含混合級聯直流系統的多饋入直流系統換相失敗恢復協調控制策略

陳倩，王國騰，徐政，繆源誠，李建華

(1. 浙江大學電氣工程學院，杭州310027；2. 國家電網華東電力調控中心，上海200120)

0 引言

隨著我國直流輸電技術的發展和西電東輸工程的實施，直流系統數量和容量驟增，華東電網將逐步成為世界直流落點最多、電氣聯系最緊密、受電功率最大的特大型多直流饋入受端系統[1]。當受端交流系統發生短路故障時，可能引發某一直流或多個直流換相失敗。換相失敗會導致直流電壓下降、直流電流上升、直流功率下降。若直流系統發生多次換相失敗，可能會導致交流系統失穩、直流閉鎖等問題。當白鶴灘-江蘇混合級聯直流饋入華東電網后，華東電網的換相失敗情型將更為復雜[2]。在含混合級聯直流系統的多饋入直流系統中，若多個直流系統落點的電氣距離較近，單一短路故障可能引起多條直流線路同時發生換相失敗。多直流同時換相失敗與直流多次換相失敗，都將嚴重威脅電網的安全穩定運行[3]。因此，采用適當的預防手段來減少甚至避免多次換相失敗的發生非常必要。

已有大量文獻對換相失敗的機理進行了研究。文獻[4]提出了是否發生換相失敗取決于故障后換流母線電壓的跌落程度。文獻[5]分析了換相失敗的機理，并研究了換相失敗與逆變側不同的控制策略的相關性。文獻[6]基于換相電壓時間面積分析出交流系統頻譜特性對換相失敗存在影響。從這些分析中可以看出，交流系統強弱程度、多直流之間的相互影響以及直流系統的控制策略都會影響直流的換相失敗恢復特性。

通常短時間內難以改變交流系統的網架結構與強弱程度，因此采用合理的控制策略改善直流系統的換相失敗恢復特性成為學者們的研究重點。文獻[7]以交流電壓總諧波畸變率作為指標評估換相失敗風險，提出了預測方法以及預防后續換相失敗的控制策略。文獻[8]通過電流指令速動的控制方法，提高了直流電流的響應速度，從而抑制換相失敗。文獻[9 - 11]對電流實行了動態調節，設計了變斜率VDCOL控制器，有效改善了系統的恢復性能。文獻[12]提出了一種基于直流電流預測控制的換相失敗抑制方法。文獻[13 - 16]利用自適應的模糊控制方法，降低了直流系統換相失敗的概率。文獻[17]基于虛擬電阻的電流限制控制器，可以在一定程度上抑制連續換相失敗的發生。文獻[18]為了有效抑制多饋入直流系統連續換相失敗，提出了一種可以轉換控制策略的改進VDCOL模塊。文獻[19]在常規的PI控制器中增加前饋回路，可使多饋入直流系統的恢復性能得到改善。文獻[20]設計兩級協調策略，在系統級采用模型預測控制方法進行邊預測邊控制的滾動優化，減小常規直流換相失敗概率。文獻[21]根據提出的多饋入直流系統漸進錯峰有序電壓功率恢復指標，制定了各回直流先后錯峰恢復的策略，但可能造成某一回直流換相失敗時間延長。盡管已有學者對抑制直流系統換相失敗做了大量研究，但是，上述文獻主要通過改變站級控制策略來抑制換相失敗，在多饋入直流系統中，站級控制策略只能消除自身直流系統的換相失敗，不能兼顧對其他直流的影響。已有文獻對各直流間的系統級協調控制研究較少。文獻[22]從換相失敗預測控制的角度，提出了一種考慮多直流協調恢復的換相失敗預測控制環節啟動門檻值優化方法，從而降低換相失敗對交流電網的功率沖擊。文獻[23]對各直流子系統采取漸變的功率恢復策略，可以緩解它們之間的相互作用，但對各直流功率指令值的改變量沒有給出明確的說明?？梢钥闯?，現有的系統級控制策略對多直流換相失敗恢復控制參數的確定還缺乏研究，無法滿足多直流換相失敗恢復實時控制的要求。

