Multi-Infeed HVDC中不同混合结构的子系统运行特性研究

梅永振，王海云，李阳

（教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心（新疆大学电气工程学院），新疆乌鲁木齐 830047）

Multi-Infeed HVDC中不同混合结构的子系统运行特性研究

梅永振，王海云，李阳

（教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心（新疆大学电气工程学院），新疆乌鲁木齐 830047）

基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立了多馈入高压直流系统的3种不同混合输电结构的子系统，通过连于受端弱交流系统，研究了3种子系统的暂态运行特性，仿真结果表明：与传统高压直流输电系统相比，含VSC的子系统在抑制换相失败、缩短故障恢复时间等方面具有明显的优势。而且，随着电力电子器件的快速发展，VSC的成本逐渐降低，含H-HVDC的多馈入系统将成为以后电网新建和已有电网改造升级的可行方案。

多馈入高压直流输电系统；换相失败；混合高压直流输电系统

随着我国用电需求的快速增长，加之“西电东送、南北互供、全国联网”战略的全面推进，用电需求量较大的负荷中心已形成多条HVDC输电系统接入的电网架构，与其所馈入的受端交流电网形成多馈入直流输电系统（multi-infeed system，Ml system）[1-5]。根据国家交直流电网规划，未来几年，落点华东电网中的高压直流输电线路将达8回以上，其中落点广东电网的高压直流输电线路将达5回以上；落点南方电网高压直流输电线路将达7回以上。与单馈入输电系统相比，多馈入直流输电系统输送容量更大，供电能力更强，已经成为我国实施“西电东送、南北互供、全国联网”战略的重要解决方案[6-9]。多馈入高压直流输电系统主要有以下3种子系统构成：1）子系统都是由传统高压直流输电系统（LCCHVDC）构成；2）子系统由传统高压直流输电系统（LCC-HVDC）和含有电压原型换流器的高压直流输电系统（VSC-HVDC）构成；3）子系统由传统高压直流输电系统（LCC-HVDC）和整流侧采用LCC、逆变侧采用VSC的混合高压直流输电系统（HHVDC）。

目前，国内外相关学者已经对单馈入LCC-HVDC、双馈入LCC-HVDC做了一定的研究，近来一些学者对H-HVDC运行特性也做了相关研究。文献[10-12]分析了STATCOM对传统高压直流输电系统暂态、稳态特性的影响，在STATCOM控制环节，通过投入交流电压参考值调节功能，有效地降低了换相失败的发生概率。文献[13-14]讨论了多馈入短路比及多馈入广义短路比的定义，并验证了基于多馈入短路比指标来评价系统运行特性的正确性。文献[15]通过分析PV和QV的仿真波形，探究了混合高压直流输电对系统运行特性的影响，指出VSC-HVDC接入弱交流系统的优势以及独立控制有功、无功的能力。文献[16-18]研究了VSC-HVDC系统在可再生能源发电中的应用，由于VSC-HVDC的换流器采用全控型电力电子器件，其不会发生换向失败，能独立控制有功、无功功率的传输方向，因此提高了可再生能源发电并网的能力。综合国内外诸多研究，许多学者都集中在特定一种输电形式的研究中，而未考虑现实生活中已存在的多馈入系统，未研究对其运行特性进行改善，子系统需何种混合运行方式以及新建多馈入系统中子系统的混合方式。

本文通过PSCAD/EMTDC仿真软件建立了多馈入直流系统的3种混合直流输电结构的子系统，其除换流器位置、种类不同外，其余直流电路参数、系统容量均相同。考虑短路比、多馈入交互因子、受端交流系统强度等因素，仿真分析故障状态下3种子系统的运行特性。仿真结果表明VSC-HVDC的馈入有效地改善了Mutli-infeed HVDC系统的运行特性，在馈入受端为弱交流系统时，VSC-HVDC的优势更加突出，尤其由H-HVDC馈入形成的mutli-infeed HVDC系统，有效地提高了抵御换相失败的能力，降低了换相失败的发生率，缩短了故障恢复时间，从而改善了mutli-infeed HVDC系统的稳态和暂态运行特性。

1 mutli-infeed HVDC系统中子系统的建立

本文在PSCAD/EMTDC仿真环境下建立3种混合结构的子系统。文章中涉及到的LCC-HVDC均采用CIGRE HVDC标准模型中的参数，其容量为1 000 MW，直流电压为500 kV；VSC-HVDC和HHVDC系统的容量设定为300 MW，直流电压为220 kV。随着馈入同一点的直流线路的增多，直流输电的容量不断增大，很可能造成受端为弱交流系统，因而将增大mutli-infeed HVDC系统的换相失败及其连续换相失败的发生概率。根据前人研究可得：受端交流系统的强弱与系统的短路比（SCR）有关，当SCR大于3时，系统为强系统，对系统的动态稳定没有影响，也不会引起过电压和连续换相失败的现象；当SCR介于2和3之间时，系统强度一般，此时多馈入模式下直流输电系统仍可以稳定运行；当SCR小于2时，系统为弱系统，尤其在LCC-HVDC运行时，若发生小干扰故障，系统将会发生暂态过电压、连续换相失败，严重影响系统的稳定运行。为探究3种混合结构子系统的稳定运行特性，将3种多馈入直流系统连于若干交流系统，系统SCR设为1.9[19-27]。3种子系统混合结构简图如图1所示。

