李大虎, 李佳, 周悅, 饒渝澤, 周泓宇, 姚偉

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司,武漢市 430077;2.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué)),武漢市 430074)

0 引 言

常規(guī)直流輸電(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)憑借其遠距離、大容量輸送的優(yōu)勢極大緩解了我國能源中心和負荷中心逆向分布的難題[1-4]。換相失敗是LCC-HVDC最常見的故障之一,大量研究表明LCC-HVDC受端交流系統(tǒng)故障容易引發(fā)換相失敗[5-8]。目前國內(nèi)外學(xué)者也開始關(guān)注LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)故障引發(fā)的受端換相失敗[9-11]。其中文獻[11]指出了LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)的過補償無功會增加受端換相失敗發(fā)生的風(fēng)險,所以有必要進一步探討LCC-HVDC送端的無功補償裝置對換相失敗的影響。

在我國能源資源與負荷需求逆向分布的大背景下,柔性直流(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)和LCC-HVDC送端互聯(lián)的輸電系統(tǒng)被提出,VSC-HVDC可為LCC-HVDC送端提供無功支撐[12]。隨著LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)大規(guī)模新能源集中接入[13-14],電網(wǎng)短路容量低,電壓穩(wěn)定問題突出[15-16],為了確保LCC-HVDC系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,可在LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)加裝調(diào)相機,如青豫直流送端。因此,未來我國將出現(xiàn)LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)同時接有調(diào)相機和柔性直流的輸電系統(tǒng),由調(diào)相機和VSC-HVDC為LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)提供無功支撐。在2019年渝鄂背靠背聯(lián)網(wǎng)工程投運后,隨著湖北省內(nèi)新能源比例的提高,龍政直流的整流側(cè)或?qū)⒙氏瘸霈F(xiàn)此結(jié)構(gòu)。

調(diào)相機作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備,具有較小的次暫態(tài)電抗,可在故障瞬間釋放大量無功功率,在抑制LCC-HVDC送端暫態(tài)電壓具有獨特優(yōu)勢[17]。定交流電壓控制下VSC-HVDC能根據(jù)交流電壓偏差吸收或發(fā)出無功功率,可以為LCC-HVDC送端弱交流系統(tǒng)提供較強的電壓支撐[18],但文獻[19]指出,在暫態(tài)低電壓恢復(fù)后,受比例積分環(huán)節(jié)的影響,VSC-HVDC繼續(xù)發(fā)出無功功率,出現(xiàn)無功功率過補償?shù)那闆r。

文獻[20]比較了調(diào)相機與電力電子無功補償裝置在無功響應(yīng)能力和無功輸出能力方面的差異。對于LCC-HVDC送端同時接有調(diào)相機和柔性直流的系統(tǒng),將由調(diào)相機和VSC-HVDC同時為LCC-HVDC送端換流站提供動態(tài)無功支撐,基于VSC-HVDC與調(diào)相機的動態(tài)無功響應(yīng)特性差異制定其合理的無功協(xié)調(diào)控制策略,可以實現(xiàn)整體最優(yōu)的動態(tài)無功支撐效果。

因此,本文提出了一種LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng)中調(diào)相機和VSC-HVDC換流站的無功協(xié)調(diào)控制策略,其目的在于加快VSC-HVDC無功響應(yīng)速度,緩解其無功過補償問題,降低LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的風(fēng)險,同時提升調(diào)相機無功調(diào)節(jié)容量的利用率。首先探討了調(diào)相機和VSC-HVDC的無功控制機理,比較了兩者的無功響應(yīng)特性,進一步分析了VSC-HVDC和調(diào)相機無功補償過程中存在的問題;基于問題分析,提出了調(diào)相機和VSC-HVDC的無功協(xié)調(diào)控制策略;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)仿真模型,驗證所提策略的有效性和適應(yīng)性。

1 含調(diào)相機接入的常規(guī)直流和柔性直流互聯(lián)輸電系統(tǒng)

