提升电网受电能力的多直流低压限流控制器参数优化方法

田 浩，蒋 哲，马琳琳，马 欢，李常刚

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.山东大学，山东 济南 250061）

0 引言

电压安全是电力系统安全运行的必要条件，无功支撑能力不足将导致电力系统电压失稳甚至电压崩溃，引发大面积停电［1］。美加“8.14 大停电”正是电压支撑能力不足导致的全网电压崩溃事故，损失负荷61 800 MW，导致5 000 万居民失去电力供应。我国能源资源分布极不平衡，初步形成以超高压/特高压交直流长距离输电为主的西电东送格局，在东部负荷中心建成若干交直流多落点大型受端电网。与此同时，碳达峰碳中和目标提出后，新能源呈井喷式增长，通过机组置换效应不断挤占网内火电机组开机空间，导致电网电压支撑能力进一步恶化［2］。

特别对于山东、江苏、浙江等多直流集中馈入的受端电网而言，面临电压支撑能力不足、交直流相互影响加剧、运行方式复杂多变的挑战更为突出，交流故障极易引发多回直流连续换相失败，甚至导致全网电压崩溃［3］。提升对直流系统的支撑能力，保障受端电网的电压安全已成为电力行业亟待解决的重要难题［4］。

针对多直流受端电网故障引起的电压问题，文献［5］从临界断面特性、故障类型、无功支撑效果、直流暂态过程、负荷模型等多方面进行详细分析；文献［6］从稳态控制的角度提出分层接入的特高压直流系统无功控制策略；文献［7］从紧急控制的角度提出通过快速投切电容电抗器提升动态电压支撑效果；文献［8］从规划的角度，利用退役火电机组改造为调相机布置在直流落点，增加无功资源储备。上述分析多从交流系统的角度，通过合理配置、优化及控制无功补偿装置，实现对受端电网电压支撑能力的提升。而从直流自身控制的角度而言，常用方法为通过配置直流低压限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL）改善直流系统故障期间的无功特性，预防或减少换相失败的发生。

当检测到逆变侧母线电压降落超过阈值时，低压限流环节可按照预设指令强制减小直流电流，进而降低直流输送功率，减少直流系统的无功功率需求［9］。VDCOL 配置参数对直流动态特性影响显著，单回直流的VDCOL 参数配置方法已较为成熟，文献［10］提出一种抑制直流连续换相失败的VDCOL 参数优化策略，利用多通道输入数据比对，根据故障发展过程自适应调整VDCOL 控制策略，抑制后续换相失败的发生。文献［11-12］则通过提出具有自适应能力的变斜率控制策略实现VDCOL 参数自动调整，提升直流动态恢复特性。

随着多直流馈入系统的发展，对多回直流VDCOL 参数协调优化的研究开始逐渐深入［13］。文献多从直流系统间的交互影响分析入手，建立能够准确描述不同直流落点强弱的量化指标，并在此基础根据直流容量、落点等差异配置不同的VDCOL 参数优化算法。山东电网作为典型的多直流受端电网，正面临交流故障下的电压崩溃风险，制约受电水平及新能源消纳水平［14-15］。为应对多回直流馈入地区电网后带来的电压安全风险，保障电网安全稳定运行，提出一种提升地区电网受电能力的多直流VDCOL 参数协调优化方法，从通过临界运行方式确定失稳模式，进而配置具有针对性的VDCOL 参数协调优化方案，抑制换相失败的发生，提升地区电网受电能力。

1 低压限流控制参数优化机理

1.1 VDCOL控制环节与参数说明

典型的直流系统调节器结构如图1 所示，图1中，Ud、Id分别为直流电压、电流；Uac为交流换流母线电压；α为触发角；Pref、ΔP分别为直流功率控制的参考值与功率偏差；αref为触发角给定值。为解决交流故障下，直流系统可能出现的大电流低电压特征，直流输电系统普遍配置低压限流环节，以便对低电压时的直流电流信号进行限制，降低直流系统在故障及其恢复过程中对交流系统的无功功率需求，改善直流输电系统的恢复特性。该环节实时判别直流线路两侧直流电压Ud，若输入电压小于给定值，则降低直流电流给定值I0，降低幅值大小取决于实际电压降低幅值。逆变器关断角控制器作为限制器使用，防止关断角过小发生换相失败，本文所考虑的关断角控制器基于实测关断角，最小关断角参考实际工程设置为17°［16］。

图1 直流系统调节器结构Fig.1 DC system regulator structure

1.2 VDCOL参数调整原则

按照接受量测信号不同，目前常见的VDCOL 控制可分为两类：交流电压型低压限流环节（Alternating Current-VDCOL，AC-VDCOL）和直流电压型低压限流环节（Direct Current-VDCOL，DCVDCOL），国内现有直流工程均为直流电压信号型。VDCOL 基本限流曲线为图2 所示的直线，通过位移、改变其斜率等方式可以显著影响其限流效果。通过调整电压限流上限Udhigh、电压限流下限Udlow、最小电流数值Iomin、限流指令延迟时间Tup等参数可以改变直流系统在故障期间的输出特性，按照不同的设定目标改善其动态特性。

