基于UPFC抑制HVDC換相失敗的控制方法研究

劉建坤， 王 蒙， 張寧宇， 楊志超

(1. 國網(wǎng)海上風(fēng)電并網(wǎng)聯(lián)合實驗室(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院), 江蘇 南京 211103；2. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

0 引言

由于我國資源分布不均衡，高壓直流輸電(high-voltage direct current，HVDC)得到廣泛運用并快速發(fā)展。與傳統(tǒng)輸電方式相比，HVDC系統(tǒng)具有輸送相同功率線路造價低、輸送容量大、運行可靠、線路有功損耗小等優(yōu)點，在大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)與遠距離大容量輸電等方面擁有顯著優(yōu)勢[1-2]。換相失敗是采用半控型器件晶閘管作換流閥元件的直流系統(tǒng)逆變側(cè)常見故障，交流系統(tǒng)擾動與直流系統(tǒng)自身故障均會導(dǎo)致?lián)Q相失敗發(fā)生[3]。經(jīng)統(tǒng)計，導(dǎo)致?lián)Q相失敗的大部分原因為交流電網(wǎng)擾動(交流系統(tǒng)故障)。當(dāng)發(fā)生換相失敗時，直流系統(tǒng)電壓、電流與功率都會發(fā)生劇烈波動，對交流系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊[4-5]。若不采取必要措施抑制換相失敗，緊急情況下將發(fā)生直流閉鎖，嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行。隨著我國投運的高壓直流工程逐漸增多，抑制高壓直流系統(tǒng)換相失敗成為值得關(guān)注的首要問題[6-7]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對換相失敗影響因素及抑制措施做出大量研究。文獻[8]分析了7種對換相失敗產(chǎn)生影響的因素，但并未針對換相失敗的主要因素進行深入探究。文獻[9—11]從協(xié)調(diào)控制、低壓限流環(huán)節(jié)控制、熄弧角漸變控制3個層面對抑制換相失敗的措施進行了闡述，但僅利用HVDC本身特性抑制換相失敗，且抑制效果有限。文獻[12]對HVDC系統(tǒng)和靜止無功補償器(switching virtual circuit，SVC)協(xié)調(diào)配合進行研究，并證明SVC在抑制后續(xù)換相失敗中產(chǎn)生作用。但由于SVC作為由晶閘管控制的第一代FACTS器件，其動態(tài)響應(yīng)時間較長，無功功率受系統(tǒng)電壓影響，僅能抑制后續(xù)換相失敗未能有效降低換相失敗發(fā)生概率。

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)作為第三代FACTS裝置，可看做STATCOM與SSSC二者的結(jié)合，與其他FACTS裝置相比不但可以快速獨立地控制輸電線路中的潮流分布，抑制系統(tǒng)阻尼振蕩，還能動態(tài)補償系統(tǒng)的無功功率，提高系統(tǒng)的運行特性[13-16]。目前為解決蘇錦直流動態(tài)無功支持不足導(dǎo)致?lián)Q相失敗、直流雙極閉鎖等問題，已在蘇州南部安裝500 kV UPFC。UPFC在電力系統(tǒng)中的主要作用有：(1) 電壓調(diào)節(jié)；(2) 無功補償；(3) 可控串補；(4) 動態(tài)移相[17]。由于UPFC在一定程度上可以抑制母線電壓振蕩，提高電力系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定，將UPFC接入高壓直流系統(tǒng)可為系統(tǒng)提供動態(tài)無功支持，穩(wěn)定高壓直流系統(tǒng)交流側(cè)電壓，在一定程度上抑制換相失敗的發(fā)生。

本文將UPFC接入HVDC系統(tǒng)逆變側(cè)交流母線，建立一個含UPFC的HVDC系統(tǒng)模型。推導(dǎo)出UPFC串聯(lián)側(cè)與并聯(lián)側(cè)功率傳輸數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出一種對UPFC并聯(lián)側(cè)原有控制策略的改善方法。利用不同故障水平，通過PSCAD/EMTDC的仿真驗證，證明了UPFC并聯(lián)側(cè)采用新的控制策略后在故障容量較小時可減小HVDC系統(tǒng)的換相失敗概率，在故障嚴重的情況可有效抑制換相失敗的持續(xù)發(fā)生，改善HVDC系統(tǒng)的運行特性。