圖1為含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng),圖中,VSC-HVDC通過聯(lián)絡(luò)線將功率饋入到公共母線,LCC-HVDC再將功率送至負荷中心,PVSC和QVSC分別表示VSC-HVDC饋入到公共交流母線的有功和無功功率,UPCC表示公共交流母線的交流電壓幅值,QSC表示調(diào)相機饋入到公共交流母線的無功功率。

圖1 含調(diào)相機接入的常規(guī)直流和柔性直流互聯(lián)輸電系統(tǒng)Fig.1 Interconnected transmission system of the LCC-HVDC and VSC-HVDC with synchronous condenser access

2 調(diào)相機和柔性直流的無功響應(yīng)特性

2.1 無功控制原理

調(diào)相機系統(tǒng)主要包括調(diào)相機本體、勵磁系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及升壓變壓器等。調(diào)相機勵磁系統(tǒng)的控制回路一般采用自動電壓控制器(automatic voltage regulator,AVR),通過機端反饋電壓改變勵磁電流進而控制無功功率,過勵時輸出無功功率以提高電壓,欠勵時吸收無功功率以降低電壓,從而使得調(diào)相機端電壓維持在所設(shè)定的參考值附近,實現(xiàn)定電壓控制[21]。

VSC-HVDC采用直接電流矢量控制策略,由外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制組成。外環(huán)控制主要包括有功類控制和無功類控制;內(nèi)環(huán)控制采用正序電流和負序電流解耦控制。無功類外環(huán)控制包括定無功功率控制、定交流電壓控制,兩者選其一[22-23]。當(dāng)VSC-HVDC采用定無功功率控制時,在交流故障期間通常設(shè)置其無功功率參考值為0,即在故障期間不補償無功功率;當(dāng)VSC-HVDC采用定交流電壓控制時,在交流故障期間檢查到交流電壓偏差后補償無功功率,維持電壓恒定。

2.2 無功響應(yīng)特性比較

無功響應(yīng)速度方面,在交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓突然跌落時,調(diào)相機作為同步旋轉(zhuǎn)設(shè)備,基于磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t,定子繞組將感應(yīng)出較大的電流,具有無延時的、自發(fā)的快速動態(tài)無功響應(yīng)特性;而VSC-HVDC作為非旋轉(zhuǎn)設(shè)備,無功輸出需經(jīng)過電氣量測量采樣、內(nèi)外環(huán)計算、閥控系統(tǒng)控制等一系列環(huán)節(jié)才能實現(xiàn),其無功響應(yīng)速度要慢于調(diào)相機。

無功調(diào)節(jié)能力方面,調(diào)相機具有較強的過流能力,其遲相能力(輸出無功)較好,能夠短時發(fā)出額定容量2倍以上的無功功率,但其進相能力(吸收無功)較差,僅能夠吸收額定容量約一半的無功功率;VSC-HVDC作為電力電子設(shè)備,受設(shè)備過流能力的限制,其無功調(diào)節(jié)容量與額定容量和輸送功率有關(guān)。

2.3 柔性直流無功過補償加劇換相失敗機理

對于LCC-HVDC,其直流輸電線路上的電流可以表示為[24]:

Id=(Udr-Udi)/Rd

(1)

Udr=1.35NTrULrcosα-3NXrId/π

(2)

Udi=1.35NTiULicosγ-3NXiId/π

(3)

式中:Id是LCC-HVDC直流線路電流;Udr和Udi分別是整流側(cè)和逆變側(cè)直流電壓;Rd是直流線路電阻;ULr和ULi分別是整流側(cè)和逆變側(cè)的換流母線電壓;N是6脈動換流器個數(shù);Tr和Ti分別是整流側(cè)和逆變側(cè)換流變壓器變比;α是整流側(cè)觸發(fā)角;γ是逆變側(cè)關(guān)斷角;Xr和Xi分別是整流側(cè)和逆變側(cè)的換相電抗。