图2 Udhigh、Udlow参数对直流U-I曲线影响Fig.2 The influence of curve U-I with Udhigh and Udlow

1）通过改变Udhigh、Udlow数值控制逆变器无功功率消耗。如图2 所示，将特性控制曲线右移（即同时增大Udhigh、Udlow），则VDCOL 环节可在发生电压降落后提前启动，更快地抑制直流系统的无功功率吸收，提升电压稳定性。该调整缺点为减小直流功率的传输，可能出现更大的有功功率缺额。

2）通过改变Iomin数值也可以控制逆变器无功功率消耗。如图3 所示，降低Iomin数值使曲线由1 变为3，通过改变曲线斜率使VDCOL 在电压下降过程中电流更小，无功消耗更低，利于电压稳定，同样减小了直流功率的传输。

图3 Iomin参数对直流U-I曲线影响Fig.3 The influence of curve U-I with Iomin

3）通过修改指令延迟时间Tup，可以改变恢复期间的电流指令延时时间。Tup数值越大，延时越大，使直流电流的恢复滞后于电压的恢复，以减小直流系统输送功率的恢复速度和换流站的无功消耗。同时，时延过大不利于把握控制精度，因此在优化中该参数调节范围较小。

对于受端电网较弱的工程，逆变侧交流故障后电压恢复较慢，出现振荡甚至换相失败，优化中需要钝化低压限流信号，采用较大Tup数值和较高的Udhigh，避免VDCOL 在振荡过程中恶化系统恢复。

2 多馈入短路比与电压稳定性

当受端系统有多回直流线路集中馈入时，交流系统与直流系统、多直流系统间的交互影响更为显著且难以解耦，给系统优化与控制带来挑战。现有研究通过提出多种类型的指标用以描述多直流馈入系统的运行特性。考虑交流系统短路容量、多回直流输电容量以及各直流逆变站间的电气耦合关系，多篇文献提出多馈入短路比［17-18］，其定义为

式中：MISCR,i为第i回直流的多馈入短路比；Saci为第i回直流的换流母线短路容量；Pdeqi为考虑其他直流对第i条直流影响的等值直流功率；n为直流回数；Pdi、Pdj分别为第i、j回直流的额定功率；MIIF,ji为多馈入相互影响因子，定义为在第i回直流的换流母线上施加微小的无功扰动时，第j回直流的换流母线电压变化量ΔUj与第i回直流的换流母线电压变化量ΔUi的比值。

多馈入相互影响因子对多馈入短路比的影响最为显著，因此，能够反映多回直流落点间的电气距离。MIIF,ji参数越大，表示直流间的耦合关系越紧密，直流换流母线j对换流母线i的参与度越强；反之，MIIF,ji参数越小，表示直流间的耦合关系越弱，换流母线j对换流母线i的参与度越弱。在实际系统中，根据相互影响因子的大小，可以有效确定多直流馈入系统的规模及范围［19-20］。

交流系统电网强度越强，其电压支撑能力越强，对直流换流过程的恢复特性更为有利，多馈入短路比越大，直流电网越不容易出现连续换相失败甚至闭锁。因此，在进行直流VDCOL 参数优化时，可以先通过计算直流落点母线的多馈入短路比大小，采取针对性的参数优化策略，重点针对多馈入短路比较小的薄弱直流进行优化，使控制效果更具有针对性。在不额外配置动态无功补偿设备的条件下，减少直流连续换相失败的发生，提升多直流受端电网电压稳定性，进而提升其外网受电能力。

3 多直流VDCOL参数协调优化方法

当发生严重的故障扰动时，多回电气距离较近的直流恢复过程同时从交流系统吸收大量无功功率，如果受端电网在直流近区配置的动态无功资源不足，则可能引起连续换相失败甚至直流闭锁。另一方面，VDCOL 的启动抑制直流电流的数值，减小了故障期间有功功率传输，可能增大有功缺额，造成系统频率下降并易引发低频减载。为此，提出基于不同失稳模式的VDCOL 参数优化方法，优化流程如图4 所示。

图4 多直流VDCOL参数优化方法流程Fig.4 Optimization method of multi-DC VDCOL parameters

首先，通过临界运行方式确定当前系统的主导失稳模式：功角失稳或电压失稳。针对功角失稳模式应保证直流恢复过程的有功功率传输，避免更大的有功缺额。根据多馈入短路比大小差异化优化不同直流的参数实现降低总无功需求的目标。具体优化方法为：对于MISCR系数较小的直流（工程中一般认为其数值小于2 时为极弱系统），由于其电压支撑能力较弱，适当提高Udhigh、Udlow数值使直流系统尽早启动VDCOL 功能，适当降低Iomin数值、增加控制斜率，快速减少无功消耗；对于MISCR系数较大的直流（工程中其数值大于3 认为是强系统），适当降低Udhigh、Udlow数值，增加Iomin数值，增加恢复期间的有功功率传输。通过错位调节低压限流环节参数可以满足在现有动态无功资源不变的条件下，合理分配不同直流之间的无功功率，减小电压崩溃出现概率。