針對多饋入直流系統換相失敗問題的嚴峻性以及目前直流系統多次換相失敗抑制方法的局限性，本文通過分析多饋入短路比指標的局限性，提出了多饋入運行短路比指標，并歸納出多直流饋入系統換相失敗恢復應當遵循的時序配合原則。針對多饋入直流系統換相失敗恢復過程中出現多次換相失敗的問題，基于多饋入運行短路比，本文提出一種考慮了混合級聯直流系統的兩段式多直流換相失敗恢復協調控制策略，該控制策略有效減少了直流系統換相失敗次數，從而提高了交直流系統的安全穩定性。

1 多饋入運行短路比

直流系統在換相失敗及恢復過程中與交流系統存在較大的無功功率交換。在多饋入直流系統中，各直流之間交互作用較強，單回直流吸收的無功功率大小會影響到自身后續恢復及其他直流的響應特性[1]。因此，找出一個能夠準確評估多饋入直流系統換相失敗恢復特性的指標非常必要。

1.1 多饋入短路比

為了確定常規直流之間交互作用對換相過程的影響，有學者提出了多饋入交互因子(multi-infeed interaction factor, MIIF)的概念。MIIF是衡量多饋入直流系統中不同直流相互作用強度的指標，反映了各直流間聯系的緊密程度，其值越大耦合越緊密，直流間的相互作用越強[24]。為考慮多饋入交直流系統多回直流間的相互影響，參照傳統短路比的定義，基于多饋入交互因子，多饋入短路比(multi-infeed effective short circuit ratio, MIESCR)被定義為相應直流換流母線側三相短路容量與等值直流功率的比值[25]，即：

(1)

式中：MIESCRi為直流i的多饋入短路比；Ssci為換流站i交流側的短路容量；Pdci為直流換流站i的額定功率；Qci為直流換流站濾波器輸出的無功功率；l為多饋入直流系統中常規直流的數量；MIIFj,i為換流站i和換流站j之間的多饋入交互因子；Pdcj為直流換流站j的額定功率。由于MIESCRi使用的直流功率參數為直流功率額定值，即使直流系統的MIESCRi大于3，依然有可能發生多次換相失敗[25]，難以準確評估多饋入直流系統的換相失敗恢復特性，具有一定的局限性。

1.2 多饋入運行短路比

針對上述問題，本文提出一種新的指標—多饋入運行短路比，以此評估多饋入直流系統換相失敗恢復特性。多饋入運行短路比(multi-infeed operating short circuit ratio, MIOSCR)定義為相應直流換流母線側三相短路容量與等值運行直流功率的比值，即：

(2)

式中：MIOSCRi為直流i的多饋入運行短路比；換流站i為某一發生換相失敗的換流站，換流站j是與換流站i同時換相失敗的換流站，n為同時換相失敗的直流數量；Pdcj為直流換流站j的第一段直流功率參考值。直流設定恢復的有功功率越多，吸收的無功功率越多，母線電壓可能不足以支撐直流直接恢復到額定功率，因此，在第一段讓直流先恢復部分功率，避免母線電壓過低，防止多次換相失敗。待交流系統恢復后，直流系統再恢復到額定功率，通過直流延時恢復到額定功率，避免多次換相失敗的發生。由于VSC不由電網提供換相電流且不存在換相失敗問題，所以不需要考慮VSC與其他直流系統之間的協調恢復，在計算MIOSCRi可以不用考慮柔性直流系統的影響[26]。

多饋入運行短路比是評估多直流落點交流系統強度的指標，反映了在多直流落點交流系統中本回直流電壓恢復能力的大小。MIOSCRi的大小與換流站交流側短路容量、多饋入交互因子以及各直流恢復的第一段直流功率參考值有關。MIOSCRi隨換流站交流側短路容量的增大而增大，隨各直流恢復的第一段直流功率參考值的增大而減小。MIOSCRi越大，交流系統對直流系統的電壓恢復能力越強，直流系統恢復特性越好。對于發生多次換相失敗的直流，當換流站交流側短路容量固定、多饋入交互因子較小時，通過減小第一段直流功率參考值，能夠增大MIOSCRi， 減少換相失敗次數，交流系統對直流系統的電壓恢復能力越強，直流系統恢復特性就越好。對于一個實際多饋入直流系統，可以通過離線仿真得到使該直流在各交流母線分別故障下均不會發生多次換相失敗的一個MIOSCR經驗值作為該直流的臨界多饋入運行短路比(critical multi-infeed operating short circuit ratio, CMIOSCR)。

