兩類逆變側控制策略對系統電壓與直流主回路設計影響

黃 勇

（國家電網公司，北京 100032）

電網換相型LCC（line commutated converter）的高壓直流HVDC（high voltage direct current）輸電在遠距離大容量輸電和聯網方面具有顯著優勢，在我國電力系統中起到重要作用[1-3]。針對LCC的HVDC系統通常采用的控制策略有兩類：①在穩態工況下，整流側定直流功率、逆變側定關斷角的控制策略；②在穩態工況下，整流側定直流功率、逆變側定直流電壓的控制策略[4]。兩種控制策略的區別主要在于逆變側的控制方式，目前國內已投運的直流工程中，向上、錦蘇、哈鄭、賓金等直流工程采用逆變側定關斷角控制策略，天廣、貴廣、云廣、糯扎渡等直流工程采用逆變側定電壓控制策略[5]。

逆變側選擇不同的控制方式將會在一定程度上影響外界發生擾動時直流系統的電壓調節特性[6-7]，同時也將決定直流主回路設計、無功補償配置方案以及設備絕緣水平，從而影響整體的直流成套設計方案[8-10]。以往分別針對這兩種控制策略的直流系統所進行的理論研究與工程設計均有先例[11-14]，但缺乏基于同一直流工程的系統條件對兩種控制策略進行綜合比較的研究文獻，未能就系統暫穩態電壓恢復特性以及直流成套設計的相關參數指標進行量化的分析與對比。基于該背景，本文依托國內某實際特高壓直流工程系統條件參數，首先對兩種逆變側控制策略的控制原理邏輯結構與電壓調節特性進行了理論研究與計算對比，然后基于實時數字仿真RTDS（real-time digital simulation）系統搭建了直流工程模型，模擬實際運行工況對兩種策略在外界擾動下的電壓恢復響應特性進行了仿真驗證，最后從直流成套設計角度進一步分析了采用兩種不同控制策略所引起的系統與設備參數差別，綜合評估了對整體設計方案的影響。

1 兩種直流系統電壓控制策略

1.1 定電壓控制策略

定電壓控制策略指HVDC系統穩態運行時逆變側處于定直流電壓控制方式，通過調節逆變側換流變壓器分接頭和關斷角γ，共同作用控制直流電壓。在穩態工況下直流系統運行在額定關斷角γN附近，當關斷角γ在 γN±2°（或 γN±2.5°）范圍內時，只通過關斷角γ的變化就可保證直流電壓恒定，分接頭不做調節。逆變側定電壓控制策略的控制系統內部邏輯如圖1所示。

圖1 逆變側定電壓控制系統內部邏輯Fig.1 Internal logic of constant-voltage-control system on inverter-side

圖1中αord為最終輸出的觸發角指令值，γinv為逆變側關斷角，Idc為直流電流，Udc為直流電壓，Uref為直流電壓指令值，Tv為電壓測量時間常數，Iref為直流電流指令值，Ic為電流誤差校正，Tp為比例增益時間常數，Umax、Umin為直流電壓最大、最小值限幅，γmin為關斷角最小限制值。通常將γmin設置在16°左右，當關斷角小于γmin時，定關斷角邏輯將起作用，控制關斷角不再進一步減小。當關斷角在額定穩態運行范圍內時，定電壓邏輯發揮作用，通過角度變化使直流電壓維持在額定值。Tp的取值與直流電壓的動態恢復時間相關，Tp取值越大，擾動或故障后直流電壓的恢復過程越慢。

1.2 定關斷角控制策略

定關斷角控制策略指HVDC系統穩態運行時逆變側處于定關斷角控制方式，在穩態工況下，逆變側關斷角γ維持恒定，通過調節逆變站換流變分接檔位，控制直流電壓實際值與額定值的偏差在規定范圍內，相當于逆變站電壓控制的死區。同時，整流站控制直流電流隨直流電壓而改變，使得直流功率維持恒定。例如，當直流電壓Udc下降0.625%時，直流電流將升高0.625%以維持功率不變。定關斷角控制系統內部如圖2所示。

圖2 逆變側定關斷角控制系統內部邏輯Fig.2 Internal logic of constant-extinction-angle-control system on inverter-side

圖2中Ilim為最小直流電流限制值，Udio_ref為直流空載電壓參考值，dx_ref為換流變短路阻抗參考值，G1、G2為各控制環節比例增益，T1、T2為各控制環節時間常數，Kp為定電流比例增益，Km為換相失敗預測增益，Ts為定電流積分時間常數，Amax、Amin分別為觸發角最大、最小限制值，γref為關斷角的額定參考值，目前已投運直流工程通常設置在17°左右。定關斷角的控制邏輯主要可分為電流控制器、電壓控制器、關斷角控制器3部分，3個控制器之間通過限幅的方式協調配合。關斷角控制器的輸出作為電壓調節器的最大值限幅，電壓調節器的輸出在逆變運行時作為電流調節器的最大限幅值（在整流運行時作為最小限幅值）。3個控制器之間依次限幅的配合方式使得在直流運行狀態或外部系統條件變化時，觸發角指令值的變化是平滑的。