整合式(1)—(3),得:

Id=(1.35NTrULrcosα-1.35NTiULicosγ)/
(3NXr/π+Rd+3NXi/π)

(4)

從式(4)可以看出,當(dāng)LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時,ULr降低,為了維持Id的大小恒定,整流側(cè)α減小甚至切換到最小觸發(fā)角控制,逆變側(cè)γ增大;當(dāng)故障切除后,ULr逐漸增大,由于控制系統(tǒng)具有一定的延時,在此期間,Id將隨之增大,此時LCC-HVDC逆變側(cè)換流閥所需換相面積增大,有可能發(fā)生換相失敗。

當(dāng)VSC-HVDC采用定無功功率控制時,在故障期間不補償無功功率,無疑是不存在無功功率過補償問題,也就不會增大LCC-HVDC換相失敗的風(fēng)險;隨著高電壓、大容量直流的相繼投運以及新能源的接入,交流電網(wǎng)的相對強度將大幅減弱,當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)較弱時,VSC-HVDC通常采用定交流電壓控制以提供無功電壓支撐[25],所以本文主要分析VSC-HVDC采用定交流電壓控制的影響。定交流電壓控制框圖如圖2所示。圖2中,Uacref是電壓整定值,Uac是電壓實際值,iqref是輸送到內(nèi)環(huán)控制器的無功電流整定值。

圖2 VSC-HVDC定交流電壓控制框圖Fig.2 Block diagram of constant AC voltage control of the VSC-HVDC

LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障到故障切除后,公共交流母線電壓先階躍下降然后恢復(fù)到原先水平,下面分析VSC-HVDC采用定交流電壓控制時在此階段的響應(yīng)過程。為了簡化分析,公共交流母線電壓變化量和VSC-HVDC補償?shù)臒o功功率成比例關(guān)系,另外定交流電壓控制的比例積分(proportional integral,PI)控制器參數(shù)設(shè)置為比例系統(tǒng)KP=1.0,積分時間常數(shù)KI=100,限幅為±0.5 pu。

圖3是VSC-HVDC采用定交流電壓控制時LCC-HVDC送端交流系統(tǒng)發(fā)生故障到故障切除后的響應(yīng)過程示意圖。圖中t1是故障發(fā)生時刻,t2是故障切除時刻,XP是PI控制器輸出的比例分量,XI是PI控制器輸出的積分分量。由圖可以看出,在t2后,由于XI的影響,iqref大于0,也就是說,故障切除后VSC-HVDC繼續(xù)無功功率,造成無功過補償,抬升了公共交流母線電壓,LCC-HVDC的直流電流Id進一步增大,最終增大了換相失敗發(fā)生的風(fēng)險。

圖3 VSC-HVDC定交流電壓控制響應(yīng)過程示意圖Fig.3 Respond process diagram of constant AC voltage control of the VSC-HVDC

2.4 調(diào)相機無功調(diào)節(jié)容量利用率降低

針對含調(diào)相機接入的常規(guī)直流和柔性直流互聯(lián)系統(tǒng),在電壓跌落較大的工況下,無疑VSC-HVDC與調(diào)相機同時補償無功時系統(tǒng)具有最大的無功支撐能力。在電壓跌落較小的工況下,為了說明VSC-HVDC與調(diào)相機同時補償無功的特性,比較分析:場景1(VSC-HVDC和調(diào)相機均不補償無功)、場景2(調(diào)相機補償無功,VSC-HVDC不補償無功)和場景3(VSC-HVDC和調(diào)相機同時補償無功)。其中,VSC-HVDC采用常規(guī)的定交流電壓控制,調(diào)相機采用自動電壓控制,為了簡化分析,VSC-HVDC補償?shù)臒o功等于PI控制器的輸出量,調(diào)相機補償?shù)臒o功與電壓差成比例關(guān)系,系統(tǒng)電壓改變量與補償?shù)臒o功成比例關(guān)系。

