一种交直流混联系统连锁故障链搜索方法

黄楚茵，夏成军

(1.华南理工大学，广东 广州 510640；2.广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室，广东 广州 510640)

0 引 言

相比于纯交流系统，交直流系统发生严重连锁故障的风险更高[1]。对于常规高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)，如果交流系统发生了连锁故障，将可能造成其闭锁退出运行，加剧停电事故风险[2]。文献[3]提出一种基于多时间尺度的交直流系统连锁故障动态特性仿真预测方法。文献[4]从动态潮流的角度对交直流系统的连锁故障传播进行机理分析。文献[5]建立了一种包括交流侧故障搜索和直流故障判断的事故链搜索模型，但没有对各级故障进行暂态稳定性校验。文献[6]提出了一种以短路比为主导的直流站退出运行故障集建立方法，但故障线路局限于近直流区。

上述文献均没有考虑到系统中存在柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current, VSC-HVDC)的情况。VSC-HVDC无换相失败风险[7]，且会对电网潮流分布等产生多方面的作用，因此计及柔直的交直流系统连锁故障搜索过程将区别于常规交直流系统。针对上述现象，同时考虑交流系统发生的连锁故障对直流换流站闭锁的影响，在分析系统受端电网强度及潮流转移变化等作用的基础上，提出了一种适用于含柔直的交直流系统的故障链搜索方法。对IEEE 39交直流系统进行仿真，比较了两种交直流系统故障演化路径的差异性，验证了所提方法的准确性。

1 交直流系统连锁故障链搜索方法的建立

1.1 换相失败电压阈值Umin

对于常规直流换流站，熄弧角过小是换相失败的根本原因，而换流母线电压Um跌落是导致熄弧角变小的最主要原因，因此选择Um作为故障链搜索过程判断直流闭锁的依据之一。ϒmin为导致换相失败的极限熄弧角，此时Umin计算公式为[8]：

(1)

式中：Id为LCC直流电流;k为换流变压器变比;Xc为LCC逆变侧等值换相电抗;β为超前触发角。当Um

1.2 多馈入有效短路比

在交直流混联系统中，通常使用多馈入有效短路比(multi-infeed effective short circuit ratio，MIESCR)衡量受端电网强度[9]。对于LCC-HVDC、MIESCR可以用式(2)表示。

(2)

式中：Saci为交流系统短路容量；Pdeqi为所有直流系统等效注入换流母线i的功率；Pdi为各直流系统额定容量；Zii、Zij分别为换流母线i的自阻抗和与j之间的互阻抗;QC为无功补偿。计及VSC-HVDC时，MIESCR表示为式(3)。

(3)

式中：UNi为直流系统i换流母线的额定电压;MIIF′为考虑柔直无功电压特性的多馈入相互作用因子[10];Iaci、Idci分别为交流系统、柔性直流系统提供的短路电流分量，可由式(4)求得。

(4)

式中：Eaci(1)、Ufi(1)分别为交流电源提供的正序电势和交流系统i作用下故障点的正序电压；IVi(1)为VSC换流器i等效的正序受控电流源；Zacfi(1)、Zdcfi(1)分别为受端交流系统i与VSC换流器i到短路点的正序阻抗；ZTi(1)为正序的VSC换流器阻抗；kTi为VSC换流变比。三相接地短路中短路电流不存在负序和零序分量。当MIESCR<1.5时，受端电网强度不足引起LCC换流站换相失败，故选用MIESCR作为故障链搜索过程判断直流闭锁的依据。

1.3 潮流转移分布系数

在连锁故障发生的过程中，交流线路开断对其他线路的潮流影响可用潮流转移分布系数dij[11]来表示。已知不包含平衡节点的节点-支路关联矩阵A，得到潮流转移分布系数dij和线路j的负载率λj表示为：

(5)

式中:Mi、Mj分别为矩阵A的第i、j列；X为节点-阻抗矩阵；xi、xj分别为支路i、j的阻抗；Pj0为支路j的初始潮流；λi0、PiN、λj0、PjN分别为各支路的初始负载率和安全稳定功率限额。根据dij和λj，筛出事故链下一层故障备选集。

1.4 基于热量累积的过载线路开断策略

交流线路开断后，若出现一条或同时多条交流线路过载，基于热量累积原则，以线路温度为参考值，对过载线路进行跳闸机制判断[12]。假设线路L过热保护的温度触发阈值为Tmax，可算得线路过热保护动作时间Δtp：