1 HVDC系統(tǒng)模型

在PSCAD/EMTDC中建立如圖1所示典型HVDC模型。該模型中HVDC是在國際大電網(wǎng)標準直流測試系統(tǒng)CIGRE基礎(chǔ)上建立的單極直流模型，可將此系統(tǒng)視為復(fù)雜電力系統(tǒng)的簡化模型。整流側(cè)控制方式采用最小觸發(fā)角和定直流電流控制，逆變側(cè)采用最小關(guān)斷角和直流電流控制。此外，HVDC系統(tǒng)配備低壓限流控制(VDCOL)，逆變側(cè)還配備有電流偏差控制(CEC)[18-19]。

圖1 直流系統(tǒng)模型Fig.1 Model of HVDC system

HVDC模型系統(tǒng)參數(shù)可由CIGRE標準模型得知。其中，HVDC系統(tǒng)的額定直流電壓為500 kV，額定容量為1000 MW，工頻為50 Hz，平波電抗器的電感為1.2 H，直流線路的電阻為5 Ω，HVDC換流站具體參數(shù)如表1所示[20]。

表1 HVDC換流站主要參數(shù)Tab.1 Primary parameters of HVDC converter

2 含UPFC的HVDC系統(tǒng)及控制策略

HVDC系統(tǒng)運行時消耗大量無功功率，受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時無功功率需求增大。接入UPFC可以為系統(tǒng)提供無功支持，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，減小HVDC系統(tǒng)發(fā)生換相失敗機率。

2.1 含UPFC的HVDC系統(tǒng)模型

本文含UPFC的HVDC系統(tǒng)模型如圖2所示，UPFC主要由并聯(lián)變流器(VSC1)、串聯(lián)變流器(VSC2)、直流側(cè)電容等組成。將UPFC并聯(lián)側(cè)變流器并聯(lián)接入HVDC逆變側(cè)交流母線，提高HVDC逆變側(cè)電壓穩(wěn)定性，減小發(fā)生換相失敗機率。串聯(lián)側(cè)變流器串聯(lián)接入交流系統(tǒng)，控制交流系統(tǒng)潮流分布。

圖2 含UPFC的直流系統(tǒng)模型Fig.2 HVDC system model with UPFC

圖2中，Ud，Id分別為HVDC系統(tǒng)直流電壓、電流；Pd，Qd分別為HVDC的有功功率和無功功率；U1為HVDC受端交流側(cè)母線電壓；Psh，Qsh分別為并聯(lián)變流器向系統(tǒng)注入的有功功率和無功功率；ish為并聯(lián)側(cè)電流；Xsh為并聯(lián)側(cè)耦合變壓器阻抗；Ush∠θsh為VSC1交流側(cè)電壓；Udc為UPFC直流側(cè)電壓；Use∠θse為VSC2交流側(cè)電壓；U2為串聯(lián)側(cè)出口電壓；P，Q分別為線路有功功率和無功功率；Z為逆變側(cè)線路等值阻抗；UR∠θR為受端系統(tǒng)等效電壓。

文中UPFC并聯(lián)側(cè)采用定交流側(cè)電壓與定直流側(cè)電壓控制方式，其中交流側(cè)電壓為HVDC逆變側(cè)交流母線電壓。利用UPFC并聯(lián)側(cè)對無功功率進行快速獨立控制的特點，提高HVDC的運行特性，減少換相失敗的概率。UPFC串聯(lián)側(cè)采用有功、無功獨立控制方式，可靈活對線路潮流進行控制。

2.2 并聯(lián)側(cè)UPFC控制策略

UPFC并聯(lián)側(cè)能夠改變接入點電壓的幅值與相角，并對系統(tǒng)進行無功補償。相位參考值取U1，由圖2可得：

(1)

(2)

