺序指标，采用渐进有序恢复缓解直流系统间的相互作用，错开各换流器动态无功功率峰值出现的时间，减小了MIDC整个换流器动态无功功率的峰值，降低了后续换相失败发生的概率及缩短了直流有功功率恢复所需的时间.并且在PSCAD/EMTDC上搭建受端七馈入直流系统模型验证了其有效性.

1单回直流恢复的电压功率特性

受端交流系统大扰动后换流器发生换相失败，功率传输中断，故障清除后直流恢复性能主要体现在受端系统消耗的无功功率及有功功率的恢复速度，通常期望直流的有功功率尽快恢复且消耗动态无功功率尽可能小.

故障清除后，随着有功功率的恢复，系统无功功率的需求也开始增加，当交流电压恢复到一定值时，熄弧角超调量很大，无功功率需求到达峰值，之后熄弧角开始减小，直流电流减小，无功功率需求开始减小，从而导致直流消耗无功功率出现峰值，即出现无功功率超调量.文中测试系统采用PSCAD/EMTDC的HVDC Cigre Benchmark标准单直流i模型仿真分析恢复特性.设置换流母线三相金属短路故障，故障发生于5 s时刻，持续时间100 ms，结果如图1所示.

图1　Cigre Benchmark标准单回直流恢复特性测试

Fig.1Test of single DC recovery features on Cigre Benchmark model

图1中：Ti,Q为动态无功功率峰值出现的时间；Ti,p为直流有功功率恢复至额定值90%的时间；ΔQi为直流消耗的无功功率超调量，其表示为直流消耗的动态无功功率峰值与稳态无功功率需求差值大小与稳态值比例，其表达为

(1)

式中，Qi,max为直流恢复期间动态无功功率峰值需求量；Qi,ste为稳态时无功功率需求量.

系统消耗无功功率超调量ΔQi大，必然会造成换流器过大的无功功率缺额，易产生电压大幅度的波动，因而其值应尽可能小.直流功率恢复至额定值90%所需时间Ti,p反映了换流器输送功率恢复到稳态所需时间，其值也应尽可能小.因而对于单回直流的恢复，通常期望无功功率超调量ΔQi尽可能小，同时直流有功功率恢复时间Ti,p尽量短.

2多馈入直流恢复策略

对于多馈入直流系统，任意一回直流系统其恢复特性与单回直流系统在宏观上类似，细节上各回直流恢复性能又有所差异，由于“木桶效应”，MIDC恢复性能必然体现在恢复特性最差的直流上.且各回直流联系紧密，恢复期间必然存在相互影响，其中多馈入相互作用因子能体现直流间的相互作用，可通过其展开恢复期间相互影响研究.因而对于多馈入直流系统的恢复特性，一方面要减小系统中暂态无功功率需求缺额最大的直流系统，缩短有功功率恢复时间最长的直流系统；另一方面要减缓直流间的相互作用，采取协调有序错峰恢复.文中展开直流恢复策略研究.

2.1多馈入直流有序恢复强度指标

多馈入有效短路比(MIESCR)[17]是评估直流落点交流系统强度的指标，反映了落点交流系统对本回直流电压支撑能力的大小；而多馈入相互作用因子(MIIF)作为直流间的纽带，是衡量多馈入直流系统中不同直流相互作用强度的指标，反映了各直流间联系的紧密程度[5]，其值越大耦合越紧密，直流间的相互作用越强.

第j回直流对i回直流落点交流系统的短路容量影响程度为

(2)

(3)

标幺化得

(4)

直流系统落点交流系统强度MIESCR反映了本回直流落点电压支撑能力的大小，其值越大对本回直流电压及有功功率支撑能力越强.但是其无法反映对MIDC系统其他直流系统支撑能力的大小，故需对其作修正，需提出新指标来涵盖其对整体系统的电压及有功功率支撑能力.多馈入直流电压功率恢复强度指标(DRI)构建过程如下所示：

(5)

将式(4)代入得

(6)

以下通过HVDC Cigre Benchmark直流标准模型建立受端双馈入直流PSCAD/EMTDC测试模型.建立耦合阻抗，其中，两回直流恢复指标DRI2>DRI1，其余参数不变，如表1所示.