圖4所示是在電壓跌落0.1 pu時3個場景的響應(yīng)過程示意圖,由圖2可以看出,在調(diào)相機單獨補償無功時,系統(tǒng)電壓可以維持在正常允許運行水平(≥0.95pu),在VSC-HVDC和調(diào)相機同時補償無功時,由于VSC-HVDC常規(guī)定交流電壓含積分控制器,其電壓無功調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié),而調(diào)相機補償?shù)臒o功隨電壓差的減小而減小,也就是說在穩(wěn)態(tài)時調(diào)相機不補償無功,相比于調(diào)相機單獨補償無功,降低了其無功調(diào)節(jié)容量的利用率。

圖4 3個場景的響應(yīng)過程示意圖Fig.4 Response process diagram of three scenarios

2.5 無功響應(yīng)特性的仿真驗證

在PSCAD/EMTDC仿真軟件上搭建了如圖1所示的含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)模型,其中LCC-HVDC模型和調(diào)相機模型的結(jié)構(gòu)和它們的控制系統(tǒng)是參考PSCAD Library模型所搭建;VSC-HVDC模型結(jié)構(gòu)參考PSCAD Library所搭建,控制系統(tǒng)采用的是正負序電流解耦控制策略。系統(tǒng)中LCC-HVDC和VSC-HVDC直流系統(tǒng)主要參數(shù)如附錄表A1所示,調(diào)相機系統(tǒng)的主要參數(shù)如附錄表A2所示。

文獻[11]指出弱交流系統(tǒng)時LCC-HVDC送端系統(tǒng)故障引發(fā)受端換相失敗的問題將比較突出,所以本案例針對弱交流電網(wǎng)下的VSC-HVDC和LCC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)進行研究,設(shè)置VSC-HVDC整流側(cè)和LCC-HVDC整流側(cè)的短路比(short circuit ratio,SCR)為3.0,LCC-HVDC逆變側(cè)的SCR為2.5(相對于LCC-HVDC的額定容量)。

在本案例中,VSC-HVDC兩端的電網(wǎng)系統(tǒng)都較弱,所以兩端的無功類外環(huán)控制采用定交流電壓控制。考慮VSC-HVDC承受過負荷能力有限,VSC-HVDC無功調(diào)節(jié)限值按滿載功率計算,VSC-HVDC額定滿載功率為1 250 MW,VSC-HVDC受端運行輸送有功功率為1 000 MW,計算得到VSC-HVDC的無功調(diào)節(jié)限值為750 MV· A。

2.5.1 LCC-HVDC整流側(cè)短路故障

為了比較調(diào)相機和VSC-HVDC的無功響應(yīng)特性,在LCC-HVDC整流側(cè)設(shè)置三相接地短路故障,故障發(fā)生時刻為2.0 s,故障距離為0.30 H,故障持續(xù)時間為0.10 s;另外采用VSC-HVDC在定無功功率控制(無功參考值為0,VSC-HVDC輸出無功功率為0)下的控制效果作比較,進一步說明定交流電壓控制的控制特性。觀察公共母線的交流電壓UPCC,LCC-HVDC直流線路電流Id,VSC-HVDC受端輸送到公共母線的無功功率QVSC,調(diào)相機輸送到公共母線的無功功率QSC,仿真結(jié)果如圖5所示,此外LCC-HVDC逆變側(cè)的換流變壓器閥側(cè)電流IY/D如附錄圖A1所示。

圖5 電壓跌落時調(diào)相機和VSC-HVDC的無功響應(yīng)特性Fig.5 Reactive power response characteristics of the synchronous condenser and VSC-HVDC under a voltage drop

由圖5可以看出,在故障發(fā)生瞬間,公共母線電壓迅速降低,調(diào)相機的無功功率輸出在35 ms左右達到最大值,定交流電壓控制下VSC-HVDC的無功功率輸出在75 ms左右達到最大值,所以在故障瞬間調(diào)相機輸出無功功率的響應(yīng)速度比VSC-HVDC的快。

