改善多直流馈入系统稳定性的VDCOL参数优化

吕思卓，杨滢，郑超，孙维真，李晶，张静

(1.中国电力科学研究院，北京市 100192；2.国网浙江省电力公司，杭州市 310007)

改善多直流馈入系统稳定性的VDCOL参数优化

吕思卓1，杨滢2，郑超1，孙维真2，李晶1，张静2

(1.中国电力科学研究院，北京市 100192；2.国网浙江省电力公司，杭州市 310007)

我国华东、华南等电网已形成多直流馈入受端电网格局，由于直流间强关联耦合作用，交流扰动将引发多直流同时换相失败、电压失稳等问题。该文首先分析了双馈入直流系统逆变站动态无功变化轨迹，揭示了通过优化低压限流环节(voltage dependent current order limiter，VDCOL)参数，实现降低总体无功功率需求的机理。根据换流母线抗扰动能力强弱对直流恢复特性的影响，提出了基于多馈入短路比(multi-infeed short circuit ratio，MSCR)的VDCOL参数优化方案，华东多直流馈入系统仿真结果表明，所提出的VDCOL参数优化方案降低了逆变站总体无功功率需求，提高了受端电网电压稳定性。

多直流馈入系统；无功特性；多馈入短路比(MSCR)；电压限流环节(VDCOL)；参数优化

0 引 言

我国一次能源与负荷中心之间呈逆向分布，为实现资源跨大区优化配置，需要利用高压直流输电(high voltage direct current transmission，HVDC) 系统对电力进行大容量远距离输送[1-2]。多回直流近电气距离接入形成多直流受端系统，受端电网发生扰动冲击后，由于换流器需要消耗大量无功功率，加之缺乏电源和动态无功功率支撑，多直流馈入受端电网存在直流连续换相失败问题和电压失稳威胁[3-5]，研究多直流馈入系统的协调控制对于提高受端电网的电压稳定性具有重要意义。

为了预防逆变器换相失败，直流控制系统配备低压限流环节(voltage dependent current order limiter，VDCOL)，当交流系统电压下降时，VDCOL强制减少直流电流指令以降低直流功率，从而减少逆变器对交流系统的无功功率需求[6]。VDCOL的合理设置对直流系统恢复影响很大，文献[7]详细分析了VDCOL参数和直流控制方式对逆变站无功功率特性的影响；文献[8-10]分别提出了基于模糊控制、自适应协调控制和变斜率控制的VDCOL参数设计方法来抑制多馈入直流输电系统后续换相失败，加快系统恢复速度，但这些控制方法计算复杂，难以适应实际电网运行方式多变的需求；文献[11]提出利用静止无功补偿器(static var compensator, SVC)和静止同步补偿器(static synchronous compensator, STATCOM)来避免多馈入直流逆变站同时发生换相失败问题，但需要增加额外投资；文献[12-13]分别通过增加延时环节和修改直流电流参考值，实现多馈入功率协调恢复，并在南方电网中进行仿真验证；文献[14]研究了多馈入短路比和多馈入交互作用因子对降低换相失败风险的作用，但是针对的是三馈入直流小系统算例。

本文详细分析逆变端交流电压波动过程中，双直流馈入系统逆变站动态无功功率消耗轨迹特征，揭示不同VDCOL参数设置对其影响机理。根据换流母线抗扰动能力强弱对直流恢复特性的影响，提出基于多馈入短路比(multi-infeed short circuit ratio，MSCR)的VDCOL参数优化方法。该方法的特点是在兼顾直流有功功率传输的同时减少逆变站总体无功功率消耗。最后针对华东多直流馈入受端电网故障进行仿真，验证该优化方法在改善多直流馈入受端电网电压稳定性方面的效果。

1 多馈入直流逆变站动态无功功率特性

1.1 仿真测试系统

为了研究多馈入直流逆变站动态无功功率特性，在电力系统机电暂态仿真软件PSD-BPA暂态稳定程序中，建立如图1所示的双馈入直流输电系统，两回特高压直流输电系统的额定电压udN均为±800 kV、额定电流idN为5 kA、额定送电功率PdN为8 000 MW。图中，Qi1、Qi2为逆变器无功功率消耗；Qf1、Qf2为滤波器输出的容性无功功率；Qc1、Qc2为逆变站从交流系统中吸收的无功功率；Es为交流系统理想电压源等值电势；Z1、Z2和Zs为交流系统等值阻抗，通过改变Z1、Z2和Zs可以得到不同强度的受端交流电网。