表1　双馈入直流测试系统参数

在DC2的换流母线处发生三相故障，接地电阻10 Ω，5 s时刻发生，故障持续5个周波.对比3种不同恢复次序下的系统恢复响应，结果如图2所示.

图2Cigre Benchmark双馈入模型3种恢复次序动态响应对比

Fig.2Dynamic response comparision of three recovery strategies on Cigre Benchmark double-infeed DC system

由图2可知，DC2先恢复时，两回直流换流母线电压波动最小，输送有功功率恢复速度最快，且换流器消耗的动态无功功率峰值过大的问题也基本能得到改善，提高了系统的恢复性能.故采用渐进有序恢复时，应当按直流有序恢复强度指标大小来先后恢复各回直流系统.

2.2渐进有序错峰恢复的实现方案

为实现MIDC系统各回直流协调有序恢复策略，文中在各回直流的低压限流控制单元中设置一节延时并取小环节，如图3所示，其中取小模块可确保延时环节只在电流提升时起作用，调节直流电流的恢复速度，达到协调各回直流电流有序恢复的目的.延时取小环节时间常数越大，恢复速度越慢，反之越快，因而通过改变时间常数能够调节各回直流故障后恢复速度.各回直流错峰协调恢复后直流电流控制变化效果如图4所示.

图3　电流延时取小环节示意图

图4　错峰渐进复策略中直流的电流指令值

Fig.4Current reference of DC systems on stategy recovery of stragger peak

图4中，曲线0为未加延并取小环节时直流电流指令值的恢复曲线，曲线1、2、3分别为设置延时时间常数为TD1、TD2、TD3时的恢复曲线，tfau、trec分别为故障发生和切除时刻，t1、t2、t3分别为各回直流系统电流指令值恢复至额定值时刻.

3多馈入直流恢复性能评估

单回直流的恢复特性体现于电压过冲后产生的动态无功功率峰值、功率恢复需要的时间及后续换相失败是否发生.对于多馈入直流系统，每回直流电压功率恢复特性从局部上体现了系统的恢复特性，但是整体系统恢复特性是由恢复效果最差的电压功率所决定，体现于恢复期间各回直流中最大的无功功率缺额、最长恢复时间及发生后续换相失败的直流,同时需要考虑各回直流相互影响下系统整体动态无功功率的缺额.

直流系统的动态无功功率缺额量化为无功功率超调量ΔQi，如式(1)所示，则多馈入系统中量化最大无功功率超调量ΔQpeak为

(7)

即为各回直流中最大的无功功率缺额.各回直流中功率最晚恢复至额定值90%所需时间记为Tp.系统无功超调量ΔQsum反映多馈入直流整体系统的动态无功功率缺额.式(7)中，Tj,p为故障切除后第j回直流输送有功功率恢复至额定值90%所需时间，Qsum,ste、Qsum,max分别为多馈入系统稳态无功功率需求与动态无功功率峰值需求.

对于直流系统最大无功功率超调量ΔQpeak，恢复期间其值越大，换流器消耗的无功功率越大，换流母线电压震荡越剧烈，电压稳定裕度越小，同时其对换流器冲击越强，缩短换流器使用寿命，故其值应尽可能小.

对于直流功率恢复至额定值90%所需时间Ti,p，反映换流器输送功率恢复到稳态所需时间，其越小系统调节恢复稳定越快.

对于系统无功功率超调量ΔQsum，整个系统所需的无功功率与换流母线配备的电容器组有关，若系统无功功率缺额越大，无功功率补偿裕度越小，所需的电容器组容量越大，换流器间相互支援能力越小.

4仿真验证

在电磁暂态软件PSCAD/EMTDC上建立受端七馈入直流输电详细模型.