相比于MIESCR采用直流換流站的額定功率，MIOSCR采用了直流換流站的第一段直流功率參考值，更能反映出實際運行時的穩定性，而多饋入短路比則更適用于直流系統規劃階段[27]。因而，本節提出的多饋入運行短路比指標能夠更準確地評估多饋入直流系統的換相失敗恢復特性。

2 多直流換相失敗恢復協調控制策略

2.1 時序配合原則

當逆變側交流系統中各逆變站之間的電氣距離較近時，交流系統中發生的某一故障可能引起多個換流站同時發生換相失敗[1]。與單饋入直流輸電系統相似，擾動發生后多饋入直流系統的恢復性能取決于其所連接交流系統的結構、直流系統本身以及對直流系統所采取的控制[28 - 31]。

多直流同時換相失敗后的恢復過程，應綜合考慮直流恢復緊迫性需求、直流自身恢復能力及恢復過程中對其他直流的影響。根據之前的研究，在多饋入直流系統中，換相失敗恢復應滿足下列時序配合原則[32 - 34]。

1)若某直流恢復過程中對其他直流基本沒影響，則應使其盡快恢復，以降低換相失敗對電網的整體功率沖擊。

2)若相互影響的幾條直流的多饋入運行短路比都很大，不會發生多次換相失敗，則這部分直流系統應盡快恢復。

3)發生多次換相失敗的直流系統與其相互影響較大的直流應分時序恢復。

4)若交流系統能夠承受的某直流換相失敗次數越少，即該直流恢復緊迫性越高，則越應加快該直流的恢復速度。

5)在相同優先級下，分時序恢復直流系統應以能量損失最小或系統恢復時間最短為原則。

多饋入直流系統換相失敗恢復應當遵循的時序配合原則，以降低換相失敗對電網的整體功率沖擊，交流電網的功率損失最小為目的，通過協調各直流系統恢復到額定功率的所需時間，從而協調直流吸收無功功率的時間以及降低直流吸收的無功功率的峰值，錯峰恢復各回直流，防止多回直流同時吸收大量無功功率，避免多次換相失敗的發生。

2.2 兩段式恢復協調控制策略

受端多饋入直流系統故障后恢復期間，若不對各回直流加以控制，直流電流同時恢復，各逆變器消耗無功功率的峰值到達時間相近，此時造成換流器過大的無功缺額，增加后續換相失敗的發生幾率，影響直流輸送功率的恢復。

MIIF是衡量多饋入直流系統中不同直流相互作用強度的指標，反映了各直流間聯系的緊密程度，其值越大耦合越緊密，直流間的相互作用越強。通常認為MIIF值小于0.15時為弱相互作用[35]，直流之間的交互作用可忽略，在恢復期間可實現直流之間的解耦。因此，如果某一直流系統i滿足式(3)：

max(MIIF1i,MIIF2i,…,MIIFli)<0.15

(3)

式中MIIF1i、MIIF2i和MIIFli分別為換流站i和換流站1之間、換流站i和換流站2之間、換流站i和換流站l之間的多饋入交互因子。

根據2.1節中原則1)，該直流無需與其他直流分時序恢復，只需考慮自身盡快恢復即可。對于一個有l個常規直流系統饋入的地區電網來說，如果可以滿足式(4)：

min(MIOSCR1,MIOSCR2,…,MIOSCRl)>κ

(4)

式中：MIOSCR1、MIOSCR2、MIOSCRl分別為直流1、直流2、直流l的多饋入運行短路比；κ為劃分系統強度的多饋入運行短路比數值。

根據2.1節中原則2)，該直流無需考慮分時序恢復，盡快恢復即可。

對于可能發生多次換相失敗的直流系統，若各回直流采用兩段式恢復協調控制策略，錯峰恢復各回直流，同時減小直流之間的相互影響，即可避免換流器過大的無功功率缺額，快速穩定受端換流母線電壓的波動，從而促使整個系統的直流輸送功率快速恢復[21]。圖1所示為直流系統兩段式恢復的功率指令值示意圖。其中，P0為直流系統穩態下直流功率指令值，Pdc1為第一段恢復功率指令值;tfault為交流故障發生時刻，tclr為交流故障切除時刻，tsec為第二段恢復時刻，td為第一段恢復持續時間。

