特高压直流系统运行短路比检测方法及应用

潘卫明 卢东斌 崔恒丰 吕彦北

特高压直流系统运行短路比检测方法及应用

潘卫明 卢东斌 崔恒丰 吕彦北

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

弱交强直混联系统中直流系统自身故障引发的交直流连锁反应可能会影响整个区域电网的稳定运行。本文基于交直流混联系统等效电路提出交流系统等效阻抗和电源电压的计算方法，结合特高压直流换流站投切交流滤波器的过程，在直流控制器中实现对交流系统等效参数的实时检测。根据交流系统等效参数和直流换流站相关电气量，提出直流系统运行短路比的概念，用于定量分析交直流系统的强弱关系。最后针对典型弱交强直系统直流线路故障过程中的振荡问题进行分析，结合直流系统运行短路比优化直流控制参数，解决了故障过程中的振荡问题。

特高压直流（UHVDC）；混联系统；直流系统运行短路比；控制参数优化

0 引言

近年来，特高压直流输电凭借其输送容量大、送电距离远、输电损耗低及输送功率灵活可控等优点已经成为我国跨区域输电最主要的解决方案[1]。目前，国内已建成昌吉—古泉±1 100kV/5 000A直流工程，以及哈密—郑州、青海—河南和白鹤滩—浙江等一大批±800kV/5 000A直流工程，直流系统输送功率占电网总体潮流的比例显著增大。交流系统以发电机等旋转设备为核心，转动惯量大、动态响应慢，直流系统以电力电子设备为核心，时间常数小、动态响应快，混联系统暂态故障及恢复过程中交直流系统在电磁暂态时间尺度引发的连锁反应可能影响整个电网[2-4]。

直流系统故障后换流站有功及无功功率快速变化对交流系统的电压、功率均会产生影响，交流电压的变化又会反作用于直流系统，加剧故障及恢复过程中直流侧电压、电流的扰动。在某些特殊故障情况下，直流系统过快的调节速度与交流系统电气量缓慢的恢复速度相互影响，会引发系统振荡失稳。针对直流控制系统控制器参数和低压限流（voltage dependent current order limiters, VDCOL）等控制逻辑进行调节，可以提升混联系统故障期间暂态响应特性[5-8]。然而，直流系统控制参数或控制逻辑无法根据交直流系统强弱关系的大范围变化进行动态调整，因此需要研究交直流系统强弱关系的衡量方法并将其用于直流控制系统优化。目前，直流工程中尚无此类研究。

针对上述情况，本文提出一种根据换流站投切交流滤波器前后电气量变化实时计算交流系统等效阻抗的方法。给出直流系统运行短路比（short circuit ratio, SCR）的概念，根据等效阻抗实时计算直流系统运行短路比，再由运行短路比范围动态调整控制系统参数和策略，最后通过试验验证了根据运行短路比优化直流控制系统可有效提升混联系统的暂态响应。

1 特高压直流系统运行短路比

1.1 交直流混联系统等效模型

区域电网内的特高压交直流混联系统由交流电源、交流负荷、交流输电线路及直流换流站组成。为了研究交直流系统之间的相互影响，将交流系统通过戴维南定理等效为理想交流电源S、等效电阻S及等效电感S串联，将直流换流站设备简化为直流换流器和交流滤波器。交直流混联系统等效电路如图1所示。

图1 交直流混联系统等效电路

特高压直流工程均接入500kV及以上电压等级的交流系统，该交流系统总体阻抗角接近90°，即等效电抗远大于等效电阻。为了简化计算，忽略电阻影响，定义交流系统等效阻抗L为

换流站接入点的交流电压为c，交流电流为c，则有

换流站与电网交互的有功功率为，无功功率为。无功功率为正，表示换流站总体为感性无功，负载从交流系统吸收无功功率；为负，表示换流站向交流系统提供无功功率。以电压c的相位为基准，将交流电流c分解为有功电流分量cd和无功电流分量cq，则有

