混合雙饋入直流系統中VSC-HVDC對LCC-HVDC換相失敗抵御能力的影響

陸翌，劉博，童凱，宣佳卓，李繼紅，倪曉軍，郭春義

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，浙江杭州310014；2.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京102206；3.國網浙江省電力公司，浙江 杭州310007）

混合雙饋入直流系統中VSC-HVDC對LCC-HVDC換相失敗抵御能力的影響

陸翌1，劉博2，童凱1，宣佳卓1，李繼紅3，倪曉軍1，郭春義2

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，浙江杭州310014；2.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京102206；3.國網浙江省電力公司，浙江 杭州310007）

基于電網換相換流器的高壓直流輸電（line commutated converterbased high voltage direct current，LCC-HVDC）具有輸送容量大、可實現電網的非同步并網等優勢[1-3]。目前，我國已投運了約23項LCC-HVDC工程，然而由于LCC-HVDC換流器采用無自關斷能力的晶閘管作為換流元件，換相失敗問題不可避免[4-5]。特別是當LCC-HVDC的受端交流系統較弱時，換相失敗問題將愈發突出。再者，在我國的華東電網和南方電網，由于多條LCC-HVDC的饋入形成了多饋入直流輸電系統，交流與直流、直流與直流之間有很強的相互作用，因而在某些情況下，有可能存在多個直流系統發生級聯換相失敗，給系統的安全穩定運行帶來了潛在的威脅[6-8]。

20世紀90年代以后，采用全控型器件的電壓源換流器高壓直流輸電（voltage source converter based HVDC，VSC-HVDC）迅速發展。與LCC-HVDC相比，VSC-HVDC可以實現有功和無功功率四象限獨立控制，且不存在換相失敗風險[9-12]，其技術優勢為增強LCC-HVDC系統強度或抑制LCC-HVDC的換相失敗問題提供了可行方案。

隨著LCC-HVDC的廣泛應用以及VSC-HVDC的快速發展，混合多饋入直流輸電系統的應用場景日益廣泛。在混合多饋入系統中，LCC-HVDC和VSCHVDC饋入同一交流系統或者兩者間的電氣距離很短，因此可以利用VSC-HVDC無功功率快速調節的優勢改善LCC-HVDC的運行特性，尤其是增強LCCHVDC的換相失敗抵御能力。

國內外的學者針對混合雙饋入直流輸電系統中利用VSC-HVDC改善LCC-HVDC換相失敗的問題展開了一些有意義的研究。

文獻[13]提出了混合雙饋入直流輸電系統的基本結構，并研究了系統的協調控制策略，提高了LCC-HVDC的換相失敗抵御能力；文獻[14]研究了VSC-HVDC的無功功率支撐能力，改善了系統的頻率特性和LCC-HVDC的故障恢復能力；文獻[15]設計了通過混合雙饋入系統向無源網絡供電的方法，并分析了該系統在交流系統故障后的暫態協調控制策略；文獻[16-18]研究了混合雙饋入直流輸電系統的暫態運行特性，設計了交流系統故障后VSC換流器的無功控制方法，提高了系統的功率和電壓恢復能力；文獻[19-20]提出了利用STATCOM降低LCCHVDC換相失敗概率的方法，而STATCOM可以看作不傳輸有功功率的特殊電壓源換流器。

然而上述的研究存在以下的問題：1）VSCHVDC改善LCC-HVDC換相失敗問題的機理還不夠明確；2）VSC-HVDC對LCC-HVDC換相失敗改善程度的影響因素，如VSC無功控制策略、VSC控制參數等缺乏相關的研究。

針對以上問題，本文基于混合雙饋入直流輸電系統的電磁暫態仿真模型，首先研究了VSC-HVDC配備2種不同無功控制器情況下LCC-HVDC的換相失敗抵御能力，對比了故障過程中VSC-HVDC的無功功率、LCC-HVDC的母線電壓以及LCC晶閘管閥的換相電壓和換相電流，得到了VSC-HVDC改善LCC-HVDC換相失敗問題的機理。在此基礎上，研究了VSC與LCC電氣距離變化和VSC控制器調節速度變化情況下LCC-HVDC的換相失敗抵御能力和故障恢復特性，得到了VSC-HVDC對LCC-HVDC換相過程的影響規律。

