特高壓直流輸電分極接入運行特性分析

王旌, 韓民曉，姚蜀軍，田春箏，司瑞華，唐曉駿

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市102206；2. 國網河南省電力公司經濟技術研究院，鄭州市 450000；3. 中國電力科學研究院，北京市100192)

特高壓直流輸電分極接入運行特性分析

王旌1, 韓民曉1，姚蜀軍1，田春箏2，司瑞華2，唐曉駿3

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市102206；2. 國網河南省電力公司經濟技術研究院，鄭州市 450000；3. 中國電力科學研究院，北京市100192)

為了從電網結構上有效解決傳統兩端特高壓直流輸電系統因大容量功率傳輸對受端交流系統沖擊較大的問題，該文提出了采取分極接入交流電網的方式，將直流功率輸送至2個不同區域、不同電壓等級的電網中。建立了分極接入模式下交直流系統的等效模型，給出了分極接入短路比定義，并分析了分極接入模式下短路比對功率傳輸能力的影響；基于對特高壓直流輸電控制系統分層結構的分析，對分極接入控制系統結構配置方案進行優化；以河南電網2020年規劃為依據，應用PSCAD/EMTDC仿真驗證了控制策略的合理性并對故障響應進行了分析，研究一極發生故障對健全極功率傳輸的影響，驗證了分極接入的優勢，為特高壓直流輸電的電網規劃提供設計參考。

特高壓直流輸電；分極接入；短路比；控制系統；暫態響應

0 引 言

目前我國已處于“十三五”西北大型煤電和可再生能源基地、西南大型水電基地的快速建設和開發時期，將電能從這些經濟發展水平較為落后的地區傳輸至華北、華東和華南這些用電需求高的發達地區，可以有效緩解我國能源分布與經濟發展水平極不均衡問題。特高壓直流輸電技術具有輸送距離遠、輸送容量大等優勢，在我國得到了快速發展與應用[1-4]。目前大多數特高壓直流輸電工程為傳統線路換相換流器(line commutated converter， LCC)型兩端系統，如已投入運行的向家壩—上海、錦屏—蘇南、哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程。隨著特高壓直流輸電技術的不斷完善與發展，送電距離越來越遠，輸送容量也越來越大，如于2016年初啟動建設的準東—皖南±1 100 kV特高壓直流輸電工程，輸送距離長達3 324 km，輸送容量增至12 000 MW，這對受端電網的支撐能力提出了更高的要求。特別是目前我國多條高壓直流輸電線路的受端落點電氣距離很近，形成多饋入直流輸電系統后，1次故障可能引起多個逆變站同時或相繼發生換相失敗，甚至導致直流功率傳輸的中斷，給整個直流輸電系統帶來巨大沖擊，對電網的安全穩定運行造成巨大威脅。

當輸送容量超過5 000 MW時，通常1個受端落點無法消納如此大的電能，采用多個分散式的受端來消納功率成為必要，在故障條件下對受端交流系統的沖擊影響也會變小[5]。為解決多落點受電問題，一個重要的發展方向是在經濟性和靈活性上具有一定優勢的多端饋入直流輸電技術。針對于這一發展趨勢，近年來很多學者對并聯多端饋入[6-7]和分層接入[8-12]模式的結構特點與控制策略進行了一定研究，其中分層接入即雙高端換流閥與雙低端換流閥分別接入到不同電壓等級電網的模式已確定應用于目前正處于建設中的錫盟—泰州±800 kV特高壓直流工程。但對于此種饋入模式，若其中一端受端交流系統發生換相失敗會導致直流電壓下降和直流電流上升，由于高端換流閥與低端換流閥為串聯關系，直流電流的增大會導致另一端交流系統也發生換相失敗，影響整個直流工程的功率傳輸。

本文從分極接入的設計特點出發，對分極接入接線形式的原理與優勢進行分析，從短路比的角度驗證其在功率輸送能力方面的優越性，并基于結構特點對其控制結構進行優化配置，最后對工程算例進行仿真分析，對其在不同故障下的暫態響應進行研究。

1 特高壓直流分極接入模型

1.1 分極接入拓撲形式

分極接入是指直流輸電工程的正極與負極輸電線路分別接入到不同的換流母線。根據受端交流系統電氣特性的不同又可以細分為分極分層饋入與分極單層饋入，分層饋入是指2個受端交流系統的電壓等級不同，單層饋入是指2個受端交流系統的電壓等級相同。另外，2個饋入點電氣距離的遠近對分極接入的拓撲形式也有影響，具體饋入點的位置需要通過特高壓直流輸電工程規劃以及各負荷中心的電力需求進行合理選擇。圖1為分極分層饋入拓撲，此時2個饋入點的電氣距離較近，Ei和Ej分別為受端交流系統的等值電勢，Zi和Zj分別為受端交流系統的等值阻抗，受端換流母線間通過變壓器及線路互聯阻抗Zij互聯。對于分極單層饋入，Ei和Ej相同且互聯變壓器變比k為1。當2個受端饋入點電氣距離較遠時互聯阻抗Zij為無窮大。