根据式（2），理想交流电源S等于换流站接入点电压c与等效电抗电压的相量和，仍以c的相位为基准，等效电路相关相量关系如图2所示。

结合图2，不难得到S、L与换流站接入点电压c、电流c的关系为

联立式（3）和式（4）可得

1.2 直流系统运行短路比

换流站的有功功率、无功功率及接入点交流电压c等电气量在直流控制系统中都不难获取，其中换流站无功功率包含换流器及交流滤波器等无功设备的无功功率总和。

直流换流器为感性负载，直流换流站配置了大容量的容性交流滤波器用于无功补偿，在正常运行过程中通过投入或切除交流滤波器控制换流站与交流系统交换的无功功率。检测交流滤波器投入或切除前后换流站接入点电压、换流站有功功率及无功功率，根据式（5）即可计算得到S和L。换流站的无功滤波器单组容量较大，投切滤波器时间间隔较长，因此该方法对交流系统短路阻抗及电源电压检测的实时性较差，但考虑到直流换流站接入的500kV及以上电压等级交流电网短路阻抗及电源电压是比较稳定的，对检测时间间隔要求不高，所以该方法可用于直流换流站交流系统等效参数的 检测。

记某次投切交流滤波器前后换流站与交流系统交互的有功功率为1、2，无功功率为1、2，换流站接入点电网电压c1、c2，由此可得式（6），根据式（6）不难求出S和L。

电力系统中短路比定义为交流系统短路容量与设备额定容量的比值。为了衡量直流系统当前运行状态对混联系统的影响，将交流系统当前短路容量与直流运行输送的有功功率c的比值记为直流系统运行短路比，可通过式（7）计算得到。越小，表明直流输送功率在交流潮流中所占比例越大，直流系统自身的变化对交流系统的影响越大。

2 运行短路比变化引发故障暂态特性差异

下面以某±800kV/5 000A特高压工程为例，该工程送端交流电网电压额定值525kV，交流系统短路电流S的最大、最小值分别为63kA、20kA，额定功率运行时直流系统运行短路比可以根据式（8）计算，结果分别为7和2.2。根据SCR≤2为极弱系统，2＜SCR≤3为弱系统，SCR＞3为强系统[9]的划分标准，交流系统强弱变化范围极大，在不同的直流系统运行功率下，直流系统实际运行短路比的变化范围更大，交直流系统强弱对比变化会直接导致混联系统发生故障后暂态过程存在较大差异，这给直流控制系统的设计带来了一定难度。

直流线路故障是特高压直流工程典型故障，故障后极线路保护动作，直流控制系统主动移相，经过去游离时间后重启，过程中故障极直流功率降为零，故障极的直流功率可转带至非故障极[10]，但由于转带能力的限制，在直流功率水平较高时存在暂态的直流功率损失，暂态过程中故障电流、有功功率损失等在弱交流系统条件下的负面影响更加明显。

在额定交流电压525kV、短路电流20kA的弱交流系统条件下，基于实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）试验平台开展直流线路故障试验。试验项目一模拟直流双极四阀组800MW运行过程中极1直流线路发生金属性接地故障，试验波形如图3所示。根据式（8）计算得到直流系统运行短路比为22，直流系统故障后对交流系统影响有限，单极线路故障后极2存在短暂直流功率转带，故障和恢复过程中系统电压电流正常。

图3 试验项目一试验波形

试验项目二在相同的交流系统条件下，模拟直流双极四阀组8 000MW运行过程中极1直流线路发生金属性接地故障，试验波形如图4所示。虽然交流系统条件并没有发生改变，但由于直流功率增大，直流系统运行短路比减小至2.2，直流系统对交流系统影响显著增大，在暂态故障过程中极2存在明显的直流电压、电流振荡。

下面将故障过程中系统的响应过程分为图4所示①～③三个阶段分析振荡产生机理。

图4 试验项目二试验波形

①故障后极1移相、直流功率降为零，由于极2无法转带所有直流功率，导致有功功率损失，直流功率损失后，换流器吸收的无功功率随之减小，而交流滤波器投入组数并未发生变化，导致系统无功功率过剩，过剩的无功功率作用于弱交流系统，导致交流电压升高；极2转带过程中，由于电流控制器作用触发角进入最小角度运行，维持在电流控制器下限值ALPHA_MIN。

②交流电压升高、触发角保持ALPHA_MIN运行均会导致送端直流电压增大，直流电压超过过电压限制OVL动作阈值后，OVL控制器动作，快速增大电流控制器下限值ALPHA_MIN以提升触发角，导致触发角快速增大，送端电压下降。

③送端电压下降后，过电压控制器动作复归，此时在电流控制器作用下触发角减小，整流侧直流电压增大，再次出现直流过电压问题，从而进入一个循环振荡的过程，振荡持续至极1重启成功。

该故障过程中出现的振荡问题是由于弱交流系统条件下，交流电压、直流电压/电流、无功功率、直流控制系统触发角等相互影响导致，其中直流控制系统触发角相关的控制器参数是根据典型交流系统条件设计[11]，在弱交流系统下存在优化空间。