1 混合雙饋入直流輸電系統

基于PSCAD/EMTDC，搭建了包含LCC-HVDC和VSC-HVDC的混合雙饋入直流輸電系統仿真模型，模型結構如圖1所示，圖中阻抗Zt用來模擬LCC和VSC逆變器之間聯絡線的阻抗。

圖1 混合雙饋入直流輸電系統模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dual-infeed HVDC system

在圖1中，LCC-HVDC的仿真模型同標準測試模型CigreBenchmark[21]，其一次系統參數如表1所示。

表1 LCC-HVDC一次系統參數Tab.1 The main parameters of the LCC-HVDC

圖1中VSC-HVDC直流電壓等級為±160 kV，容量為500 MW，其具體的一次參數如表2所示。

表2 VSC-HVDC一次系統參數Tab.2 The main parameters of the VSC-HVDC

混合雙饋入系統中LCC-HVDC整流側配備定直流電流控制器，逆變側配備定關斷角控制器；VSCHVDC整流側配備定直流電壓和定無功功率控制器，逆變側有功類控制配備定有功功率控制器，無功類控制配備定交流電壓和定無功功率2種控制器，系統的詳細控制參數如表3所示。

表3 控制系統的參數Tab.3 The control parameters

2 VSC改善LCC-HVDC換相失敗問題的機理

2.1 VSC無功控制策略對LCC-HVDC換相過程的影響

由文獻[15]可知，VSC能夠改善LCC-HVDC換相失敗問題的原因在于VSC-HVDC具有靈活的電壓調節能力。為了進一步深入分析VSC無功控制策略對LCC-HVDC換相過程的影響，基于PSCAD/EMTDC搭建了以下2種仿真算例：1）混合雙饋入系統，其中VSC-HVDC逆變器配備定無功功率控制器；2）混合雙饋入系統，其中VSC-HVDC逆變器配備定交流電壓控制器。以上2個算例僅無功控制策略不同，一次參數和控制系統參數相同，如表1、表2和表3所示。

1）VSC-HVDC無功控制策略對LCC-HVDC換相失敗抵御能力的影響。

為了定量評估LCC-HVDC的換相失敗抵御能力，本文采用直流系統換相失敗抵御能力（commutation failure immunity index，CFII）指標進行對比分析。CFII的計算方法為

式中：Vrated為母線額定電壓；Lm為接地故障情況下LCC-HVDC無換相失敗問題的接地電感最小值；Prated為直流額定功率。CFII值越大，則表示LCCHVDC的換相失敗抵御能力越強。

基于PSCAD/EMTDC，當系統運行到1.0 s的穩定狀態時，在LCC交流母線處設置電感性接地故障，故障持續時間為100 ms。不斷減小接地電感，觀測系統是否發生換相失敗，得到不同故障合閘角情況下LCC-HVDC的臨界電感Lm，進而得到CFII曲線。其中故障合閘角表示一個工頻內故障發生的不同時刻，其具體的定義見文獻[22]。在單相接地故障和三相接地故障情況下，LCC-HVDC的CFII曲線如圖2所示。

圖2 LCC-HVDC的CFII曲線Fig.2 The CFII curve of the LCC-HVDC

由圖2可以看到，當VSC-HVDC配備定交流電壓控制器時，LCC-HVDC的CFII曲線明顯高于VSCHVDC配備定無功功率控制器時的CFII曲線。當系統發生單相接地故障時，在VSC配備定交流電壓控制器的情況下，相比定無功功率控制，LCC-HVDC的CFII值增大了5%；當系統發生三相接地故障時，LCC-HVDC的CFII值增大了7%。上述數據說明了VSC-HVDC能夠提高LCC-HVDC換相失敗抵御能力的原因在于VSC本身的交流電壓調節能力。