圖1 分極分層饋入拓撲

1.2 分極接入短路比分析

由分極接入的拓撲可知，分極接入可以看作對稱的2個單極直流輸電系統分別輸送功率至2個受端，那么在對分極接入的短路比進行分析研究時可參考多饋入直流系統短路比的計算方法。在考慮到多回直流輸電線路之間的相互影響作用，CIGRE多饋入直流工作組提出的多饋入直流系統短路比[13]的計算公式如下：

(1)

式中：RMSCi為第i回直流線路對應的多饋入短路比；Saci為第i回換流母線交流側系統短路容量；Pdeqi為考慮其他直流回路影響后的等值直流功率；Pdi為第i回直流線路的額定功率；UNi為第i回換流母線上的額定電壓；Zeqii為等值阻抗矩陣中第i回換流母線對應的自阻抗；Zeqij為等值阻抗矩陣中第i回換流母線和第j回換流母線之間的互阻抗。

所以當以換流母線額定電壓UNi為基準電壓時，分極接入短路比RSPCSCi可表示為

(2)

式中Pdj為j回直流線路的額定功率。

1.2.1 2個饋入點間電氣距離較遠

當2個饋入點的電氣距離較遠時，受端交流系統換流母線之間沒有直接的電氣連接，即沒有相互作用，此時受端交流系統的短路比為

(3)

當正負極輸送功率相同即Pdi=Pdj時，可以看出由于2個饋入點接受的直流功率相比單端饋入分別

減半，受端交流系統短路比分別增大為單端饋入時的2倍。

1.2.2 2個饋入點間電氣距離較近

當2個饋入點的電氣距離較近時，其受端簡化結構圖和對變壓器進行π等值后的節點網絡圖如圖2所示。其中ZT為互聯變壓器的等值阻抗。

圖2 分極分層饋入模式簡化圖

列寫節點導納矩陣：

(4)

通過節點消去法[14]消去圖2中的節點m，并對導納矩陣進行求逆可得節點阻抗矩陣為

(5)

代入公式(2)可得分極接入下受端交流系統i的等效短路比為

(6)

同理，分極接入下受端交流系統j的等效短路比為

(7)

當2個受端交流系統電壓等級相同時，式中k=1，ZT=0。

1.3 分極接入短路比與直流功率傳輸的關系

以分極接入直流系統的一個極為研究對象，直流電壓在逆變側可表示為

(8)

式中：UdI為逆變側直流電壓；N為每極中6脈動換流器的個數；kI為換流變壓器的變比；EI逆變側交流系統線電壓有效值；γ為熄弧角；XI為逆變站等值換相電抗，等于換流變壓器的漏抗XT與受端交流系統等值電抗XS之和；Id為直流電流。

則該極的有功功率傳輸值可表示為

(9)

由于XS的標幺值為受端系統等效短路比的倒數，即XS=1/RSPCSC，所以分極接入系統總傳輸功率值Pd為

Pd=Pdi+Pdj=

(10)

由此可看出在設定的系統參數與運行條件下，短路比大小對直流功率的傳輸有直接影響，不同短路比對最大直流功率傳輸曲線的影響在下文的算例分析中體現。

2 分極接入控制系統結構

按IEC 60633—2015對高壓直流輸電控制系統的分層定義[15]，直流控制功能可分為交直流系統層、區域層、雙極層、極層和換流器單元層，各控制層通過協調配合實現對直流輸電系統的控制功能[16]。雙極控制級的主要功能是對雙極功率的控制，用設定的雙極功率傳輸值除以雙極直流電壓得到對應的電流指令。如果一極發生故障或者降壓運行而導致直流電壓下降，由Pd/Ud單元計算得到的電流參考值將變大，使得健全極過負荷運行以保證對受端直流功率的傳送，當故障極恢復運行后控制功能再調節功率平均分配至兩極。然而在分極接入模式下，由于兩極線路分別接入到不同的受端交流系統，不需要健全極過負荷運行以保證總功率傳輸。為保證在發生單極故障時不會對健全極產生較大擾動，實現極間故障隔離，在分極接入的系統分層結構中取消雙極控制，兩端換流站直流控制系統總體結構如圖3所示。