3 基于运行短路比实时检测的直流控制系统优化

根据第2节的结论，对交流滤波器投切前后的相关电气量进行采样，先通过式（6）联立得到L的一元二次方程，求解得到的正数解为交流系统等效阻抗L，然后求解得到S，最后根据式（8）计算得到直流系统运行短路比。

由于式（6）较为复杂，在控制系统的数字芯片中完成求解存在一定难度，因此对求解过程进行适当简化。在直流工程中，由于直流有功功率变化速度为MW/min量级，投切滤波器前后有功功率的变化可以忽略不计，存在变化的量主要为无功功率和换流站交流电压，因此可以做出以下简化。

有功功率变化可以忽略不计，图2中有功电流对应量cdL在滤波器投切前后可认为是不变的，S也是恒定的，因此投切前后有

求解得到

在RTDS试验系统中，调整RTDS模型中的等效电源阻抗和额定电压可改变系统实际运行短路比，式（6）求解后可得到运行短路比理论计算值，在直流控制系统中根据式（10）求解得到运行短路比的控制系统实测值，对不同交流系统参数下的理论计算偏差和控制系统实测偏差进行统计，在运行短路比为2的情况下偏差最大，最大偏差约为10%。直流运行短路比检测偏差统计如图5所示。

图5 直流运行短路比检测偏差统计

在直流控制系统中实现对运行短路比的实时检测后，参照短路比的划分标准，将≤3的系统视为极弱或弱系统，＞3的系统视为强系统。当＜3时，对线路故障过程中非故障极控制系统参数进行如下调整：

1）将整流侧电流控制器下限值ALPHA_MIN由5°调整为12°，减小最小触发角运行时直流电压的过电压水平。

2）调整整流侧过电压限制控制器动作速率，将比例系数由500减小至250，降低过电压控制器对角度调节的速度。

采用直流系统运行短路比优化直流系统后重新进行试验项目二，试验波形如图6所示，控制系统实时检测得到的运行短路比与理论值相近，根据短路比进行控制策略优化后，解决了直流线路故障过程中的振荡问题。

图6 试验项目二试验波形（优化后）

需要指出的是，本文中的优化措施只是针对弱交强直系统直流线路故障过程设计的，目的是说明根据直流系统运行短路比调整控制系统参数的有效性，其他类似由弱交强直导致的暂态性能不达标的问题都可以依据本文思路进行提升，提升措施包括优化控制策略、改变控制参数和调整解闭锁时序 等[12]。

4 结论

本文基于交直流混联系统的等效模型，推导得到交流系统等效电源相关参数与直流换流站交流电压、有功功率及无功功率之间的数学公式。在理论分析的基础上提出了直流系统运行短路比的概念，利用换流站投切交流滤波器的暂态过程，在直流控制系统中对相关电气量进行采样，实时计算得到交流系统参数和直流系统运行短路比，根据运行短路比的范围对直流线路故障期间的直流控制系统参数策略进行优化，通过试验验证了优化策略可以有效提升混联系统的暂态特性，为特高压直流控制系统策略设计及优化调整提供参考。

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Real time detection method for operation short circuit ratio of ultra high voltage direct current system and its application in control systems

PAN Weiming LU Dongbin CUI Hengfeng LÜ Yanbei

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

The AC/DC interaction during the fault of DC system in the weak AC strong DC hybrid system may affect the stability of the regional power grid. A method of calculating the equivalent impedance and source voltage of AC systems, based on the equivalent circuit of AC/DC hybrid system, is proposed in this paper. By combining the process of switching AC filters in the DC converter station, a real-time detection method of the AC system equivalent parameter is achieved. Based on the equivalent parameter of the AC system and the relevant electrical quantities of the DC converter station, the operation short circuit ratio of ultra high voltage direct current system is defined, which could be used for quantitative analysis of the strength contrast between the AC system and the DC system. Finally, an analysis is conducted on the oscillation problem during DC line fault process of a typical weak AC strong DC system. Combined with real-time detection of DC system operation short circuit ratio, optimization of DC control parameters is achieved, solving the oscillation problem during DC line fault process.

ultra high voltage direct current (UHVDC); hybrid system; operation short circuit ratio of UHVDC system; optimization of control parameters

2023-08-10

2023-08-24

潘卫明（1987—），男，山东烟台人，硕士，高级工程师，主要从事特高压直流输电控制保护技术研发工作。