依据式(6)计算各回直流恢复指数DIRi，如直流DC1计算过程：

2.63×[3 000×(0.289+0.452)+0.195×1 800+

4 800×0.336+2 800×0.521]/22 400=0.663.

各回直流的恢复指数计算结果统计于表3.

表3　直流恢复强度

由表3可知，依据渐进错峰恢复因子DIR大小，各回直流系统渐进恢复顺序为：DC4、DC7、DC3、DC2、DC6、DC1及DC5直流.延时取小环节时间常数设定为0～60 ms，每10 ms取一个点.

交流系统最严重故障为换流母线金属性短路，文中以DC1回直流受端换流母线三相金属性故障展开恢复特性分析，25 s发生故障，持续时间5个周波(100 ms).故障发生后各回直流中单回直流无功功率超调量最大的为DC1、有功功率恢复所需时间最长为DC1，因而其恢复过程中是多馈入直流系统恢复中“木桶效应”的最短板，决定了多馈入直流的恢复性能，其常规恢复与基于DIR渐进错峰恢复的评估指标结果如表4所示.

表4　多馈入直流恢复特性

常规恢复与基于DIR协调错峰恢复的DC1回直流恢复特性对比如图5所示.图5(a)为故障后DC1直流受端换流母线电压恢复曲线，显然采用基于DIR渐进错峰恢复时，换流母线电压能更早恢复稳定，电压稳定性更优.由图5(b)可知采用渐进有序恢复时，减小了发生后续换相失败的几率.图5(c)为输送有功恢复最慢的直流系统，有功功率恢复在0～0.8(p.u)阶段常规恢复速度更快，但是DC1直流动态无功功率峰值需求更大，反而延缓了0.8～0.9(p.u)阶段有功功率的恢复，需要217 ms(以故障切除时刻开始计时)才恢复至额定值的90%，基于DIR渐进错峰恢复有功功率恢复时间更短，仅需186 ms，加快了多馈入直流系统恢复的速度.图5(d)为两种恢复策略下单回直流最大无功功率超调量对比图，基于DIR渐进错峰恢复，大幅度减小了单回直流的最大无功功率超调量，DC1直流的无功功率超调量由37.43%减小为14.3%，DC1的超调量不再是各回直流中的最大值，而是DC5直流，如表4所示为24.1%，单回直流最大无功功率需求量减少，提高了系统电压功率的稳定性.图5(e)为多馈入系统整体动态无功功率需求对比，常规恢复时由于各回直流动态无功功率峰值出现时间较近，叠加导致系统出现很大的无功功率峰值，无功功率超调量为25.40%；采用优化错峰恢复策略时，控制了各回直流动态无功功率峰值出现的时间，使系统无功功率超调量减小为15.63%，提高了多馈入系统无功功率电压稳定性.

图5　不同恢复策略下的恢复特性对比

Fig.5Comparision of recovery feature under different recovery strategies

5结论

文中针对多馈入直流受端故障后的恢复响应，分析了多馈入直流电压功率特性，提出了一种协调有序恢复方案，减小了恢复期间直流系统动态无功功率缺额，缩短了有功功率恢复所需时间，减小了后续换相失败发生的几率.得到结论如下.

(1)故障后各回直流恢复期间动态无功功率会呈现单峰值，各回直流无功功率缺额最大可达额定输送功率的0.8 p.u；恢复期间输送的有功功率单调递增直至恢复到额定值.

(2)多馈入直流未协调恢复时，直流间的相互作用使得系统无功功率缺额大，且各回直流几乎同时出现动态无功功率峰值，进一步增大了系统动态无功功率缺额，加大了直流发生后续换相失败的风险，且有功功率恢复时间长达200 ms以上.

(3)提出的多馈入直流电压功率恢复指标的物理含义明确，其反映了各回直流恢复对整体系统的支撑能力，各回直流错峰恢复次序明确.