圖1 兩段式恢復直流功率指令值示意圖Fig.1 DC Power reference value of two-stage coordination control strategy

在恢復過程中，并非所有直流都需要采用兩段式恢復策略，符合2.1節中原則1)或原則2)的直流可以直接恢復。因此首先需要確定哪些直流系統有必要采用兩段式協調恢復策略。當存在連續換相失敗的直流時，采用兩段式協調恢復策略可以有效減少直流換相失敗次數。

2.3 兩段式恢復協調控制策略參數確定方法

多饋入運行短路比可以作為衡量交流系統對直流系統電壓支撐能力的重要指標。一個直流系統的MIOSCR值越大，那么該直流發生多次換相失敗的可能性就越小。當一個直流系統的MIOSCR值大于一個臨界CMIOSCR值時，該直流系統就會減少換相失敗次數。MIOSCR并不像SCR有明確的數值劃分，對于不同的直流系統，CMIOSCR的數值是不同的，可以通過離線仿真得到使該直流在各種故障下均不會發生多次換相失敗的一個MIOSCR經驗值作為臨界多饋入運行短路比CMIOSCR。假設系統中有n個相互影響的直流系統，對于第i個直流系統，該直流系統不會發生多次換相失敗的條件是MIOSCRi>CMIOSCRi。要想增大直流系統的MIOSCR值，在不改變網架結構的前提下，降低該直流系統的輸送功率是有效方法。這也符合2.1節中原則3)的要求。

當直流輸送功率較大時，多次換相失敗的持續功率沖擊可能威脅送受端電網的安全穩定運行，尤其是送受端存在弱系統的情況。因此受直流送受端系統安全穩定運行的不同約束，各直流恢復的緊迫性也不同。根據2.1節中原則4)，需要定義一個反映直流恢復緊迫性的指標。本文以各直流送受端穩定約束下能夠承受的最大換相失敗次數來表征直流恢復的緊迫程度[22]。換相失敗次數由換相失敗持續時間確定，直流換相失敗持續時間每增加0.1 s，換相失敗次數計數增加一次。能夠承受的換相失敗次數越小，表示該直流恢復緊迫性越高，需要越快恢復。假設所有直流在換相失敗次數達到nmax次后均會閉鎖，當直流送受端穩定約束下能夠承受的最大換相失敗次數為nmax時，其恢復的緊迫性為1。直流恢復的緊迫性隨著直流能夠承受的最大換相失敗次數m的降低而急劇增加。定義直流恢復緊迫系數α為：

α=enmax/m-1

(5)

式中m為各直流在送受端穩定約束下能夠承受的最大連續換相次數。

對于l個常規直流系統，根據2.1節中原則3)—5)，為了確定采用兩段式恢復的直流系統和第一段直流功率指令值，可以采用如式(6)所示的優化模型。

(6)

式中：Pdc0i為第i個直流在穩態下的輸送功率；Pdc1i為第i個直流第一段恢復功率指令值；αi為第i個直流的直流恢復緊迫系數；MIOSCRi為第i個直流系統的多饋入運行短路比；CMIOSCRi為第i個直流不發生多次換相失敗的臨界多饋入運行短路比。求解式(6)，得到各個直流系統的第一段功率指令值Pdc1。

多饋入混合直流系統和傳統LCC直流系統有所差別。由于VSC不由電網提供換相電流且不存在換相失敗問題，不需要考慮VSC與其他直流系統之間的協調恢復。但是對于含有混合級聯直流的多饋入混合直流系統，LCC-VSC級聯逆變站的LCC部分依然會發生換相失敗，調節LCC的直流功率也會改變VSC的輸出功率。所以在混合級聯直流饋入系統中，需要對式(6)進行修正。同樣地，假設系統中有l個直流系統，編號l為混合級聯直流系統的LCC部分，混合級聯直流系統有s個VSC(編號為l+1，…，l+s)，則式(6)修正如下：