式中：ishd，ishq分別為dq坐標變換后UPFC并聯(lián)側(cè)電流的d、q軸電流分量。由式(1)，(2)可知，UPFC并聯(lián)側(cè)通過向HVDC系統(tǒng)注入無功功率來調(diào)節(jié)U1的大小，控制改變ushq的大小則可實現(xiàn)改變ishq的大小，從而達到控制并聯(lián)側(cè)接入點電壓的目的。UPFC并聯(lián)側(cè)有功功率與直流側(cè)電容電壓Udc有關(guān)，改變ushd的大小即可實現(xiàn)ishd大小的改變，達到控制直流側(cè)電壓的目的。

UPFC并聯(lián)側(cè)控制策略為外部電壓環(huán)控制、內(nèi)部電流環(huán)控制。其外部電壓環(huán)控制方式采用定交流側(cè)電壓與定直流側(cè)電壓控制方式，UPFC所控制的交流側(cè)電壓為HVDC逆變側(cè)交流母線電壓，直流側(cè)電壓為UPFC直流側(cè)電容電壓[20]。對UPFC并聯(lián)側(cè)外環(huán)電壓控制中的定交流側(cè)母線電壓控制做出改善，提出一種交流側(cè)母線電壓參考值調(diào)節(jié)方法，抑制換相失敗。

如圖3所示，U1，U1ref分別為UPFC并聯(lián)側(cè)交流母線電壓與參考值；Udc，Udcref分別為UPFC直流側(cè)電壓與參考值；ish為UPFC并聯(lián)側(cè)電流；ushd，ushq，ishd，ishq分別為dq坐標變換后UPFC并聯(lián)側(cè)電壓、電流的d、q軸電壓、電流分量。原有控制策略中交流母線電壓參考值已知且給定，現(xiàn)提出交流側(cè)母線電壓參考值調(diào)節(jié)方法，測量HVDC系統(tǒng)受端母線電壓U1大小，根據(jù)母線電壓實際測量值U1的變化而調(diào)節(jié)并聯(lián)側(cè)交流母線電壓參考值U1ref。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時U1為系統(tǒng)額定電壓，UPFC的參考值U1ref也為額定值；交流系統(tǒng)發(fā)生故障，電壓U1下降時提高并聯(lián)側(cè)交流母線電壓參考值，使其在系統(tǒng)故障期間參考電壓U1ref略高于實際電壓值U1。增大實際值與參考值的差額，幫助HVDC系統(tǒng)在短時間內(nèi)獲得更多無功支持，使系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定。當(dāng)HVDC系統(tǒng)處于嚴重故障情況下實際電壓值U1處于低電壓狀態(tài)，強補無功將導(dǎo)致UPFC系統(tǒng)過流或直流電壓失控，此時控制系統(tǒng)將發(fā)出閉鎖指令，對UPFC并聯(lián)側(cè)無功補償進行閉鎖。

圖3 含有交流電壓參考調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的UPFCFig.3 Structure of control system for UPFC witha regulation function for AC voltage reference value

考慮到電壓波動范圍與系統(tǒng)裕量，通過PSCAD/EMTDC仿真分析,設(shè)計得到交流側(cè)母線電壓參考值如式(3)所示。

(3)

當(dāng)故障發(fā)生，母線電壓U1下降到0.95以下時，U1ref將升高至1.10；故障更加嚴重，U1下降到0.40以下時，并聯(lián)側(cè)無功補償將閉鎖；故障恢復(fù)，U1上升至0.95以上時，U1ref將恢復(fù)為額定狀態(tài)(全部為標幺值)。

2.3 串聯(lián)側(cè)控制策略

UPFC串聯(lián)側(cè)通過改變Use的電壓幅值與相角來改變線路的有功功率與無功功率，相位參考值取U1，設(shè)δ=θ2-θR，由圖2可得[21]：

(4)

(5)

由式(4)，(5)可知，U2的電壓幅值主要影響線路的無功功率傳輸，而U2與UR的相角差δ主要影響線路的有功功率傳輸。因此，通過控制線路中U2的電壓幅與相角差δ則可實現(xiàn)對線路中的有功功率和無功功率U1的控制，如圖4所示實現(xiàn)UPFC串聯(lián)側(cè)控制。

