多端柔性直流輸電系統故障穿越控制策略研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 焦鑫艷 宋 菁 卞亦飛

多端柔性直流輸電系統直流和交流故障穿越問題相當復雜。在直流故障期間，由于直流電網阻尼較低，直流電壓迅速降低導致故障電流急劇增加，此時必須快速隔離直流故障，以抵御故障沖擊。而在交流故障期間，由于交流電網輸出電壓突然降低，換流站輸入和輸出功率失去平衡而導致直流電壓偏移，進而導致換流站自啟過電壓保護，脫離電網運行。傳統的故障控制策略普遍需要先關閉故障側的換流站，然后開啟交流斷路器，阻隔故障傳播途徑。上述方法不僅必須關閉換流站，而且需要斷開交流系統和直流系統之間的功率傳輸，不僅不利于故障穿越，更阻礙了電網運行。

1 柔性直流輸電技術與多端柔性直流輸電系統

1.1 柔性直流輸電技術功用

目前，柔性直流輸電技術已成為支持大規模可再生能源消費、能源網絡建設、能源轉換等的重要技術工具。利用柔性輸電技術，可以在發電側進行與風能、水電、太陽熱能等能源的互聯互通。同時，通過結合各種能量互補發電和柔性輸電技術，其靈活快速的資源規劃能力和對系統穩定性的保障，能夠在較大區域內有效穩定可再生能源發電的波動性和間歇性問題，進而有效降低對電網穩定性的影響。另外，在用電負荷側，通過使用柔性直流輸電技術，還可以大大提高供電系統的可控性與可靠性，進而改善了整個受端供電網絡的穩定性及對可再生能源的接納能力[1]。

目前，國內外對柔性開關裝置自身的研究仍然缺乏理論深度，還沒有完成拓撲選擇從孤立生成向有序推演的提升，以及參數選擇從粗放式向精細化的轉變。應用方面，主要集中在多端直流柔性輸電控制系統構建和故障控制策略的研究和驗證上，對于交、直流一體化和混合電網運行方案等方面的深入研究較少。

1.2 多端柔性直流輸電系統工作原理

多端柔性直流輸電系統也是基于柔性直流輸電技術建設的，其核心裝置為換流器。其基本原理為：在能源側，電力經由換流器進行交、直流轉化，然后再經由直流輸電線路送出。而在用戶端，電力則通過換流器進行直、交流轉化（逆變流程），進而再經由交流輸電線路送出[2]。

2 多端柔性直流輸電系統直流故障穿越控制策略研究

2.1 問題研究

多端柔性直流輸電系統直流故障發生后，直流電網的低阻尼特性會導致線路直流電流急劇增加，進而導致電網的輸入、輸出功率之間失去平衡，若不及時采取保護措施，將對電力系統產生毀滅性影響。因此，在工程技術上，可利用直流斷路器阻斷直流故障，實現直流故障的穿越。然而，直流斷路器運作時，環網拓撲會發生變化，直流電流也隨之變化。此時，必須考慮非故障線路過載情況。

2.2 用直流斷路器隔離故障線路

在每個換流站的輸出端設置直流斷路器，可在錯誤發生后5ms內隔離直流故障。設置仿真時間為0.700s時，線路發生極間短路故障；0.705s時，線路兩端直流斷路器動作，切除故障線路，仿真結果如圖1所示。

圖1 仿真實驗結果

由圖1可見，當故障出現后，由于靠近故障端的換流站向故障點注入了有功功率，換流站的潮流電流反轉。直流斷路器動作時，將直流功率由遠端換流站直接接入近端換流站，換流站直流側電壓迅速上升，而電壓達到峰值后，又在控制環節的影響下逐漸減弱。因此盡管能夠在短時內切斷故障線路，但換流站在暫態過程中仍然存在很大的直流過電壓，容易觸發換流站過電壓保護機制。

2.3 利用輔助電路實現直流故障穿越

換流站直流過電壓主要是由直流斷路器斷開后，殘余過電壓電流再對子模塊電容器進行充電所致，或換流站的輸入、輸出功率不平衡所致。所以，應該考慮在直流斷路器動作前將故障電路全部切除，以實現能量轉移，并消耗不平衡功率以降低直流過電壓。

通過提高了換流站的輸出電路設計，并在換流站的直流輸出口增加了輔助電路。輔助電路主要由開關電路和電能耗散電路所組成。開關電路主要負責引導能量傳遞，而高能量的損耗電路則負責損耗不平衡功率。開關電一般選用高通流特性較強的電力元器件構成。而能量耗散電路則由高通流能的晶閘管組件、電容組和耗能電阻所構成。同時安設避雷裝置，避雷裝置通常串聯于開關電路的兩端，防止過電壓沖擊，保護IGBT器件。輔助電路結構示意如圖2所示。