图1 双馈入直流逆变站动态无功测试系统Fig.1 Test system for dynamic reactive power characteristic analysis of dual-infeed HVDC inverter stations

特高压直流控制系统仿真模型采用CIGRE标准直流测试系统模型[15]，整流侧为定功率控制，逆变侧为定熄弧角控制，逆变侧VDCOL的U-I特性曲线如图2所示，参数设置为：电压低门槛值udl=0.4 pu，电压高门槛值udh=0.8 pu，直流电流最小值idl=0.55 pu，直流电流最大值idh=1.0 pu。额定运行状态下逆变站与交流系统无功功率交换为0，逆变器无功功率消耗完全由滤波器提供。设置Z1=Z2，两回直流逆变站换流母线电压相等，Zs线路上无有功功率流动，交流系统基准容量为100 MV·A。

图2 VDCOL的U-I特性曲线Fig.2 U-I characteristic curve of VDCOL

模拟交流系统理想电压源等值电势发生半周期电压跌落扰动，用以研究多直流馈入系统逆变站动态无功功率变化特性以及两回直流之间的相互影响，电压波动情况如式(1)所示：

Et(t)=Et0-ΔEtsin(ωst)

(1)

式中：Et0为电压基准值，设为1.0 pu；ΔEt为电压跌落幅值，设为0.65 pu；ωs为电压跌落速率，设为 1.571 rad/s。

1.2 VDCOL参数的影响

由文献[16]可知，VDCOL参数的取值对扰动后换流站无功功率消耗和直流传输功率具有显著影响，当逆变站母线电压跌落时，VDCOL通过限制直流电流大小实现直流系统恢复速率控制。VDCOL启动点电流idh通常取为额定值，即1.0 pu，为了使直流电流在电压下降很多时保持恒定，idl通常设置为 0.55 pu，因此，可以通过改变udh和udl来控制逆变器无功功率消耗。若将VDCOL控制曲线右移(即同时增大udh，udl)，则VDCOL功能在电压下降过程中更早启动，使无功功率消耗快速降低，有利于维持电压稳定，但增大udh和udl也会减小直流功率传输；相反，若将VDCOL控制曲线左移(即同时减小udh，udl)，可以提高故障恢复期间有功功率传输。

由于Z1=Z2，且两回直流VDCOL参数一致，逆变站母线电压跌落时，两回直流响应特性相同，将会同时从交流电网吸收大量无功功率，不利于交流电压恢复和稳定。在相同受端交流电网强度条件下，为了减少逆变站总体无功功率消耗，同时保持直流有功功率传输不变，将双馈入直流系统的VDCOL控制曲线进行左右等幅移动设置，通过改变直流系统的恢复速率，实现逆变站无功功率消耗在时间上错位分布。

对原VDCOL环节的参数进行差异化设置，优化后两回直流VDCOL环节的参数设置如下：udl1=0.25 pu，udh1=0.65 pu，udl2=0.55 pu，udh2=0.95 pu，即将HVDC1的VDCOL控制曲线左移，将HVDC2的VDCOL控制曲线右移。在逆变站电压Uc跌落过程中，各直流系统电气量的暂态响应轨迹如图3所示。

图3 单回直流逆变站主要电气量变化轨迹Fig.3 Main electrical quantities variation of single-circuit inverter station

从图3(a)所示VDCOL的U-I特性曲线可以看出，由于HVDC2的VDCOL曲线右移，当电压降低至a′点处，其VDCOL功能比HVDC1的更早启动，通过快速降低直流电流，使HVDC2逆变站消耗的无功功率大幅减少，而HVDC1逆变站的无功功率消耗增加；在电压恢复阶段，HVDC1与HVDC2逆变站的无功功率消耗呈错位分布，当Qc1减小时，Qc2增大；当Qc1增大时，Qc2减小；从图3(c)可以看出，在VDCOL功能启动后，HVDC2传输的直流功率比HVDC1的明显减少，两回直流功率传输最多相差大约10 pu，即 1 000 MW。