2）VSC-HVDC無功控制策略對交流故障期間LCC-HVDC直流功率恢復速度的影響。

在1）的基礎上，研究了VSC-HVDC配備不同的無功類控制器情況下LCC-HVDC在交流母線接地故障期間的直流功率恢復速度。

采用如下3種案例來分析LCC-HVDC在交流母線接地故障期間的直流功率恢復速度：1）CFII為24%，VSC配備定交流電壓控制器和定無功功率控制器2種情況下系統都沒有發生換相失??；2）CFII為34%，LCC-HVDC僅在VSC配備定交流電壓控制器的情況下才不發生換相失??；3）CFII為42%，VSC配備2種不同無功控制器情況下LCC-HVDC都發生了換相失敗。3種案例中故障合閘角均為0°，在交流母線接地故障期間LCC-HVDC的直流功率恢復特性如圖3所示。

圖3 功率恢復速度對比Fig.3 The comparison of power recovery performance

通過圖3的對比可以得到結論，除了案例三，即由于CFII過大導致2種無功控制策略下LCC-HVDC都發生換相失敗的情況外，其余2個案例中VSCHVDC配備定交流電壓控制器情況下LCC-HVDC均能獲得更快的直流功率恢復速度。其中CFII為24%，VSC-HVDC配備定交流電壓控制器時，相比定無功功率控制，LCC-HVDC直流功率損失峰值減小了0.15 pu，當CFII為34%時，LCC-HVDC的直流功率損失峰值減小了0.4 pu。

2.2 VSC改善LCC-HVDC換相過程的機理

2.1節的研究表明，當VSC-HVDC的逆變器配備定交流電壓控制器情況下，相比定無功功率控制，LCC-HVDC具備更優的換相失敗抵御能力和更快的直流功率恢復速度。

為了深入研究VSC改善LCC換相失敗問題的機理，當CFII為24%時，對故障期間LCC-HVDC的直流功率、VSC-HVDC的直流功率、LCC-HVDC的母線電壓、LCC逆變器的關斷角等進行了仿真對比，對比波形如圖4所示。

由圖4（b）可知，當VSC-HVDC配備定交流電壓控制器情況下，VSC向系統提供了無功功功率，峰值為145 MV·A；而在定無功功率情況下，VSC與交流系統基本沒有無功功率的交換。由于上述區別，VSC-HVDC配備定交流電壓控制器情況下LCCHVDC的直流功率減小量更?。贿M一步通過圖4（c）—圖4（d）的對比可以發現，VSC配備定交流電壓控制器的情況下，LCC-HVDC的母線電壓跌落量也更小，關斷角更加穩定。

圖4 系統的運行特性對比Fig.4 The comparison of the operation characteristics

增大CFII至34%，仿真得到LCC逆變器a相上閥臂的換相電壓和換相電流，如圖5所示。其中圖5（a）虛線部分的放大圖如圖5（b）所示，圖5（b）虛線部分的放大圖如圖5（c）所示。圖中后綴“1”表示VSCHVDC配備定交流電壓控制器情況下的物理量，后綴“2”表示VSC-HVDC配備定無功功率控制器情況下的物理量。

對比圖5（a）可以發現，在VSC-HVDC逆變器配備定交流電壓控制器的情況下，系統成功換相，而在VSC-HVDC配備定無功功率控制器情況下，系統發生了換相失敗。通過圖5（b）和圖5（c）的對比可知，造成上述區別的原因在于，定交流電壓控制策略下LCC的換相電壓幅值v_1更大，同時換相電壓過零點更加滯后，此種情況下晶閘管能夠獲得更大的反相換相電壓-時間面積，進而LCC的換相電流i_1下降速度更快，系統能夠成功換相。而當VSC-HVDC配備定無功功率控制器時，晶閘管未能獲得足夠大的反相換相電壓-時間面積，系統發生換相失敗。