兩端換流站均按極配有2套極層控制設備和4套閥組控制設備。極層控制是換流站的控制核心，各極功率指令直接由極控制層接收并產生電流指令，實

圖3 分極接入直流控制系統總體結構

現對直流電流、直流電壓和熄弧角的閉環控制。其中整流側控制電流，逆變側控制電壓，并以定電流控制器為后備。另外整流側與逆變側也均設有電壓調節控制器和低壓限流控制環節，以實現系統在非正常運行狀態下的安全運行與快速恢復。極控制系統的簡化控制模型如圖4所示。

圖4 極控制系統控制模型

極功率控制(pole power control，PPC)將功率指令轉換為電流指令，經低壓限流控制器(voltage dependent current order limiter，VDCOL)限幅后，最終的電流指令傳遞給電流放大器(current control amplifier，CCA)，輸出換流閥觸發角α。該控制系統為限幅型，主要體現在CCA輸出的換流閥觸發角α經各個控制模塊對上、下幅值進行限制以實現特定的控制功能。其中換相失敗預測(commutation failure prediction，CFPRE)通過對交流電壓的監測判斷是否可能發生換相失敗；最大觸發角限制(alpha max，AMAX)預測并輸出能保證直流系統安全運行的最大觸發角；直流電壓控制器(voltage control amplifier，VCA)在降壓運行方式下起定電壓控制的作用；整流側最小觸發角控制(rectifier alpha min limiter，RAML)判斷整流側交流故障的嚴重程度并限制α的最小值；逆變側熄弧角γ零啟動負責在某些特殊條件下將熄弧角的值強制置于特定值以最大限度地拉高直流電壓，從而加快系統的恢復速度。

由于分極接入下的直流受端正負極分別饋入2個交流系統，分別配置相應的交流濾波器組，并且對無功功率的控制需要分別配備控制系統，獨立控制各自的交流電壓和無功功率，以實現各交流母線配置的濾波器組投切的獨立控制，保證換流站與交流系統之間的無功功率交換保持在給定范圍內；同樣，對換流變壓器分接頭的控制也需要2套控制系統，實現對2個交流系統的獨立響應。

3 分極接入直流功率輸送能力算例分析

根據河南電網2020年規劃數據，取受端交流系統i和j電壓等級分別為500 kV與1 000 kV，其中交流系統i的等值阻抗的標幺值Zi=(0.067 6+j0.252 2)pu，交流系統j的等值阻抗標幺值Zj=(0.058 5+j0.218 5) pu。根據電力變壓器等值阻抗取值范圍，取互聯變壓器阻抗標幺值ZT=0.18 pu，且由于變壓器的電阻值較小可忽略不計，在計算時僅考慮電抗值，近似認為ZT≈XT=0.18 pu。饋入點間線路單位阻抗取值為Z0=(0.08+j0.4) Ω/km，線路長度為140 km，將計算得到的互聯阻抗歸算至交流系統i側后的標幺值為Zij=(0.216 4+j1.082 1) pu。

經計算，在單端饋入、2個受端饋入點電氣距離較遠(受端換流母線間無電氣聯系)時分極接入、2個受端饋入點電氣距離較近(受端換流母線間有電氣聯系)時分極接入等幾種不同饋入方式下的短路比如表1所示。

表1 不同饋入方式下的短路比

Table 1 Short circuit ratios under different

connection modes

設定熄弧角額定值γ=18°，將本算例的相關參數代入上述公式可得到不同饋入方式下的總功率傳輸曲線如圖5所示。

圖5 直流功率傳輸曲線

當受端系統運行于最大功率曲線的左側時功率穩定，當運行于曲線右側時則已經超過最大接納功率極限，功率不穩定。由圖5可知，短路比的值越大，最大直流功率傳輸值越大，且額定運行工作點距最大直流功率傳輸點間裕度越大。在受端系統參數相同的情況下，分極接入方式下短路比的值明顯大于單端饋入時的，其最大傳輸功率值約可達到單端饋入時的1.5倍，且有效擴大了系統安全穩定運行范圍。

4 分極接入故障響應仿真

為了對分極接入直流輸電的優越性和控制系統的有效性進行驗證，本文根據河南省2020年特高壓直流輸電線路規劃數據，基于PSCAD/EMTDC建立仿真模型，直流系統額定電壓為±1 100 kV，額定輸送功率為12 000 MW，送端交流電網額定運行電壓為775 kV，短路電流為48 kA，正極(極Ⅰ)和負極(極Ⅱ)分別饋入電壓等級為1 000 kV和500 kV，短路電流為30.6 kA和53 kA的交流電網。