优化VDCOL参数前后双馈入直流输电系统逆变站总无功功率消耗和总直流功率的对比曲线如图4所示。从图4(a)可以看出，在Uc变化过程中，逆变站会从交流系统吸收无功功率，对VDCOL参数进行差异化设置后，双馈入直流输电系统逆变站总无功功率消耗最大值减少了约11 pu，即1 100 MV·A；从图4(b)可以看出，优化VDCOL参数前后直流总有功功率传输基本保持不变，不会发生由于送端直流功率无法送出产生的稳定问题。

2 多馈入直流VDCOL参数优化

2.1 电网强度评价方法

工程应用中，通常用短路比(short circuit ratio，SCR)指标来评价交流电网的强度，其计算公式为

(2)

式中：Sac为换流母线短路容量；Pd为直流传输功率；UN为换流母线电压；Z为交流系统等值阻抗。

计及多回直流之间的耦合作用后，引入多馈入短路比(multi-infeed short circuit ratio，MSCR)[17]，其计算公式为

图4 双馈入直流逆变站总无功消耗和有功传输Fig.4 Total reactive power consumption and active power transmission of dual-infeed HVDC inverter station

(3)

式中：ΔUj/ΔUi定义为多馈入影响因子(multi-infeed interaction factor，MIIF)，反映了多回直流之间的相互影响，计算方法为换流母线i施加无功功率扰动引起换流母线j的电压下降ΔUj与换流母线i的电压下降ΔUi的比值。

多馈入短路比反映了换流母线与电源之间的等值电气距离，多馈入短路比越大，则对应交流系统越强，反之则越弱[18]。通过改变图1中Z1、Z2和Zs，使HVDC1逆变侧多馈入短路比为6.0，HVDC2逆变侧多馈入短路比为3.0。在图1受端交流系统施加电压扰动，双馈入直流系统逆变站无功功率消耗和直流功率的响应轨迹如图5所示。

图5 交流电网强度对直流恢复特性的影响Fig.5 Influence of AC strengthen on DC recovery characteristics

由图5可知，交流电网强度会影响多馈入直流系统的恢复性能，由于HVDC1的多馈入短路比较大，则受端交流系统扰动引起换流母线1的电压跌落幅值较小，而换流站的无功功率变化轨迹仅与换流母线电压这一唯一变化量有关，因此该逆变站从交流系统吸收的无功功率最大值相应下降，直流有功功率传输增加。说明电网越坚强，系统动态无功功率支撑能力越强，越有利于维持逆变站母线电压稳定；反之，系统多馈入短路比越小，换流母线抗扰动能力越差，为了维持换流母线电压，逆变站需要消耗更多的无功功率，而直流有功功率传输会更少。

2.2 多馈入直流VDCOL优化方案

多直流馈入输电系统在扰动后恢复过程中，多回直流在功率同时恢复过程中需要消耗大量无功功率，当系统整体无功容量不足时可能导致电压失稳。为此本文提出基于多馈入短路比的VDCOL参数优化方法，在尽量保持有功功率不变的前提下，通过多回直流的VDCOL参数差异化设置，控制直流系统功率恢复时间，实现降低系统总无功功率需求。

具体优化方法为：对于多馈入短路比较小的电网，由于其电压支撑能力较弱，适当提高udl和udh使直流系统尽早启动VDCOL功能以维持电压稳定；对于多馈入短路比较大的电网，适当降低udl和udh，以增大故障期间直流有功功率传输。通过调整VDCOL参数可以满足在受端电网无功补偿容量一定的条件下，使直流逆变站的无功功率消耗错位分布，减少系统总的无功功率消耗，提高交直流系统的电压稳定性。

3 实际电网仿真验证

3.1 多直流馈入受端电网概况

我国华东电网是典型的多直流馈入输电系统，根据电网规划，2016年华东电网共有葛南、龙政、宜华、林枫4回高压直流输电系统和溪浙、灵绍、复奉、锦苏4回特高压直流输电系统同时运行，华东电网总直流受入功率达到39.7 GW，华东多直流馈入局部电网结构如图6所示。

图6 华东多直流馈入局部电网Fig.6 Part of multi-infeed HVDC systems in East China power grids

随着华东电网燃煤机组减少和受电比例逐年增大，受端电网发生短路故障时，会引起多回直流同时发生换相失败，逆变站从系统吸收大量无功功率，严重时可能引起电压失稳，威胁电网安全稳定运行。因此有必要研究多回直流输电系统之间的协调控制策略，以提高华东电网的稳定性。