(4)协调有序错峰恢复方案减缓了各回直流之间的相互影响，错开了直流消耗动态无功功率峰值出现的时间，使系统出现几个小的峰值，避免了各回直流峰值叠加产生一个大的无功功率峰值，减小了系统最大无功功率需求，使电压的波动小.同时减小了后续换相失败发生的几率，缩短了输送功率恢复至额定所需的时间.

参考文献：

[1]王贺楠，郑超，任杰，等.直流逆变站动态无功轨迹及优化措施 [J].电网技术，2015，39(5)：1252- 1260.

WANG He-nan，ZHENG Chao，REN Jie，et al.Dynamic reactive power trajectory of HVDC inverer Station and its optimization measures [J].Power System Technology，2015，39(5)：1252- 1260.

[2]郭小江，郭剑波，王成山.考虑直流输电系统外特性影响的多直流馈入短路比实用计算方法 [J].电网技术，2015，35(9)：2143- 2151.

GUO Xiao-jiang，GUO Jian-bo，WANG Cheng-shan.Practical calculation method for multi-infeed short circuit ratio influenced by characteristics of external characteristics of DC system [J].Proceedings of the CSEE，2015，35(9)：2143- 2151.

[3]郑超，马世英，盛灿辉，等.以直流逆变站为动态无功源的暂态电压稳定控制 [J].中国电机工程学报，2014,34(34)：6141- 6149.

ZHENG Chao，MA Shi-ying，SHENG Can-hui，et al.Transient voltage stability control based on the HVDC inverter station acting as dynamic reactive source [J].Proceedings of the CSEE,2014,34(34)：6141- 6149.

[4]邵瑶，汤涌.多馈入直流系统交互作用因子的影响因素分析 [J].电网技术，2013，37(3)：794- 799.

SHAO Yao，TANG Yong.Analysis of influencing factors of multi-infeed HVDC system interaction factor [J].Power System Technology，2013,37(3)：794- 799.

[5]肖俊，李兴源.多馈入和多端交直流系统相互作用因子及其影响因素分析 [J].电网技术，2014，38(1)：1- 7.XIAO Jun，LI Xing-yuan.Analysis on multi-infeed interaction factor of multi-infeed AC/DC system and multi-terminal AC/DC system and its influencing factor [J].Power System Technology，2014，38(1)：1- 7.

[6]邵瑶，汤涌.多馈入交直流混合电力系统研究综述 [J].电网技术，2009，33(17):24- 30.

SHAO Yao，TANG Yong.Current situation of research on multi-infeed AC/DC power systems [J].Power System Technology，2009，33(17):24- 30.

[7]王晶，梁志峰，江木，等.多馈入直流同时换相失败案例分析及仿真计算 [J].电力系统自动化，2015，39(4)：141- 146.

WANG Jing，LIANG Zhi-feng，JIANG Mu，et al.Case analysis and simulation of commutation failure in multi-infeed HVDC transmission systems [J].Automation of Electric Power Systems，2015，39(4)：141- 146.

[8]林伟芳，汤涌，卜广全.多馈入交直流系统电压稳定性研究 [J].电网技术，2008，32(11):7- 12.LIN Wei-fang，TANG Yong，BU Guang-quan.Study on voltage stability of multi-infeed HVDC power transmission system [J].Power System Technology，2008，32(11):7- 12.[9]汪娟娟，张尧，夏成军，等.交直流电力系统暂态电压稳定性综述 [J].电网技术，2008，32(12)：30- 34.

WANG Juan-juan，ZHANG Yao，XIA Cheng-jun，et al.Survey of studies on transient voltage stability of AC/DC power system [J].Power System Technology，2008，32(12):30- 34.

[10]李峰,张勇军,张豪，等.无功电压调控失配风险评估及其系统开发 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2013,41(5)：99- 104.

LI Feng，ZHANG Yong-jun，ZHANG Hao，et al.Risk evaluation of reactive power/voltage control mismatch and corresponding system development [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2013,41(5):99- 104.

[11]邵瑶，汤涌.采用多馈入交互作用因子判断高压直流系统换相失败的方法 [J].中国电机工程学报,2012,32(4)：108- 114.