(7)

式中：PVSC,min為VSC最小允許輸出功率；PVSC,max為VSC最大允許輸出功率；Pdc1l為混合級聯直流系統LCC換流站l的第一段直流功率參考值。

求解式(7)后，就確定了參與分段恢復的直流系統以及第一段直流功率指令值Pdc1。再采用離線仿真的方法確定第一段恢復持續時間td。本文所有參與分段恢復的直流系統均采用同一個td。將td從小到大取值，不斷進行仿真，得到可以消除多次換相失敗的最小td，將其作為最后兩段式恢復協調控制策略的參數。

本文所提的考慮了混合級聯直流系統的多饋入直流系統換相失敗恢復協調控制策略如圖2所示。

圖2 多饋入直流系統換相失敗恢復流程圖Fig.2 Multi-infeed DC systems commutation failure recovery

3 仿真驗證

對于一個實際系統，通過離線仿真設置各個交流母線分別故障，可以獲得各直流臨界多饋入運行短路比CMIOSCR和第一段持續時間td，通過式(7)能夠獲得各直流第一段直流功率參考值。在線運行時，當交流故障發生后，容易找到該交流故障對應的兩段式恢復參數。本節將針對前文所提出的多饋入系統換相失敗恢復協調控制策略的有效性及可行性進行仿真驗證。在PSS/E中搭建了多饋入直流系統模型。由于白鶴灘-江蘇混合級聯直流的接入，華東電網將成為我國最為復雜的多饋入直流輸電系統。本節所述研究內容中，多饋入直流系統的結構及參數均與華東電網保持一致。

通常來說，低谷運行方式下受端開機容量小，直流輸送功率大，短路比相對高峰運行方式小，直流換相失敗故障也更為嚴重。下面以華東電網規劃數據2023年夏季低谷、冬季低谷兩種運行方式為例，在江蘇電網500 kV交流母線故障下，驗證本文所提出的多直流恢復協調控制策略在含混合級聯直流系統的多饋入直流系統換相失敗恢復中的應用效果。江蘇電網直流饋入情況如圖3所示。

圖3 江蘇電網直流饋入情況Fig.3 Infeed DC in Jiangsu power grid

3.1 2023年夏季低谷方式

夏季低谷運行方式下，離線仿真得出在各個交流母線分別故障時使得錦蘇直流均不發生多次換相失敗CMIOSCR值為20.001，雁淮直流的CMIOSCR值為21.934，龍政直流的CMIOSCR值為35.033。分別調整錦蘇直流、雁淮直流和龍政直流換相失敗后的直流功率參考值滿足式(7)，通過離線仿真手段確定了第一段持續時間td為0.08 s。夏季低谷運行方式下部分直流參數如表1所示。

表1 夏季低谷運行方式下部分直流參數Tab.1 Partial DC parameters in summer valley operation mode

以蘇安瀾500 kV母線發生三相短路故障為例，0.2 s時蘇安瀾500 kV母線發生三相短路故障，0.3 s時故障消除，未采用多直流換相失敗恢復協調控制策略時，3回直流同時換相失敗，其中雁淮直流換相失敗2次，錫泰1 050 kV直流和錫泰525 kV直流各換相失敗1次。采用多直流換相失敗恢復協調控制策略時，求解式(7)得到雁淮直流第一段直流功率參考值為3 000 MW，錫泰1 050 kV直流和錫泰525 kV直流第一段直流功率參考值不變，由離線仿真得到第一段持續時間td為0.08 s。雁淮直流換相失敗1次，錫泰1 050 kV直流換相失敗1次，錫泰525 kV直流換相失敗1次，3回直流的響應特性如圖4—5所示。