在故障切除后,公共母線電壓升高,調(diào)相機輸出的無功功率隨之減小,但定交流電壓控制下VSC-HVDC不能馬上減小無功功率的輸出,出現(xiàn)無功過補償,抬升了公共母線電壓,引起LCC-HVDC直流線路電流增大,LCC-HVDC逆變側(cè)換流閥所需的換相面積增加,如附錄圖A1所示,增大了LCC-HVDC發(fā)生換相失敗風(fēng)險。總的來說,在故障發(fā)生瞬間以及故障切除后,調(diào)相機無功響應(yīng)速度都比定交流電壓控制下的VSC-HVDC的快。

2.5.2 LCC-HVDC整流側(cè)電壓突變

LCC-HVDC整流側(cè)電網(wǎng)電壓突變時,比較分析場景4(調(diào)相機單獨補償無功功率)和場景5(調(diào)相機和VSC-HVDC同時補償無功功率)的公共交流母線電壓曲線以及調(diào)相機和VSC-HVDC的無功響應(yīng)曲線,結(jié)果如圖6所示。圖6中,s1是電壓突變時刻,s2是調(diào)相機無功響應(yīng)變換時刻。由圖可以看出,電網(wǎng)電壓突變時,調(diào)相機的無功響應(yīng)分為兩個過程:一是調(diào)相機自發(fā)無功響應(yīng)過程,即s1～s2;二是勵磁系統(tǒng)控制的無功響應(yīng)過程,即s2之后。

圖6 電壓突變時的調(diào)相機和VSC-HVDC無功響應(yīng)特性Fig.6 Reactive power response characteristics of the synchronous condenser and VSC-HVDC under a voltage leap

調(diào)相機自發(fā)的無功響應(yīng)速度比VSC-HVDC定交流電壓控制的無功響應(yīng)速度快。對比場景4和場景5,VSC-HVDC的無功調(diào)節(jié)能力優(yōu)于調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)能力,這是因為在本案例中VSC-HVDC的無功調(diào)節(jié)容量(750 MV·A)大于調(diào)相機的額定容量(300 MV·A);另外,在調(diào)相機單獨補償無功和VSC-HVDC和調(diào)相機同時補償無功時,系統(tǒng)電壓都可以維持在正常允許運行水平(0.95～1.05 pu),在VSC-HVDC和調(diào)相機同時補償無功時,在穩(wěn)態(tài)時VSC-HVDC優(yōu)先補償無功,調(diào)相機不補償無功,相比于調(diào)相機單獨補償無功,調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)容量的利用率低。

3 調(diào)相機和柔性直流的無功協(xié)調(diào)控制

本文研究的含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng),在LCC-HVDC送端近區(qū)電網(wǎng),由調(diào)相機和VSC-HVDC同時提供動態(tài)無功支撐。由上文分析可知,兩者獨立運行時不僅VSC-HVDC存在無功過補償問題,而且調(diào)相機也存在無功調(diào)節(jié)容量使用不充分問題。基于此,提出調(diào)相機和VSC-HVDC的無功協(xié)調(diào)控制策略,一方面的目的是加快VSC-HVDC在故障發(fā)生的無功響應(yīng)速度,抑制暫態(tài)電壓,以及緩解故障切除后的無功過補償問題,降低LCC-HVDC換相失敗發(fā)生的風(fēng)險;另一方面考慮到調(diào)相機的主要功能是無功功率補償,柔性直流的主要功能是功率傳輸,有功輸送容量越大,所能提供的無功調(diào)節(jié)容量越小,在電壓波動較小時優(yōu)先利用調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)容量進行無功補償,可以提高調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)容量的利用率,減小所需的VSC-HVDC無功調(diào)節(jié)容量,增大有功輸送容量。