2 電壓調節特性對比研究

針對逆變側定電壓與定關斷角兩種控制策略，基于電力系統分析計算軟件PSD-BPA，計算校核了兩種控制策略在電壓調節特性方面的差異。

電壓波動校核基于某直流工程受端電網規劃水平年豐大方式網架，直流系統為滿功率運行，針對受端500 kV換流母線，模擬用于無功補償的濾波器小組投切工況，校核其所引起的電壓波動。對于定關斷角策略的直流系統，穩定程序中采用定關斷角直流控制系統模型；對于定電壓策略的直流系統，穩定程序中定電壓直流控制系統模型。為便于統一比較，對兩種控制策略的仿真均以180 Mvar，并一致選擇額定關斷角為17°，受端500 kV換流站投入一組無功小組直流系統狀態量變化曲線如下圖3所示。

從圖3曲線中可以看出，對于采用定關斷角控制策略的系統，由于穩態運行時逆變側關斷角維持在恒定關斷角為17°運行，故換流站的無功消耗僅僅取決于當前系統電壓；對于采用定直流電壓控制策略的系統，當換流站投入無功小組時，為保證直流電壓恒定，控制系統提升γ角，從而增大了逆變站的無功消耗，保證換流站無功交換平衡，維持電壓穩定。同理在切除無功小組時，控制系統將減小γ角以降低逆變站的無功消耗。

根據無功投切的仿真結果可以得出結論，定電壓控制策略通過讓γ角的穩定運行點在一個區間范圍內浮動，能夠一定程度上降低換流母線電壓因外部擾動所引起的電壓波動。控制器通過調節逆變側γ角到一個新的穩定運行角度，解決換流站的無功缺額或無功過剩，使直流系統在一個新的穩態運行點達到無功平衡。

表1為受端500 kV換流站無功小組投切電壓波動校核數據，可以看出，由于定電壓控制器的作用，當換流母線投切無功補償裝置時，相比定關斷角控制，定電壓控制策略下直流極線與交流母線的電壓波動都相對更小，電壓調節特性更優。

圖3 受端500 kV換流站投入無功小組直流系統狀態量變化曲線Fig.3 Curves of DC system state of 500 kV inverter station at the receiving end when switching on a small reactive power group

表1 受端500 kV換流站無功小組投切電壓波動校核數據Tab.1 Verification data of voltage fluctuation in 500 kV inverter station at the receiving end when switching a small reactive power group

3 RTDS仿真驗證

為進一步比較定電壓與定關斷角策略在系統擾動時的電壓波動情況，依托RTDS進行仿真實驗驗證。根據實際直流工程與近區網架參數，搭建了交直流混聯RTDS模型，模型原理結構如圖4所示。

圖4 直流系統RTDS仿真模型原理結構Fig.4 Schematic of DC system simulation model based on RTDS

在仿真模型基礎上進一步校核驗證更大的系統擾動導致換流站無功支撐能力大幅變化時，兩種控制策略對應的電壓恢復特性。以系統無功瞬時缺額為例，對應的直流電壓、直流電流、交流電壓、關斷角的仿真曲線如圖5所示。

根據RTDS仿真結果可以看出，從換流母線電壓的跌落程度來看，定電壓控制策略的母線電壓跌落約11 kV，降幅為2.1%，此時關斷角從穩態19.8°降低至約17°運行，由此減小了直流系統的無功消耗。定關斷角控制策略的母線電壓跌落約16 kV，降幅為3.0%，此時關斷角在暫態過程后重新恢復至17°運行，直流電壓降低，直流電流增大。

綜合PSD-BPA與RTDS的仿真研究結果可以得出結論，定電壓控制策略通過在一定范圍內放開穩態的γ角運行點，在換流站投切濾波器組或其他系統擾動條件下，能通過主動改變角度來彌補一部分無功交換差額，最終達到了維持交流系統電壓與直流電壓相對穩定的效果。

圖5 RTDS仿真受端系統無功瞬時缺額直流系統參數仿真曲線Fig.5 Simulation curves of DC system parameters with instant lack of reactive power for the receiving system based on RTDS

4 兩種策略對直流成套設計影響

基于穩態電壓恢復特性效果的比較，定電壓控制策略較優于定關斷角控制策略，然而選擇采用何種控制策略除了影響系統電壓波動以外，也將會對整個直流工程的設計方案與最終的設備參數產生影響，故應當在開展直流系統成套設計之前應首先予以明確。