圖5 換流閥的換相電壓與換相電流Fig.5 The commutation voltage and current of the thyristor

通過上述研究發現，VSC-HVDC改善LCCHVDC換相失敗問題的本質在于VSC通過向系統提供無功功率的方式，穩定了LCC的母線電壓，從而使得LCC換流器中的晶閘管在關斷期間獲得更大的反向電壓-時間面積，提高換相電流的減小速度，進而增強了LCC-HVDC換相失敗的抵御能力。

3 VSC影響LCC-HVDC換相過程的主要因素

第2節分析了VSC-HVDC配備定交流電壓控制器情況下改善LCC-HVDC換相失敗問題的機理。本節在此基礎上研究VSC與LCC的電氣距離、VSC定交流電壓控制器調節速度對該改善作用的影響。

3.1 VSC與LCC間電氣距離對LCC-HVDC換相過程的影響

改變LCC逆變器和VSC逆變器之間的聯絡線阻抗Zt，用來模擬兩者間不同的電氣距離。仿真測得單相電感性接地故障和三相電感性接地故障下電氣距離分別為20 km、50 km、100 km時LCC-HVDC的CFII曲線，如圖6所示。

圖6 電氣距離變化情況下LCC-HVDC的CFII曲線Fig.6 The CFII of the LCC-HVDC with different electrical distance

由圖6可知，單相電感性接地故障情況下，VSC與LCC電氣距離為20 km時，LCC-HVDC的CFII值最大，其平均值為45%；電氣距離為100 km時，LCCHVDC的CFII值最小，其平均值為33%。三相接地故障情況下也具有類似的規律。由此可見，LCC-HVDC的換相失敗抵御能力和VSC與LCC間的電氣距離有關，當電氣距離越大時，VSC對LCC的電壓支撐能力越弱，則LCC-HVDC的CFII值越小。

3.2 VSC-HVDC定交流電壓控制器的調節速度對LCC-HVDC換相過程的影響

進一步研究VSC-HVDC定交流電壓控制器的調節速度對LCC-HVDC換相失敗抵御能力的影響規律。

保持VSC-HVDC逆變側定交流電壓控制器的外環PI參數不變，改變內環控制器的PI比例參數，參數越大則表示內環響應速度越快，其余控制參數保持如表3不變。測量得到單相接地故障和三相接地故障情況下LCC-HVDC的CFII曲線，如圖7所示。

由圖7可知，對于單相接地故障，當內環PI控制器比例參數為0.05時，LCC-HVDC的CFII值最小，其平均值為33%；當內環PI控制器比例參數為1.0時，LCC-HVDC的CFII值最大，其平均值為37%，三相接地故障情況下具有類似的規律。

利用類似的思路，保持VSC-HVDC逆變側定交流電壓控制的內環控制器PI參數不變，改變外環控制器的PI比例參數，其余控制參數保持如表3不變，測量得到單相接地故障和三相接地故障情況下LCC-HVDC的CFII曲線，如圖8所示。

圖7 VSC控制器內環調節速度不同時系統的CFII曲線Fig.7 The CFII of the LC-HVDC with different inner loop PI parameters in VSC

圖8 VSC控制器外環調節速度不同時系統的CFII曲線Fig.8 The CFII with different outer loop PI parameters in VSC

由圖8可知，對于單相接地故障，當外環PI控制器比例參數為0.1時，LCC-HVDC的CFII值最小，其平均值為31%；當外環PI控制器比例參數為2.0時，LCC-HVDC的CFII值最大，其平均值為37%，三相接地故障情況下具有類似的規律。

由本節的研究可知，當VSC-HVDC的逆變器配備定交流電壓控制的情況下，LCC-HVDC的換相失敗抵御能力和VSC定交流電壓控制器的調節速度有關，在系統穩定的前提下，控制器內外環PI控制器參數越大，即VSC對系統交流電壓的調節速度越快，則LCC-HVDC的CFII值越大。