图1 子系统不同混合结构原理简图Fig.1 The principle diagram of different hybrid structure of the subsystem

2 子系统的仿真与分析

2.1 LCC-HVDC双馈入子系统的运行分析

此mutli-infeed HVDC的子系统是由2条LCCHVDC组成，2条LCC-HVDC的整流器均采用定直流电流控制，逆变器均采用定熄弧角控制，且熄弧角（γ）等于15°[28]。设定系统在2.1 s时发生故障，运行系统，研究第一条LCC-HVDC（1 000 MW）运行特性，仿真结果如图2所示。

从图2仿真结果可得：LCC-HVDC双馈入子系统在2.1 s时发生短路故障，整流侧、逆变侧直流电压迅速下降，整流侧直流电压跌落至-1.1 pu；直流电流出现大幅度波动，尤其逆变侧电流值的冲击达到2.5 pu，系统出现连续换相失败现象，故障恢复时间约为0.5 s。由于电网换相变流器（LCC）使用无自行关断能力的晶闸管，加之子系统馈入弱交流系统，加大了发生换相失败的可能性，甚至促发连续换相失败的产生。

图2 第一条LCC-HVDC的暂态运行特性Fig.2 The transient characteristics of the first LCC-HVDC

2.2 LCC-HVDC和VSC-HVDC双馈入子系统的仿真分析

该子系统由1 000 MW的LCC-HVDC和300 MW的VSC-HVDC构成，LCC-HVDC输电系统的整流侧仍采用定直流电流控制、逆变侧为定熄弧角控制；VSC-HVDC输电系统的送端采用定有功功率和定无功功率控制、受端采用定直流电压控制和定无功功率控制。设定系统在2.1 s时发生故障，运行系统，研究LCC-HVDC（1 000 MW）的运行特性。仿真结果如图3所示。

从仿真结果图3可以得到：系统在2.1 s时发生短路故障，系统整流侧、逆变侧的电压和电流值出现波动，直流电压波动值在0.5 pu左右，直流电流波动值在1.0 pu左右，其持续时间约为0.5 s，较LCCHVDC双馈入输电子系统相比，LCC-HVDC和VSCHVDC双馈入子系统一定程度上改善了电压、电流的波形。VSC-HVDC输电系统是由可关断电力电子器件构成，可以独立调节有功、无功功率，并且本身不存在发生换相失败的可能，当受端交流系统发生短路故障时，VSC-HVDC对交流母线的电压具有一定的支撑能力，抵御LCC-HVDC发生换相失败，改善系统运行特性，提高电能质量。

图3 LCC-HVDC的暂态运行特性Fig.3 The transient characteristics of LCC-HVDC

2.3LCC-HVDC和H-HVDC混合子系统的仿真分析

该子系统是由一条LCC-HVDC输电线路和一条H-HVDC输电线路组成，LCC-HVDC的容量仍然是1 000 MW，其整流侧控制方式为定直流电流控制、逆变侧为定熄弧角控制；H-HVDC输电线路的整流侧为LCC、逆变侧为VSC，其容量为300 MW，整流侧采用定直流电流控制、逆变侧为定直流电压控制和定无功功率控制[29-30]。设定子系统在2.1 s时发生短路故障，运行系统，研究LCC-HVDC（1 000 MW）的运行特性。仿真结果如图4所示。

通过仿真可知，子系统在2.1 s时发生短路故障，与LCC-HVDC、VSC-HVDC双馈入子系统的仿真结果相比较，混合系统的直流电压、电流的波动幅值较小，与图3相比较，电压波动幅值降低了约0.4 pu，逆变侧冲击电流降低了约0.2 pu，同时缩减了故障恢复时间，提高了系统的稳定运行特性。

图4 LCC-HVDC的暂态运行特性Fig.4 The transient characteristics of LCC-HVDC

3 结语

本文基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立了多馈入直流系统的3种不同混合输电结构的子系统，通过连于受端弱交流系统，研究了3种子系统的运行特性，仿真结果表明：与传统高压直流输电系统相比，含VSC的子系统在抑制换相失败、缩短故障恢复时间等方面具有明显的优势。

含H-HVDC的子系统结合了LCC-HVDC和VSCHVDC的两者优势，既降低了VSC系统的开关损耗，也提高了LCC系统的抵御换相失败的能力，加快了故障恢复速率，改善了系统的暂态运行特性，提高了系统的电能质量。加之近几年来，随着电力电子器件的快速发展，VSC的成本逐渐降低，含H-HVDC的多馈入系统将成为以后电网新建和已有电网改造升级的可行方案。

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].2版.北京：中国电力出版社，2004：9-11.