圖2 輔助電路結構示意圖

2.4 增強型自適應下垂控制策略

直流斷路器動作后，由于直流電網的拓撲結構改變，引發潮流傳遞，進而引起非故障線路超載。此時，應該適時調節換流站的有功功率輸出值，以防止非故障線路發生超載。但是，如果調整了換流站的有功功率，很容易造成換流站輸入電流與輸出功率之間再次失去平衡。因此需要建立換流站輸出功率調整機制，以便于緩沖不平衡功率，并保持直流電壓平衡。

增強型自適應下垂控制策略，即允許多臺變換站聯合協調有功功率，并根據換流站的輸出功率變化自動適應并調節下垂系數。同時當出現直流故障時鎖定瞬時下垂系數，并自動平移下垂曲線，以避免換流站功率的超限。

3 多端柔性直流輸電系統交流故障穿越控制策略研究

3.1 問題研究

連接在多端柔性直流輸電系統的交流電網出現故障后，系統中公共連接點電壓（PCC）也出現了一定程度的下降，對交流電網形成了很大的故障電壓。因為多端柔性直流輸電體系的高耦合特性，交流電網故障不僅會導致交流電壓降低和線路電流增加，還會引起功率波動，導致換流站的輸入和輸出功率不平衡，進而導致直流電壓發生偏移。此時，柔性多端直流輸電系統必須充分發揮其靈活控制的技術優勢，通過站間協調控制恢復功率平衡。

3.2 軟件控制

交流故障的出現，PCC點電壓也將相應下降。換流站還能夠通過增加的無功功率控制保持PCC點電流平衡。但是，考慮到增加的無功功率控制會導致換流站輸出功率超限，進而引起在系統內產生過電流，所以一定要在換流站的雙閉環控制連接中增加動態輸出電流限幅環節，其能夠通過給換流站無功功率控制進行手動調整和限流，進而有效控制過電流現象的產生[3]。

3.3 輔助回路控制

功率不平衡是換流站直流過電壓產生的主要原因。為此，設計了一種輔助電路。工作人員可以通過調整輔助電路中的直流電容器電壓峰值，實現對放電過程中不平衡功率的動態調整。其與模塊化卸荷電路和傳統式卸荷電路相比，具有更好的經濟性。

3.4 仿真實驗

圖3 仿真模型結構

仿真開始后，換流站依次投運，0.5s后系統趨于穩定。與受端換流站相連的交流電網于1.0s發生交流故障，交流電壓下跌15%。此時，若不采取任何控制手段，多端柔性直流輸電系統各電氣量的變化情況如圖4所示。

圖4 換流站無動作時各電氣量波形圖

現啟動多端柔性直流輸電系統交流故障穿越控制策略。1.05s時換流站增發無功功率，電流限幅自動變化。1.10s時，換流站啟動輔助電路，消耗換流站不平衡功率。此時，多端柔性直流輸電系統各電氣量的變化情況如圖5所示[4]。

圖5 故障穿越控制后的各電氣量波形圖

由仿真結果可知，交流故障發生后，若不啟動交流故障穿越控制策略，PCC點電壓隨之下降，并伴隨有過電流產生。啟動交流故障穿越控制策略之后，換流站增發無功功率，PCC點電壓逐漸恢復平衡，在動態電流限幅環節的作用下，交流過電流得到有效抑制。同時，啟動輔助電路消耗不平衡功率。通過軟件、硬件結合的方式，能夠實現交流故障穿越。

4 多端柔性直流輸電系統的未來展望

目前，兩網公司已經全面掌握了柔性直流輸電的關鍵技術及工程成套能力。舟山五端、廈門島柔直示范工程的投運是技術開始成熟的標志。我們認為，我國已經具備了柔性直流輸電工程技術的完全自主知識產權，已經具備了在國內大范圍推廣的技術基礎，并且具有較強的技術競爭力。2020年12月27日，世界首個特高壓多端柔性直流示范工程（昆柳龍直流工程）正式啟動投產送電，在此之前，世界上柔性直流的最高電壓等級為±500kV，而該工程則提升到前所未有的±800kV，筆者所在單位為該工程提供核心部件[5]。

柔性輸配電除了在技術上追趕學習，并實現了彎道超車，其成本也在逐年下降，未來有望逐步凸顯經濟性價值。可以預見，其將向更高性能、設備和系統設計更加緊湊化發展。目前，多個國內公司正在加緊IGBT、SiC等大功率電子電子器件和電力電子電容器、交直流電纜等技術的研發，以實現柔性輸電裝備的全面國產化。通過核心器件的國產化和技術升級，未來柔性輸電的技術經濟性將得到顯著提升，應用領域將越來越廣泛，數量也將越來越多，柔性輸電將成為促進新能源大規模開發利用和電網建設的重要技術支撐。

5 結語

本文重點研究了多端柔性直流輸電系統的故障管理策略，詳細分析了多端柔性直流輸電系統的交、直流故障特征，并給出了具體的故障管理策略，但仍然存在部分需要解決的問題。例如，雖然在多端柔性直流輸電系統中安裝輔助電路可以解決故障問題，但輔助電路安裝成本較高，電力系統元器件增多也會導致故障情況發生的可能性增加。