圖4 UPFC串聯(lián)側(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of UPFC series side control system

將輸出電壓Use正交分解為Usep與Useq，且Usep主要對無功進行控制，Useq主要對有功功率進行控制。以線路有功功率與無功功率偏差量作為反饋，利用PI調(diào)節(jié)對線路有功功率與無功功率進行控制。

3 仿真驗證及分析

3.1 仿真算例說明

在PSCAD/EMTDC中建立如圖2所示含UPFC的HVDC系統(tǒng)模型，系統(tǒng)具體參數(shù)如上表1所示。HVDC有功功率、逆變側(cè)交流母線電壓、直流電流與直流電壓的基準值分別為1000 MW，230 kV，2 kA，500 kV。正常狀態(tài)下，關(guān)斷角γ=15°，引入故障水平FL如式(6)所示：

(6)

式中：Uac為逆變側(cè)交流母線電壓額定值；Zf為故障阻抗；Pdc直流系統(tǒng)有功功率。故障水平FL與HVDC故障的嚴重性成正比，故障越嚴重，F(xiàn)L值越大。理論上故障阻抗為零時，故障水平FL達到無窮大。

對于含有UPFC的HVDC系統(tǒng)，需驗證本文提出的利用UPFC抑制換相失敗的有效性。在PSCAD/EMTDC仿真中，設(shè)計HVDC逆變側(cè)交流母線發(fā)生單相經(jīng)電感接地故障(逆變側(cè)故障中感性接地故障為最常見的故障類型，也是最容易導(dǎo)致?lián)Q相失敗的故障形態(tài))，選擇不同故障水平下含UPFC的HVDC系統(tǒng)。驗證UPFC對換相失敗的抑制作用，繼而驗證改善控制策略對換相失敗的抑制作用。對下列3種情況進行仿真分析：

方案一：系統(tǒng)不含UPFC的HVDC系統(tǒng)；

方案二：系統(tǒng)含有UPFC的HVDC系統(tǒng)，UPFC運用原來控制方式；

方案三：系統(tǒng)含有UPFC的HVDC系統(tǒng)，UPFC運用改進后控制方式。

3.2 仿真結(jié)果分析

選取不同故障水平，配合上述不同控制方式組合成的方案，分別進行仿真分析。

(1) HVDC逆變側(cè)交流母線在2 s時發(fā)生單相(a相)經(jīng)電感接地故障，故障水平FL=18.7%，Zf=282.8 Ω，障持續(xù)時間為0.1 s，UPFC并聯(lián)側(cè)額定無功容量為100 Mvar。在故障水平FL=18.7%的水平下，方案一與方案二有功功率比較如圖5所示。方案一未安裝UPFC，發(fā)生故障時HVDC系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，有功功率大幅跌落。方案二中UPFC成功抑制HVDC系統(tǒng)換相失敗的發(fā)生，說明在故障容量較小時，UPFC原有控制策略可以抑制HVDC換相失敗的發(fā)生。

圖5 故障水平18.7%時方案一與方案二有功功率Fig.5 Case 1 and case 2 active power and active power drawings under fault level 18.7%

(2) HVDC逆變側(cè)交流母線在2 s時發(fā)生單相(a相)經(jīng)電感接地故障，故障水平FL=23.1%，Zf=229 Ω，故障持續(xù)時間為0.1 s，UPFC并聯(lián)側(cè)額定無功容量為100 Mvar。為描述HVDC暫態(tài)特性，文中定義故障恢復(fù)時間為故障清除后HVDC系統(tǒng)有功功率恢復(fù)到故障發(fā)生前有功功率輸出值90%所消耗的時間。

在故障水平FL=23.1%的水平下，方案一與方案二的有功功率比較如圖6所示。方案二中UPFC雖然未能抑制HVDC系統(tǒng)換相失敗的發(fā)生，但可以改變系統(tǒng)故障恢復(fù)特性，縮短故障恢復(fù)時間。

圖6 故障水平23.1%時方案一與方案二有功功率Fig.6 Case 1 and case 2 active power and active powerdrawings under fault level 23.1%