[2]徐政.交直流电力系统的动态行为分析[M].北京：机械工业出版社，2004：39-44.

[3]CHAUDHARY S K，GUERRERO J M，TEODORESCU R.Enhancing the capacity of the AC distribution system using DC interlinks-a step toward future DC grid[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2015，6（4）：1722-1729.

[4]郑欢，江道灼，杜翼.交流配电网与直流配电网的经济性比较[J].电网技术，2013，37（12）：3368-3374.ZHENG Huan，JIANG Daozhuo，DU Yi.Economic comparison of AC and DC distribution system[J].Power System Technology，2013，37（12）：3368-3374（in Chinese）.

[5]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].中国电机工程学报，2015，35（9）：2143-2151.GUO Xiaojiang，GUO Jianbo，WANG Chengshan.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（in Chinese）.

[6]黄弘扬，徐政，许烽.多馈入直流输电系统短路比指标的有效性分析[J].电力自动化设备，2012，32（11）：46-50.HUANG Hongyang，XU Zheng，XU Feng.Effectiveness of short circuit ratio index for multi-infeed HVDC system[J].Electric Power Automation Equipment，2012，32（11）：46-50（in Chinese）.

[7]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.Research survey on multiinfeed AC/DC hybrid power systems[J].Power System Technology，2009，33（17）：24-30（in Chinese）.

[8]杨卫东，徐政，韩祯祥.多馈入交直流电力系统研究中的相关问题[J].电网技术，2000，24（8）：13-17.YANG Weidong，XU Zheng，HAN Zhenxiang.Special issues and suggestions on multi-infeed AC/DC power systems[J].Power System Technology，2000，24（8）：13-17（in Chinese）.

[9]陈树勇，徐林岩，孙栩，等.基于多端柔性直流输电的风电并网控制研究[J].中国电机工程学报，2014（34）：32-38.CHEN Shuyong，XU Linyan，SUN Xu，et al.The control of wind power integration based on multi-terminal high voltage DC transmission with voltage source converter[J].Proceedings of the CSEE，2014（34）：32-38（in Chinese）.

[10]赵成勇，李丹，刘羽超，等.含有STATCOM的高压直流输电系统控制方法[J].高电压技术，2014，40（8）：2440-2448.ZHAO Chengyong，LI Dan，LIU Yuchao，et al.Control method for HVDC system with STATCOM[J].High Voltage Engineering，2014，40（8）：2440-2448（in Chinese）.

[11]梅永振，王海云，常鹏，等.STATCOM对输电系统及受端电能质量的影响[J].电网与清洁能源，2016，32（8）：1-6.MEI Yongzhen，WANG Haiyun，CHANG Peng，et al.Influences of STATCOM on power quality of transmission system and teceiving-end[J].Power System and Clean Energy，2016，32（8）：1-6（in Chinese）.

[12]郭春义，张岩坡，赵成勇，等.STATCOM对双馈入直流系统运行特性的影响[J].中国电机工程学报，2013，33（25）：99-106.GUO Chunyi，ZHANG Yanpo，ZHAO Chengyong，et al.Impact of STATCOM on the operating characteristics of double-infeed HVDC system[J].Proceedings of the CSEE，2013，33（25）：99-106（in Chinese）.

[13]郭小江，汤涌，郭强，等.CIGRE多馈入直流短路比指标影响因素及机理[J].电力系统保护与控制，2012，40（9）：69-74.GUO Xiaojiang，TANG Yong，GUO Qiang，et al.Influence factors and theory for CIGRE MISCR index[J].Power System Protection and Control，2012，40（9）：69-74（in Chinese）.

[14]辛焕海，章枫，于洋，等.多馈入直流系统广义短路比：定义与理论分析[J].中国电机工程学报，2016，36（3）：633-644.XIN Huanhai，ZHANG Feng，YU Yang，et al.Generalized short circuit ratio for multi-infeed DC systems：definition and theoretical analysis[J].Proceedings of the CSEE，2016，36（3）：633-644（in Chinese）.

[15]AZIMOH L C，FOLLY K，CHOWDHURY S P，et al.Investigation of voltage and transient stability of HVAC network in hybrid with VSC-HVDC and HVDC link[C]//the 45th International UPEC Conf，Cardiff，Wales，2010：1-6.