3.2 多馈入直流VDCOL参数优化效果

2016年典型方式下，华东电网多馈入直流输电系统各逆变站的多馈入短路比如表1所示。

表1 华东直流多馈入短路比
Table 1 MSCR of multi-infeed HVDC systems in East China

根据多馈入短路比的大小对多馈入直流VDCOL参数进行差异化设置，将多馈入短路比较大的直流系统的VDCOL曲线左移，将多馈入短路比较小的直流系统的VDCOL曲线右移，优化前后各直流逆变站的VDCOL参数如表2所示。

表2 优化前后各直流VDCOL参数
Table 2 VDCOL parameters before and after optimization pu

为了验证优化VDCOL参数对系统电压稳定性的影响，在直流落点近区设置故障。1 s时泗泾—练塘线路发生三相短路且开关拒动故障，0.35 s后切除同串另一回线路，优化VDCOL参数前后林枫和葛南直流系统各电气量的仿真结果如图7、8所示。

图7 优化前后林枫直流系统仿真结果Fig.7 Simulation results of Linfeng HVDC before and after optimization

由图7、8可知，优化前逆变站发生连续换相失败且无法恢复，直流有功功率传输中断，交直流系统无法正常运行。这是因为电气距离较近的两回直流在功率恢复阶段同时从系统吸收大量无功功率，使南桥和枫泾逆变站母线电压难以快速恢复。优化后，直流系统可以恢复稳定运行。由图7(b)可以看出，故障恢复期间林枫逆变站的无功功率消耗减少了 100 MV·A，换流母线电压恢复特性明显改善，故障切除后未发生后续换相失败。可以看出，通过差异化设置VDCOL参数可以降低逆变站无功功率需求，提升受端电网的电压稳定性。

图8 优化前后葛南直流系统仿真结果Fig.8 Simulation results of Genan HVDC before and after optimization

4 结 论

(1)交流电压跌落过程中，逆变站需要从系统吸收无功功率，对VDCOL参数进行差异化设置，可以在降低对有功功率传输影响的前提下，实现直流逆变站的无功功率消耗呈错位分布，减少多直流系统逆变站总的无功功率消耗。

(2)交流电网强度影响直流系统恢复特性，多馈入短路比越大，换流母线的抗扰动能力越强，受端电网扰动期间逆变站无功功率消耗越少，直流有功功率传输越多，基于多馈入短路比的差异化VDCOL参数优化方案可以减少逆变站无功功率需求，改善受端电网的电压恢复特性。

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(编辑 张小飞)

VDCOL Parameters Optimization to Improve Multi-Infeed HVDC System Stability

LYU Sizhuo1, YANG Ying2, ZHENG Chao1, SUN Weizhen2, LI Jing1, ZHANG Jing2

(1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2.State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China)

In East China and South China power grid, it has formed the pattern that many HVDC transmission systems feed into the receiving-end grid.Because of the strong coupling of multi-infeed HVDC systems, AC voltage disturbance will lead to the commutation failure of multiple HVDC at the same time, even voltage instability.At first, this paper analyzes the inverter station dynamic reactive power change track of dual-infeed HVDC test systems, and reveals the mechanism that the optimization of voltage dependent current order limiter (VDCOL) parameters can reduce the total reactive power demand.According to the influence of resisting disturbance capacity of converter bus on DC power recovery characteristics, this paper proposes the optimization scheme of VDCOL parameter based on multi-infeed short circuit ratio (MSCR).The simulation results of East China multi-infeed HVDC systems show that proposed optimization scheme of VDCOL parameter can reduce the reactive power demand of inverter station and improve the voltage stability of receiving end of power grid.

multi-infeed HVDC system; reactive power characteristic; multi-infeed short circuit ratio (MSCR); voltage dependent current order limiter(VDCOL); parameters optimization

TM 721

A

1000-7229(2016)09-0079-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.011

2016-06-06

吕思卓(1989)，男，工学硕士，工程师，研究方向为电力系统稳定与控制；

杨滢(1980)，女，工学硕士，高级工程师，主要从事电网调度与运行等方面的研究工作；

郑超(1977)，男，工学博士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定与控制、高压直流输电、FACTS、新能源并网技术；

孙维真(1963)，男，工学硕士，高级工程师，主要从事大电网运行与控制等方面的研究工作；

李晶(1978)，女，工学硕士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定与控制；

张静(1980)，男，工学博士，高级工程师，主要从事电网稳定运行和柔性直流输电方面的研究工作。