相同的故障水平下將方案一與方案三的仿真進行比較，如圖7所示。圖7(a)為在故障水平23.1%時HVDC系統(tǒng)不加任何改善措施(不加入UPFC裝置)的運行特性。故障后系統(tǒng)逆變側(cè)母線電壓波動嚴重，線路有功功率與直流電壓下降劇烈，直流電流驟然上升，關(guān)斷角γ跌落為0，系統(tǒng)換相失敗發(fā)生。

圖7 故障水平23.1%時HVDC系統(tǒng)運行特性Fig.7 System operation performance under fault level 23.1%

在故障水平23.1%時，將改善控制策略的UPFC運用于HVDC系統(tǒng)。圖7(b)與圖7(a)相比，由于在故障發(fā)生后加入電壓參考值調(diào)節(jié)措施，UPFC可以提供更多無功支持，穩(wěn)定逆變側(cè)母線電壓，抑制線路有功功率大幅跌落，對系統(tǒng)換相失敗產(chǎn)生預(yù)防作用。說明采用新的UPFC控制策略可以抑制HVDC系統(tǒng)換相失敗的發(fā)生。

(3) HVDC逆變側(cè)交流母線在2 s時發(fā)生單相(a相)經(jīng)電感接地故障，故障水平FL=93.56%，Zf=56.5 Ω，故障持續(xù)時間為0.1 s，UPFC并聯(lián)側(cè)額定無功容量為100 Mvar。在此故障水平下將方案一與方案三的仿真進行比較如圖8所示。由圖8(a)可知，在故障程度進一步加重，故障水平達到93.56%，方案一中HVDC系統(tǒng)發(fā)生兩次換相失敗，HVDC有功功率與逆變側(cè)母線電壓持續(xù)跌落，對系統(tǒng)造成嚴重沖擊。圖8(b)所示在HVDC系統(tǒng)引入改善控制策略的UPFC裝置，方案三中改善控制策略的UPFC裝置對HVDC系統(tǒng)的換相失敗起到了一定的抑制作用。安裝UPFC裝置后，HVDC系統(tǒng)故障產(chǎn)生的換相失敗從原有的兩次減少為一次，抑制了持續(xù)換相失敗的發(fā)生，大大改善了系統(tǒng)的運行特性。

圖8 故障水平93.56%時HVDC系統(tǒng)運行特性Fig.8 System operation performance under fault level 93.56%

(4) HVDC逆變側(cè)交流母線在2 s時發(fā)生單相(a相)經(jīng)電感接地故障，故障水平FL=421%，Zf=12.57 Ω，故障持續(xù)時間為0.1 s，此時交流故障電壓降落至70%左右，UPFC并聯(lián)側(cè)額定無功容量為100 Mvar。方案一與方案三的仿真比較如圖9與所示。

圖9 故障水平421%時方案一與方案三有功功率Fig.9 Case 1 and case 3 active power and active powerdrawings under fault level 421%

當(dāng)故障程度極為嚴重時，方案一未安裝UPFC裝置有功功率瞬時大幅跌落至0附近，故障結(jié)束后緩慢恢復(fù)。方案三中前期由于故障較為嚴重有功功率變化與方案一一樣，但在故障結(jié)束后有功功率恢復(fù)正常狀態(tài)所用時間明顯短于方案二。說明在故障程度極為嚴重情況下UPFC裝置加入可以幫助系統(tǒng)更快地恢復(fù)正常運行。

4 結(jié)語

本文研究了含UPFC的HVDC系統(tǒng)，在PSCAD/EMTDC中建立了仿真模型，研究了其控制策略并在原有控制方法下提出了一種新的UPFC并聯(lián)側(cè)控制策略。在故障發(fā)生時提高UPFC并聯(lián)側(cè)交流母線電壓參考值，為HVDC系統(tǒng)提供更多無功支持，故障結(jié)束后電壓參考值恢復(fù)為額定值。該控制策略在故障水平較低時能夠抑制HVDC系統(tǒng)換相失敗的發(fā)生，在故障水平較高時可有效降低連續(xù)換相失敗的概率，增強UPFC對HVDC的電壓支撐能力，提高HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性。