4 結論

本文研究了混合雙饋入系統中VSC-HVDC改善LCC-HVDC換相失敗問題的機理。對比了VSC無功控制策略、VSC與LCC間電氣距離不同時LCCHVDC的換相失敗抵御能力，得到如下結論。

1）混合雙饋入直流輸電系統中VSC-HVDC改善LCC-HVDC換相失敗問題的機理：VSC-HVDC在LCC交流母線接地故障期間為系統提供無功補償功率，穩定VSC-HVDC的交流母線電壓，進而減小LCC-HVDC母線電壓跌落程度，增大LCC換流閥的換相電壓-時間面積。

2）VSC-HVDC改善LCC-HVDC換相失敗問題的能力受到VSC與LCC間電氣距離的影響，電氣距離越近，改善效果越好。

3）VSC-HVDC改善LCC-HVDC換相失敗問題的能力受到VSC定交流電壓控制器調節速度的影響，調節速度越快，改善效果越好。

上述研究成果可以為混合雙饋入直流輸電系統的設計和分析提供理論指導。

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Impact of VSC-HVDC on the Commutation Failure Immunity of LCC-HVDC in Dual-Infeed Hybrid HVDC System

LU Yi1，LIU Bo2，TONG Kai1，XUAN Jiazhuo1，LI Jihong3，NI Xiaojun1，GUO Chunyi2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310014，Zhejiang，China；2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources（North China Electric Power University），Beijing 102206；3.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，Zhejiang，China）

The VSC-HVDC helps to improve the commutation failure immunity （CFII）of the LCC-HVDC in the hybrid dual-infeed HVDC system.In this paper，a simulation model of the dual-infeed HVDC system is established in the PSCAD/EMTDC.The CFII of LCC-HVDC is analyzed when VSC is equipped with two different types of reactive power controllers.The principle of utilizing VSC-HVDC to improve the CFII of LCC-HVDC is revealed by the analysis of the operating characteristics of the system during the fault.In order to get the main factors that will influence the commutation and power recovery performance of LCC-HVDC，the distance between VSC and LCC and the control parameters of VSC is varied.The results could provide valuable theoretical guide for the design and analysis of dual-infeed hybrid HVDC system.

hybrid dual-infeed HVDC system;HVDC power transmission system;commutation failure;power recovery;controller parameters

混合雙饋入直流輸電系統中VSC-HVDC能夠改善LCC-HVDC的換相失敗抵御能力?；赑SCAD/EMTDC搭建了混合雙饋入直流輸電系統的電磁暫態仿真模型，研究了當VSC配備2種典型無功控制器，即定無功功率控制器和定交流電壓控制器情況下，LCC-HVDC的換相失敗抵御能力。通過分析LCC交流母線接地故障情況下系統的運行特性，揭示了VSC-HVDC改善LCC-HVDC換相失敗問題的機理。在此基礎上，分析了VSC-HVDC對LCC-HVDC換相失敗問題改善程度的主要影響因素，研究了VSC與LCC電氣距離、VSC控制器調節速度變化時LCC-HVDC的換相特性和故障后直流功率恢復速度。結果表明：結論可以為相關工程的設計和分析提供理論指導。

混合雙饋入直流輸電系統；高壓直流輸電；換相失?。还β驶謴停豢刂破鲄?/p>

國家自然科學基金項目（51507060）；國網浙江省電力公司科技項目（5211DS150029）。

Project Supported by the National Science Foundation of China（51507060）；Science and Technology Project of State Grid Zhejiang Electric Power Company（5211DS150029）.

1674-3814（2017）09-0001-07

TM72

A

2017-04-21。

陸 翌（1979—），男，博士，高級工程師，主要研究方向高壓直流輸電技術和柔性直流輸電及大功率電力電子技術；

劉 博（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向為高壓直流輸電；

倪曉軍（1989—），男，博士，主要研究方向為高壓直流輸電、混合直流輸電技術；

郭春義（1984—），男，副教授，主要研究方向為高壓直流輸電、混合直流輸電技術。

（編輯 馮露）