SHAO Yao，TANG Yong.A commutation failure detection method for HVDC systems based on multi-infeed interaction factors [J].Proceedings of the CSEE，2012,32(4)：108- 114.

[12]RAHIMI E，GOLE A M，DAVIES J B,et al.Commutation failure analysis in multi-infeed HVDC systems [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(1)：378- 384.

[13]CIGRE Working Group B4.41.Systems with multiple DC infeed[R].Paris：CIGRE，2008.

[14]PAULO Fischer de Toledo，BERNT Bergdahl，GUNNAR Asplund.Multiple infeed short circuit ratio-aspects related to multiple HVDC into one AC network [C]∥Proceedings of IEEE/PES Transmission and Distribution Conference & Exhibition.Dalian:[s.n.]，2005.

[15]王珂，杨卫东，方勇杰，等.有利于多馈入直流输电系统协调恢复的VDCOL控制策略研究 [J].江苏电机工程,2007，26(1):1- 4.

WANG Ke，YANG Wei-dong，FANG Yong-jie.et al.Study of VDCOL control strategies for coordinated reco-very of multi-feed-in HVDC system [J].Jiangsu Electrical Engineering，2007，26(1):1- 4.

[16]杨卫东，徐政，韩祯祥.多馈入直流输电系统的协调恢复策略 [J].电力自动化设备，2002，22(11)：63- 66.YANG Wei-dong，XU Zheng，HAN Zhen-xiang.Coordinated recovery strategy for multi-infeed HVDC systems [J].Electric Power Automation Equipment，2002，22(11)：63- 66.

[17]林伟芳，汤涌，卜广全.多馈入交直流系统短路比的定义与应用 [J].中国电机工程学报，2008，28(31)：1- 8.

LIN Wei-fang，TANG Yong，BU Guang-quan.Definition and application of short circuit ratio for multi-infeed AC/DC power systems [J].Proceedings of the CSEE，2008，28(31)：1- 8.

Coordinated and Progressive Recovery Strategy for Failure at Receiving End of Multi-Infeed DC Systems

XIACheng-jun1HUANGHao-yu1TULiang2HONGChao2

(1.School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong,China;2.Electric Power Research Institute, China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, Guangdong, China)

Abstract:In multi-infeed DC systems, there exist subsequent commutation failure, excessive reactive power demand and slowDC power recovery after the failure of AC systems, which probably further degrades the stability of the system. In order to solve this problem, the voltage-active power recovery characteristics of both the single-infeed and the multi-infeed DC systems are analyzed, and a progressive staggering recovery index of multi-infeed DC systems is put forward based on the relationship among multi-infeed effective short-circuit ratio, multi-infeed interaction factor and DC power transmission capacity. Afterwards,according to the value of this index, a staggering recovery strategy for the subsystems of multi-infeed DC systems is formulated. The proposed strategy is then realized by setting a first-order lag after the voltage-dependent current order limiter of each DC system and by controlling the time constant. Moreover, by using the dynamic reactive power peak size, the time consumption for 90% of active power recovery and the whole reactive power demand of multi-infeed DC systems, the recovery performance of the multi-infeed DC system is quantized. Finally, a simulation system with seven-infeed DC receiving end is constructed on PSCAD/EMTDC to verify the effectiveness of the proposed multi-infeed DC coordinated and progressive staggering recovery strategy.

Key words:multi-infeed DC system; staggering recovery; recovery index; evaluation index

收稿日期:2015- 08- 04

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51577071)；广东省自然科学资金资助项目(2015A030313202)

Foundation items: Supported by National Natural Science Foundation of China(51577071) and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2015A030313202)

作者简介:夏成军(1974-)，男，博士，副教授，主要从事电力系统分析运行与控制、HVDC与FACTS研究.E-mail:cjxia@scut.edu.cn

文章编号:1000- 565X(2016)04- 0047- 08

中图分类号：TM 732

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.04.008