(1)設置極Ⅰ所連接的1 000 kV交流系統在6.0 s時發生單相接地故障，故障持續時間為 100 ms。在2個受端饋入點間是否有直接電氣聯系2種情況下的故障響應波形如圖6所示。

圖6 單相接地故障暫態響應曲線

(2)設置極Ⅰ直流出口處在6.0 s時發生接地故障，故障持續時間為100 ms。在2個受端饋入點間是否有直接電氣聯系2種情況下的故障響應波形如圖7所示。

圖7 直流線路接地故障暫態響應曲線

由仿真結果可知，在極I饋入的交流系統發生單相接地故障時，若2個受端饋入點之間電氣距離較遠即無直接電氣聯系，在故障期間極I發生換相失敗，該極電壓迅速下降并不能傳輸功率，而由于對各極實施獨立的功率控制策略，極II只受到很小的波動并可以迅速恢復正常運行狀態，實現了故障隔離；若2個饋入點間電氣距離較近，通過變壓器與阻抗互聯，在極I單向故障期間，該極換流母線電壓降低，2個受端饋入系統間的電氣耦合作用使得極II的換流母線電壓降低，導致極II也發生換相失敗，功率傳輸受到影響。在極I發生直流線路接地故障時，故障期間極I直流電壓和功率迅速下降至0，但是無論2個受端饋入系統是否有電氣聯系，極II均只受到較小擾動，不影響該極的穩定運行。

5 結 論

本文通過對特高壓直流輸電分極接入短路比及其對功率傳輸能力影響的分析，驗證了分極接入模式可以顯著提高受端交流系統對直流功率的接納能力，增強了在進行大功率傳輸時的功率穩定性；提出了分極接入控制系統的整體構架，基于受端通過2個逆變站饋入不同交流系統的特點對2個交流系統的信號進行相對獨立的處理，實現對各極功率傳輸與啟停的獨立控制；最后基于EMTDC/PSCAD平臺搭建模型進行仿真驗證，結果表示，在分極接入2個不同區域的異步交流電網時，如果單極發生故障，另一極受影響很小，具有良好的響應特性，不影響該極的功率傳送，相比分層接入饋入模式具有更好的暫態響應特性，實現了對故障的極間隔離。

致 謝

本文的研究工作得到了國網河南省電力公司和中國電力科學研究院“未來河南電網特高壓直流落點饋入方式及優選方法研究”項目的支持，在此表示衷心的感謝。

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(編輯 張小飛)

Operation Characteristic Analysis for UHVDC Transmission in Separating Pole Connection Mode

WANG Jing1, HAN Minxiao1, YAO Shujun1, TIAN Chunzheng2, SI Ruihua2, TANG Xiaojun3

(1. School of Electrical&Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Henan Electric Power Company Economic Research Institute, Zhengzhou 450000, China; 3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, china)

The traditional two-terminal UHVDC transmission system has big impact on the receiving end because of its great capacity of power transmission. For this problem, this paper proposes a novel separating pole connection (SPC) mode, which can transmit power to two receiving power systems in different locations and voltage degrees. Firstly, this paper establishes the equivalent model of AC/DC system under SPC mode, presents the improved definition of separating pole connection short circuit ratio (SPCSCR), and analyzes the abilities of power transmission related with SPCSCRs. Based on the analysis on the layered structure of UHVDC transmission control system, this paper optimizes the structure configuration scheme of the SPC control. Based on the Henan Grid Planning in 2020, this paper verifies the rationality of the control strategy and analyzes its fault response through the simulation in PSCAD/EMTDC. Finally, this paper studies the impact of one pole fault on other poles’ power transmission, verifies the advantage of SPC, which can provide design reference for the grid planning of of UHVDC transmission.

UHVDC transmission; separating pole connection; short circuit ratio; control system; transient response

國家電網公司科技項目(XTB51201601116)

TM 722

A

1000-7229(2016)10-0054-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.008

2016-06-28

王旌(1993)，女，碩士研究生，主要研究方向為高壓直流輸電；

韓民曉(1963)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為直流輸電、柔性交流輸電、電能質量分析等；

姚蜀軍(1973)，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向為電力系統建模與仿真；

田春箏(1982)，男，碩士，研究方向為電力系統規劃、電力系統建模與仿真；

司瑞華(1984)，男，碩士，研究方向為電力系統穩定分析與控制；

唐曉駿(1978)，男，工程師，研究方向為電力系統運行控制技術。