3.1 無功協(xié)調(diào)控制策略

在dq坐標(biāo)系下,令公共母線電壓的d軸分量Ud=UPCC,q軸分量Uq=0,所以調(diào)相機和VSC-HVDC輸送到公共母線的無功功率可以表示為:

QSC=Udiq_SC

(5)

QVSC=Udiq_VSC

(6)

式中:iq_SC是調(diào)相機接入公共母線的線路上電流的q軸分量;iq_VSC是VSC-HVDC接入公共母線的線路上電流的q軸分量。

由式(5)和式(6)可以看出,在同一Ud下,調(diào)相機和VSC-HVDC輸送到公共母線的無功功率的變化跟隨其接入線路上電流的q軸分量的變化。由文中的第2節(jié)的無功響應(yīng)特性分析可知,在故障發(fā)生瞬間以及故障切除后,調(diào)相機的無功響應(yīng)速度比VSC-HVDC的快。因此,在此階段將VSC-HVDC的內(nèi)環(huán)控制的無功電流參考值設(shè)置為iq_SC的標(biāo)幺值,使VSC-HVDC的無功電流變化跟隨調(diào)相機的無功電流的變化,也就是使VSC-HVDC輸送無功功率的變化跟隨調(diào)相機輸送無功功率的變化,這樣可以加快VSC-HVDC在故障發(fā)生瞬間以及故障切除后的無功響應(yīng)速度。考慮到不對稱故障下負序電流的影響,在故障發(fā)生時將內(nèi)環(huán)控制的無功電流參考值設(shè)置為iq_SC的正序分量。

圖7 調(diào)相機和柔性直流的無功協(xié)調(diào)控制框圖Fig.7 Block diagram of the reactive power coordinated control of the synchronous condenser and VSC-HVDC

具體實施方式為:

另外,在處于工作模式1或工作模式2后,當(dāng)公共母線電壓UPCC恢復(fù)到額定運行電壓Urate時切換為工作模式0,這樣做的目的是避免控制器在電壓閾值附近頻繁進行模式切換。

3.2 無功協(xié)調(diào)控制策略的仿真驗證

仍以第2.5節(jié)的含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC-HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)模型為例。換流母線穩(wěn)態(tài)電壓運行范圍通常為0.95～1.05 pu,所以設(shè)置Umin=0.95 pu,Umax=1.05 pu,另外設(shè)置Urate=1.0 pu。在本實施例中,VSC-HVDC額定滿載功率為1 250 MW,無功調(diào)節(jié)限值為750 MV·A,所以設(shè)置iqmin=-0.6 pu,iqmax=0.6 pu。

為驗證所提協(xié)調(diào)控制策略的有效性,分別設(shè)置2個對比方案,具體為:

1)調(diào)相機和VSC-HVDC之間獨立控制,VSC-HVDC受端采取常規(guī)的定交流電壓控制,設(shè)置電壓參考值Uref=1.0 pu。

2)調(diào)相機和VSC-HVDC之間協(xié)調(diào)控制,VSC-HVDC受端采取所提的無功協(xié)調(diào)控制策略。

3.2.1 LCC-HVDC整流側(cè)短路故障

在LCC-HVDC整流側(cè)設(shè)置三相接地短路的對稱故障,故障發(fā)生時刻為2.0 s,故障距離為0.22 H,故障持續(xù)時間為0.10 s,比較調(diào)相機和VSC-HVDC在獨立控制和協(xié)調(diào)控制的控制效果,仿真結(jié)果如圖8所示。此外LCC-HVDC逆變側(cè)的換流變壓器閥側(cè)電流IY/D如附錄圖A2所示。

由圖8可以看出,從無功響應(yīng)方面來看,在故障發(fā)生瞬間,獨立控制下VSC-HVDC的無功功率輸出在75 ms左右達到最大值,協(xié)調(diào)控制下VSC-HVDC的無功功率在55 ms左右達到最大值,協(xié)調(diào)控制下的無功響應(yīng)速度更快;在故障切除后,獨立控制下VSC-HVDC出現(xiàn)無功過補償,協(xié)調(diào)控制下VSC-HVDC輸出的無功功率隨之減小,協(xié)調(diào)控制下的無功響應(yīng)速度更快。