圖4 雁淮直流的響應特性Fig.4 Response characteristics of Yanhuai HVDC

圖5 錫泰直流的響應特性Fig.5 Response characteristics of Xitai HVDC

由圖4—5可以看出，蘇安瀾500 kV母線故障時，本文所提出的多直流換相失敗恢復協調控制策略，通過暫時降低雁淮直流第一段直流功率參考值，緩解了直流換相失敗恢復過程中受端電網無功補償的壓力，從而加強了對雁淮直流換流母線的電壓支撐，減少了雁淮直流換相失敗次數。在本算例中，由各直流穩態下的輸送功率及換相失敗持續時間的減少值可以得出本文所提出的多直流換相失敗恢復協調控制策略有效降低華東電網能量損失570 MJ。

3.2 2023年冬季低谷方式

冬季低谷運行方式下，離線仿真得出在各個交流母線分別故障時錦蘇直流的CMIOSCR值為27.751，雁淮直流的CMIOSCR值為21.112。分別調整錦蘇直流和雁淮直流換相失敗后的直流功率參考值滿足式(7)，通過離線仿真手段確定了第一段持續時間td為0.08 s。冬季低谷運行方式下部分直流參數如表2所示。

表2 冬季低谷運行方式下部分直流參數Tab.2 Partial DC parameters in winter valley operation mode

以蘇華蘇500 kV母線發生三相短路故障為例，0.2 s時蘇華蘇500 kV母線發生三相短路故障，0.3 s時故障消除，未采用多直流換相失敗恢復協調控制策略時，2回直流同時換相失敗，其中白鶴灘江蘇直流換相失敗1次，錦蘇直流換相失敗2次。采用多直流換相失敗恢復協調控制策略時，求解式(7)得到錦蘇直流第一段直流功率參考值為1 000 MW，白鶴灘-江蘇直流第一段直流功率參考值不變，由離線仿真得到第一段持續時間td為0.08 s。白鶴灘-江蘇直流和錦蘇直流各換相失敗1次，兩回直流的響應特性如圖6所示。

圖6 錦蘇直流和白鶴灘-江蘇直流的響應特性Fig.6 Response characteristics of Jinsu HVDC and Baihetan-Jiangsu HVDC

由圖6可以看出，蘇華蘇500 kV母線故障時，本文所提出的多直流換相失敗恢復協調控制策略，通過暫時降低錦蘇直流第一段直流功率參考值，減少了錦蘇直流換相失敗次數。在本算例中，由各直流穩態下的輸送功率及換相失敗持續時間的減少值可以得出本文所提出的多直流換相失敗恢復協調控制策略有效降低華東電網能量損失240 MJ。

3.3 兩種運行方式下適用性分析

夏季低谷、冬季低谷兩種運行方式下，交流母線發生三相短路故障會造成2回及以上直流同時換相失敗時，本文所提的協調控制策略的適用性結果統計如表3所示。

表3 協調控制策略的適用性結果Tab.3 Applicability results of coordinated control strategy

在夏季低谷、冬季低谷兩種運行方式下，對于未引起直流發生多次換相失敗或交流系統對多次換相失敗的直流電壓支撐能力較弱的母線故障，在故障發生后，無論采用何種策略，都無法降低能量損失。當交流母線發生三相短路故障造成2回及以上直流同時換相失敗時，對于引起直流發生多次換相失敗的故障，所提協調控制策略能夠較為廣泛的應用，有效緩解直流換相失敗恢復過程中受端電網無功補償的壓力，減少直流換相失敗次數，有效降低受端電網的能量損失。

4 結語

本文通過分析多饋入短路比指標的局限性，提出了多饋入運行短路比指標，以此評估含混合級聯直流系統的多饋入直流系統的換相失敗恢復特性，并歸納出多直流饋入系統換相失敗恢復應當遵循的時序配合原則。針對多饋入直流系統換相失敗恢復過程中出現多次換相失敗的問題，基于多饋入運行短路比和多直流換相失敗時序恢復原則，本文提出一種考慮了混合級聯直流系統的兩段式多直流換相失敗恢復協調控制策略。所提控制策略中的參數易于獲取，適合在實際工程中應用。為驗證所提控制策略的有效性，基于華東電網兩種典型運行方式數據進行仿真計算。仿真結果表明，所提協調控制策略能夠有效緩解直流換相失敗恢復過程中受端電網無功補償的壓力，減少直流多次換相失敗次數，有效降低受端電網的能量損失。