(6)

式中：PL为线路L流过的功率；TL(0)、Te(PL)分别为线路L的初始和平衡温度；v为线路热效应相关参数，仅与线路结构有关。若存在多回过载线路时，则取最小值Δtp,min的交流线路进行开断，并及时调节系统中发电机出力和负荷平衡。

1.5 交直流混联系统连锁故障链搜索流程图

基于上述所提内容，得到适用于含柔直的交直流系统连锁故障链搜索方法，仿真流程如图1所示，其中H为直流闭锁标志。

图1 交直流混联系统连锁故障链搜索方法流程图

2 仿真分析

以修改的IEEE 39节点系统作为研究对象，结合PSD-BPA仿真平台和MATLAB编程评估本文所提方法。如图2所示，将母线2-3及16-17用直流输电线路代替形成交直流网络。直流2-3和16-17分别输送功率364 MW、204 MW。线路16-17均采用LCC-HVDC，情景一线路2-3为LCC-HVDC，BUS-2、BUS-3、BUS-16、BUS-17的MIESCR分别为16.59、7.07、25.77、7.14；情景二线路2-3为VSC-HVDC，BUS-16、BUS-17的MIESCR分别为34.67、15.94。直流2-3、16-17换相失败电压阈值分别为0.77 pu、0.80 pu。

图2 IEEE 39节点交直流混联系统

对本文提出交直流系统连锁故障链搜索方法进行有效性验证。情景一线路3-4、17-27、1-2对MIESCR的影响最大，分别为-3.92、-3.32、-0.16，因此选择开断线路3-4作为第一层故障；情景二线路17-27、17-18、16-19对MIESCR的影响最大，分别为-8.09、-7.43、-0.51，因此选择开断线路17-27作为第一层故障。两种情景下第一层故障发生后系统均未导致直流闭锁，故分别计算第一层故障后其他线路的dij和λj。表1、表2分别为各情景第一层故障发生后λj较大且dij>0的前五条线路。

表1 情景一切除线路4-3后潮流转移分布和负载率情况

表2 情景二切除线路27-17后潮流转移分布和负载率情况

各情景通过本文连锁故障链搜索方法得到部分故障链如表3、表4所示。对于情景一，在线路3-4开断后，线路6-11、15-16、26-27的λj较大且dij>0，由于三者对MIESCR的影响均接近于0，因此分别选择这些线路作为第二层故障，后续系统均发生了交流线路过载、最终直流站闭锁。对于情景二，在线路17-27开断后，线路6-11、10-11、15-16负载率较大且dij>0，由于三者对MIESCR的影响均接近于0，因此分别选择这些线路作为第二层故障。在故障链4中，由于第二层故障后系统仍保持稳定，再次选择负载率较高的4-11(0.928 1)作为第三层故障开断，后续发生了交流线路过载和直流站闭锁。在故障链5、6中，第二层故障后，系统直接发生线路过载并有直流站闭锁。

表3 情景一部分故障链

表4 情景二部分故障链

通过表3、表4分析可知，当故障链搜索范围不局限于近直流区时，MIESCR在故障链的第一层选择上具有较强的指向性，能够有效缩小故障搜索范围，但第二层及之后的故障线路选择由负载率主导，验证了本文所提故障链搜索方法的有效性。且含柔直的交直流系统与常规交直流系统的连锁故障路径存在明显差异，后续仿真中，情景一存在28条N-2下导致直流闭锁的故障链，平均负荷损失1 869 MW；情景二存在11条N-2下导致直流闭锁的故障链，平均负荷损失1 821 MW。后者的故障集规模和负荷损失均比前者小，说明柔直馈入增强了连锁故障导致系统直流站闭锁的抵御能力。

3 结束语

本文在考虑线路间受端电网强度及潮流转移变化等作用的基础上，提出了一种交直流系统连锁故障链搜索方法。所提方法通过结合多馈入短路比、潮流转移分布系数等指标及基于热量累积原则的过载线路开断策略，实现了考虑直流站闭锁的交直流电网连锁故障的合理构建。考虑不同情况下的多馈入有效短路比等指标后，两种交直流系统在连锁故障演化过程表现出了明显的差异性。