從控制效果來看,在故障發(fā)生瞬間,公共母線電壓迅速降低,獨立控制下公共母線電壓最小值為423.1 kV,協(xié)調(diào)控制下公共母線電壓最小值為427.2 kV,協(xié)調(diào)控制下暫態(tài)低電壓抑制效果稍好;結(jié)合附錄圖A2,在故障切除后,獨立控制下VSC-HVDC無功過補償導(dǎo)致LCC-HVDC發(fā)生換相失敗,協(xié)調(diào)控制下VSC-HVDC減小了輸出的無功功率,進而減小LCC-HVDC直流線路電流,LCC-HVDC沒有發(fā)生換相失敗,且協(xié)調(diào)控制有效抑制了故障恢復(fù)過程中的暫態(tài)高電壓。

為了進一步說明本文方法的有效性,觀察在對稱故障下,不同故障發(fā)生時刻(2.000～2.009 s)和不同故障距離(0.20～0.50 H)時獨立控制和協(xié)調(diào)控制抑制LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的效果,結(jié)果如圖9所示。可以看出,相對于調(diào)相機和VSC-HVDC的獨立控制,本文所提調(diào)相機和VSC-HVDC的無功協(xié)調(diào)控制方法能有效降低LCC-HVDC送端電網(wǎng)故障切除后發(fā)生換相失敗的風(fēng)險。

圖9 對稱故障下?lián)Q相失敗抑制能力對比Fig.9 Comparison of commutation failure suppression capabilities under a balanced fault

為了進一步說明本文方法的適應(yīng)性,在LCC-HVDC整流側(cè)設(shè)置單相接地短路的不對稱故障,故障發(fā)生時刻為2.003 s,故障距離為0.12 H,故障持續(xù)時間為0.10 s,結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出,在故障發(fā)生瞬間,相比于獨立控制,協(xié)調(diào)控制下的VSC-HVDC的無功響應(yīng)速度稍快,暫態(tài)低電壓抑制效果稍好;結(jié)合附錄圖A3,在故障切除后,協(xié)調(diào)控制下的VSC-HVDC更快地減小無功功率的輸出,抑制了換相失敗的發(fā)生。

圖10 不對稱故障下?lián)Q相失敗抑制能力對比Fig.10 Comparison of commutation failure suppression capabilities under an unbalanced fault

觀察在不對稱故障下,不同故障發(fā)生時刻(2.000～2.009 s)和不同故障距離(0.05～0.20 H)工況下獨立控制和協(xié)調(diào)控制抑制LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的效果,結(jié)果如圖11所示,可以看出,無功協(xié)調(diào)控制抑制換相失敗的效果更好。

圖11 不對稱故障下?lián)Q相失敗抑制能力對比Fig.11 Comparison of commutation failure suppression capabilities under an unbalanced fault

3.2.2 LCC-HVDC整流側(cè)電壓突變

如圖12(a)和(b)所示,電網(wǎng)電壓波動較小時,獨立控制下和協(xié)調(diào)控制下系統(tǒng)電壓可以維持在正常允許運行水平(0.95 pu