[16]于永生，冯延晖，江红鑫，等.考虑风能随机性的VSCHVDC风电并网优化方法研究[J].电网与清洁能源，2016，32（1）：75-84.YU Yongsheng，FENG Yanhui，JIANG Hongxin，et al.Optimization of wind farm grid integration via VSC-HVDC considering randomness of wind energy[J].Power System and Clean Energy，2016，32（1）：75-84（in Chinese）.

[17]HAILESELASSIE T M，TORRES-OLGUIN R E，VRANA T K，et al.Main grid frequency support strategy for VSCHVDC connected wind farms with variable speed wind turbines[J].IEEE Trondheim Power Tech，2011：1-6.

[18]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 Xingyuan.Analysis on multi-infeed interaction factor of multi-infeed AC/DC system and multiterminal AC/DC system and its nfluencing factor[J].Power System Technology，2014，38（1）：1-7（in Chinese）.

[19]AHMED N，ANGQUIST L，MEHMOOD S，et al.Efficient modeling of an MMC-based multiterminal DC system employing hybrid HVDC breakers[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2015，30（4）：1792-1801.

[20]AKHMATOV V，CALLAVIK M，FRANCK C M，et al.Technical guidelines and prestandardization work for first HVDC grids[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29（1）：327，335.

[21]BUCHER M K，FRANCK C M.Contribution of fault current sources in multiterminal HVDC cable networks[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2013，28（3）：1796-1803.

[22]CAPITANESCU F，OCHOA L F，MARGOSSIAN H，et al.Assessing the potential of network reconfiguration to improve distributed generation hosting capacity in active distribution systems[J].IEEE Transactions on Power Systems，2015，30（1）：346-356.

[23]CHEN Xiuyu，GOLE A M，HAN Minxiao，et al.Influence of the MIIF index on operation of multi-infeed HVDC systems[C]//Electrical Power and Energy Conference，Winnipeg：IEEE，2011：216-221.

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

[25]ZHANG Xiaohu，CHEN Chen.Maximum available power ofmultiinfeed HVDC system analyzed by sensitivity method[J].IET Gen，2014，8（3）：473-479.

[26]DENIS L H A，ANDERSSON G.Voltage stability analysis of multi-infeed HVDC systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12（3）：1309-1318.

[27]WEN B，BOROYEVICH D，BURGOS R，et al.Analysis of D-Q small-signal impedance of grid-tied inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（1）：675-687.

[28]董浩宇，吕泉，朱全胜，等.哈郑直流投运后河南电网事故备用适应性及应对策略[J].电网与清洁能源，2016（7）：30-37.DONG Haoyu，LÜ Quan，ZHU Quansheng，et al.Adap-tability and countermeasures for contingency reserve of henan grid integrated with UHVDC transmission line from hami to Zhengzhou[J].Power System and Clean Energy，2016（7）：30-37（in Chinese）.

[29]陈博怡，李兴源，胡永银，等.混合直流输电控制策略研究[J].高压电器，2016（1）：118-123.CHEN Boyi，LI Xingyuan，HU Yongyin，et al.Research of control strategies for hybrid HVDC[J].High Voltage Apparatus，2016（1）：118-123（in Chinese）.

[30]MANOHAR P，KELAMANE V，KAUSHIK D，et al.Improved controls for LCC-VSC hybrid HVDC system[C]//2013 International Conference on Circuits，Controls and Communications（CCUBE）.Bengaluru，IEEE，2013：1-5.

Study on the Operating Characteristics of the Subsystem with Different Hybrid Structures in Mutli-Infeed HVDC

MEI Yongzhen，WANG Haiyun，LI Yang
（Ministry of Education Renewable Energy Generation and Grid Control Engineering Technology Research Center（School of Electric Engineering，Xinjiang University），Urumqi 830047，Xinjiang，China）

In this paper，the subsystem of three kinds of different hybrid structures in the multi-infeed HVDC system is established based on the PSCAD/EMTDC simulation software.After connected to the weak AC system，the transient operating characteristics of the subsystem are studied.The simulation results show that compared with the traditional HVDC transmission system，the subsystems containing VSC have obvious advantages in suppressing commutation failure and shortening the time of the fault recovery.This paper also points out that，with the rapid development of power electronic devices and the gradual reduction of the cost of VSC，the multi-infeed system with H-HVDC will become a feasible scheme for the new building and the reconstruction of the power grid.

multi-infeed HVDC system；commutation failure；hybrid HVDC transmission system

2016-04-11。

梅永振（1988—），男，硕士研究生，主要研究方向为高压直流输电及可再生能源并网技术；

（编辑 冯露）

国家自然科学基金项目（51267017）；国家高技术研究发展计划项目（863计划）（2013AA050604）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51267017）；National High Technology Research Program（863 Program）（2013AA050604）.

1674-3814（2017）03-0023-05

TM721.1

A

王海云（1973—），女，博士，教授，硕士生导师，研究方向为可再生能源发电与并网技术、高压直流输电及功率补偿技术。