针对电压失稳模式，可在一定程度内适当降低多直流总的有功功率，同样按照多馈入短路比对直流进行排序，多馈入短路比较小的直流大幅提高Udhigh、Udlow数值，降低Iomin数值；多馈入短路比较大的电网维持Udhigh、Udlow及Iomin等参数不变。

4 算例分析

4.1 多直流受端电网结构

为验证所提方法的有效性，基于电力系统分析综合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP），以山东实际电网为例开展仿真验证，图5 为山东电网直流受端近区的简化结构。如图5 所示，共有鲁固直流、昭沂直流、银东直流三回特高压直流输电系统馈入山东电网。其中，鲁固直流、昭沂直流采取分层接入的方式分别接入500 kV、1 000 kV 电网，银东直流直接接入500 kV 电网。三回直流落点电气距离近，交互作用显著，严重的交流故障可能引起三回直流逆变侧同时发生换相失败甚至闭锁，控制难度较大。

图5 山东电网直流近区电网结构示意图Fig.5 Schematic diagram of DC nearby power grid structure of Shandong power grid

表1 山东直流换流母线多馈入短路比Table 1 The multiple feed short circuit ratios of DCs in Shandong

在某一典型运行方式下，三回直流落点换流母线处的多馈入短路比计算结果如表4 所示。胶东站多馈入短路比最大，沂南、广固站相对较小。因此可知，鲁固直流、昭沂直流落点的电压支撑能力相对较弱，需要进行针对性的优化调整。

4.2 VDCOL参数优化方案

随着山东电网新能源并网增加及外受电比例逐年增大，面临动态无功/电压支撑能力不足，系统电压稳定裕度降低等风险。通过极限运行方式计算可得，山东电网主导失稳模式为交流故障引起的电压失稳，因此，本算例按照电压失稳模式的优化流程对三回直流VDCOL 参数进行优化，调整原则为银东直流参数不变，增加昭沂、鲁固直流Udhigh、Udlow数值，降低Iomin数值，优化前后的多回直流参数对比如表2所示。

表2 多直流VDCOL参数优化方案Table 2 Optimization scheme of multi-DC VDCOL parameters

4.3 优化结果对比

设置典型故障为海河—泉城特高压线路双线N-2 接地短路故障。故障具体设置如下：1 s 时刻海河—泉城特高压线路泉城站出口2% 处发生三相接地短路故障，1.1 s 同时切除同塔两回特高压线路。以鲁固直流为例，优化前后直流换流站母线电压、熄弧角等物理量变化趋势如图6、图7所示。

图6 广固站1 000 kV母线电压曲线Fig.6 The voltage curve of 1 000 kV Guanggu substation

图7 鲁固直流逆变侧熄弧角变化曲线Fig.7 The curve of arc extinguishing angle on the inverter side of Lugu DC

对比图6、图7 可以发现，优化前广固换流站母线电压在故障后恢复较慢，直至8 s 后发生多次连续换相失败，鲁固直流功率传输下降为0，并最终出现电压失稳现象。采用VDVOL 优化参数后，直流系统可以在整个故障过程中保持稳定，广固换流站仅在故障瞬间发生1 次换相失败，电压动态恢复速度明显提升，故障切除后未再发生换相失败。综上所述，通过本文所提的基于不同失稳模式的多直流VDCOL 参数协调优化方法，可以更具针对性地改善直流动态特性，提升系统电压稳定性。

进一步，在某一临界运行方式下，校核山东电网优化前后的交流外受电能力，初始边界条件为山东三大直流群功率20 000 MW，山东总负荷70 000 MW，计算结果如表3 所示，优化VDCOL 参数后，山东电网交流外受电能力从12 000 MW 提升至12 600 MW，提升约600 MW。同理，保持山东电网交流外受电12 000 MW，调整鲁固直流传输功率，计算结果如表3、表4 所示，优化参数后同样可以提升直流受电600 MW。综上所述，采用本文所述VDCOL 优化方法可以提升山东电网交直流受电能力600 MW。

表3 优化前后山东电网交流受电能力比较Table 3 Comparison of AC power receiving capacity of Shandong power grid before and after optimization

表4 优化前后山东电网直流受电能力比较Table 4 Comparison of DC power receiving capacity of Shandong power grid before and after optimization

5 结束语

随着新型电力系统的发展、碳达峰碳中和目标的推进，电网运行特性复杂多变、交直流相互影响加剧，交流故障极易引发多回直流连续换相失败，甚至导致全网电压崩溃。提出一种基于不同失稳模式的多直流VDCOL 参数协调优化方法。通过临界运行方式确定当前系统的主导失稳模式，并针对功角失稳、电压失稳两种不同模式制定差异化的VDCOL 参数调整方案。基于多馈入短路比相对大小排序，对多回直流配置不同的参数调整策略，最终达到抑制换相失败的发生，提升地区电网接纳外受电的效果。经过实际电网的仿真分析验证可得，按照本文方法优化直流参数后，可增加山东电网交直流外受电能力约600 MW。