圖12 電壓突變時控制效果對比圖Fig.12 Comparison of control effects under a voltage leap

如圖12(c)所示,電網(wǎng)電壓突然升高且大于1.05 pu時,可以看出,獨立控制下VSC-HVDC的控制方式為定交流電壓控制,而協(xié)調(diào)控制下VSC-HVDC的控制方式也切換為定交流電壓控制,獨立控制下和協(xié)調(diào)控制下系統(tǒng)電壓可以維持在正常允許運行水平(<1.05 pu),此時調(diào)相機和VSC-HVDC吸收的無功功率已達最大值,后續(xù)可以通過切除LCC-HVDC換流站交流濾波器進一步降低母線電壓;如圖12(d)所示,電網(wǎng)電壓突然降低且小于0.95 pu時,可以看出,獨立控制下和協(xié)調(diào)控制下系統(tǒng)電壓可以維持在正常允許運行水平(>0.95 pu),相比于獨立控制,協(xié)調(diào)控制下調(diào)相機補償?shù)臒o功功率更多,充分利用了調(diào)相機的無功功率調(diào)節(jié)容量,進而減小了所需的VSC-HVDC無功調(diào)節(jié)容量,同樣,若調(diào)相機和VSC-HVDC發(fā)出的無功功率達到最大值,可以通過投入LCC-HVDC換流站交流濾波器進一步抬升母線電壓。

3.2.3 通信延時的影響分析

調(diào)相機和VSC-HVDC的通信延時主要與兩者的電氣距離有關(guān),電氣距離越遠,通信延時越長,接下來分析不同通信延時對控制效果的影響。在LCC-HVDC整流側(cè)設(shè)置三相接地短路的對稱故障,故障發(fā)生時刻為2.0 s,故障距離為0.22 H,故障持續(xù)時間為0.10 s,驗證調(diào)相機和VSC-HVDC無功協(xié)調(diào)控制在不同通信延時的控制效果,仿真結(jié)果如圖13所示,其中,“10 ms”、“20 ms”和“30 ms”分別代表兩站間的通信延時為10 ms、通信延時為20 ms以及通信延時為30 ms。

圖13 不同通信延時下控制效果對比Fig.13 Comparison of control effects under different communication delays

仿真結(jié)果表明,在故障發(fā)生瞬間,隨著通信延時的加長,VSC-HVDC的無功響應(yīng)變慢,暫態(tài)低電壓的抑制效果變差;在故障切除后,隨著通信延時的加長,VSC-HVDC減小輸出無功功率的速度變慢,LCC-HVDC逆變器關(guān)斷角γ的降低幅度增加,換相失敗風(fēng)險增加。所以說,當(dāng)調(diào)相機和VSC-HVDC的電氣距離較大,也就是兩站間的通信延時較長時,調(diào)相機和VSC-HVDC的無功協(xié)調(diào)控制的效果將不突出。綜上所述,當(dāng)調(diào)相機和VSC-HVDC兩站間的距離較小,也即通信延時較短時,本文所提無功協(xié)調(diào)控制方法有較好應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本文基于含調(diào)相機接入的LCC-HVDC和VSC--HVDC互聯(lián)輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點提出了一種調(diào)相機和VSC-HVDC換流站的無功協(xié)調(diào)控制策略以降低LCC-HVDC送端系統(tǒng)故障引發(fā)受端換相失敗的風(fēng)險。該策略考慮了調(diào)相機和VSC-HVDC的無功控制原理和響應(yīng)特性,可充分利用調(diào)相機的無功調(diào)節(jié)容量以及加快VSC-HVDC的無功響應(yīng)速度。通過理論和仿真分析,結(jié)論如下:

1)在故障發(fā)生瞬間和故障切除后,調(diào)相機的無功響應(yīng)速度比VSC-HVDC的快,故障切除后VSC-HVDC的無功過補償會增大LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的風(fēng)險。

2)在故障發(fā)生瞬間,所提控制策略使VSC-HVDC的無功響應(yīng)跟隨調(diào)相機的無功響應(yīng),加快了VSC-HVDC發(fā)出無功功率的速度,抑制了暫態(tài)低電壓。

3)在故障切除后,所提控制策略使VSC-HVDC的無功響應(yīng)跟隨調(diào)相機的無功響應(yīng),加快了VSC-HVDC減小輸出無功功率的速度,抑制了無功過補償,降低了LCC-HVDC發(fā)生換相失敗的風(fēng)險。