根據綜合比較，兩種控制策略對直流系統成套設計的影響主要體現在無功分組功率與直流空載電壓。

1）無功分組功率Qcon

根據主回路相關計算公式，直流6脈動換流器整流器所消耗的無功功率為12脈動換流器的1/2，其消耗的無功功率可以表示為

式中：Qcon為換流器消耗的無功功率；Idc_N為直流額定電流；Udio_N為額定直流空載電壓；Udio為實際直流空載電壓；Uvac為換流變壓器閥側交流線電壓；dx為換流變短路阻抗；μ、α分別為換相角、觸發角（對于逆變器的計算，應把α換為關斷角γ）。

以本文依托的某實際直流工程為例，該工程雙極額定輸送功率10 000 MW，額定直流電壓±800 kV。在常規功率傳輸方向和雙極全壓運行方式下，當直流系統輸送額定功率時，計及無功消耗量計算中可能的設備制造公差及系統測量誤差等因素，求得換流站無功消耗最大值。在逆變側采取定電壓與定關斷角兩種控制策略下各直流變量與對應的最大無功消耗如表2所示。

表2 兩類控制策略下逆變站參數Tab.2 Parameters of inverter station under two control strategies

由于在定電壓控制策略下，逆變側關斷角有一個上下浮動的角度區間（通常為±2°），原則上應保證最小運行關斷角不超過定關斷角控制策略的角度值（通常為17°），本工程定電壓控制所選擇的逆變側額定關斷角為19.5°。由表2可以看出，對于該直流工程，在同樣輸送滿功率的條件下，采用定電壓控制策略的直流系統相比定關斷角控制策略將多消耗無功功率約170 Mvar，這勢必將要求換流站配置更大容量的無功補償設備；在分組數已定的基礎上盡管可通過增大單組裝置的補償容量來實現，但對交流斷路器容性開斷電流能力的要求也將隨之提升，增大了設備制造難度與制造成本。

2）直流空載電壓Udio

直流空載電壓是直流系統成套設計的一個重要參數指標，決定了換流變壓器、換流閥等設備的絕緣水平及設備容量。通常先根據直流系統額定參數計算出額定直流空載電壓Udio_N，以此為基礎，引入換流變阻抗偏差、分接頭檔位調節死區、測量誤差等因素，計算出用于確定設備絕緣水平的最大直流空載電壓。逆變側額定與實際直流空載電壓的計算公式為

式中：Rdc為直流線路電阻；UT為換流閥前向壓降；dr為換流變壓器阻抗阻性分量。式（4）中各變量取額定值以計算額定直流空載電壓Udio_N，在此基礎上，通過式（5）可計算實際運行中可能出現的最大直流空載電壓。

在定關斷角控制策略下Udc、Idc需要考慮1檔的分接頭檔位調節死區，γ在γN的基礎上僅需考慮1°測量誤差；在定電壓控制策略下Udc、Idc不必考慮分接頭檔位調節死區，但γ需要在穩態運行范圍的最大角度γmax基礎上考慮1°測量誤差。同樣針對該工程，基于這兩種控制策略的計算原理所確定的直流空載電壓參數如表3所示。

根據表3中數據可以看出，逆變站在定電壓控制策略下的直流空載電壓各項參數取值顯著超過定關斷角控制策略。究其原因，一方面由于為保證在穩態運行區間內γ角不會越過定關斷角控制的最小角度限值，定電壓控制策略下逆變側選取的額定關斷角γN角度值通常更大，從而導致額定Udio_N相對更大；另一方面由于計算用于設備選型的最大直流空載電壓時需要涵蓋運行區間的最大角度γmax，導致最大直流空載電壓水平進一步提升，使得最終選取的設計值相比定關斷角控制提升了6 kV，已接近整流站設備的絕緣水平。

表3 直流換流站兩類控制策略下直流空載電壓參數Tab.3 DC no-load voltage parameters of DC converter station under two control strategies

6 結語

本文針對直流系統逆變側兩種主要控制策略（定電壓與定關斷角）開展了相關研究，分析了兩種控制策略的作用機理，仿真校核了系統發生擾動時換流母線電壓與直流系統的電壓、電流、關斷角等狀態量變化，并進一步比較了采用兩種控制策略對直流成套設計方案帶來的影響。研究結論表明兩種方案各自有其優缺點，定電壓控制策略在直流系統的穩態電壓恢復特性方面具有一定優勢，通過角度的變化能抵消一部分因外部系統擾動所引起的電壓波動；但相比于定關斷角控制，直流系統需要平衡的無功總量進一步增加，同時直流空載電壓水平也進一步提升，對換流變壓器、換流閥等設備的絕緣水平提出了更高的要求，這些因素都需要在工程設計的初期階段予以考慮。兩種控制策略的選擇并無定量的參照標準。通常來說，若直流系統受端接入弱交流系統，直流本身運行方式的變化容易導致交流系統電壓明顯波動的情況下，比較適合采用逆變側定電壓控制策略；若受端系統較強，而直流主設備能力或交流場占地布置受到一定制約的情況下，優先推薦采用逆變側定關斷角控制策略。