抑制直流連續換相失敗的光伏無功補償策略

劉世超，王銀照，鄭 施，張繼勇

(1. 國網山東省電力公司，山東 濟南 250001； 2. 南京郵電大學，江蘇 南京 210023)

1 引言

高壓直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)因為具有造價低、功率損耗小、可靠性高、調節速度快、限制短容量等交流輸電不及的優勢成為我國電網發展的必然趨勢。然而，直流輸電系統換相失敗會導致逆變側電壓大幅下降，引起換流站單極或雙極閉鎖，使送端電網功率盈余和受端電網功率缺額，進而引發連鎖機組脫網、甩負荷等問題，影響電網安全穩定運行。因此，有必要對直流輸電連續換相失敗因素展開研究，減少電壓下降事故的發生。

國內外對基于無功補償設備抑制換相失敗的方法開展了相關研究，通過在直流系統近區配備額外的無功補償設備，可以有效減少換相失敗現象的發生。將靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)接入直流系統可以穩定換流母線電壓，在一定程度上降低基于電網換相換流器的高壓直流輸電的換相失敗概率。文獻[7-8]優化了含有可投切電容器的直流系統在故障情況下無功補償策略，改善了系統的恢復特性。文獻[9]提出一種考慮降低直流換相失敗風險的無功補償優化配置方法。文獻[10]充分利用調相機的動態無功支撐能力，有效抑制了直流輸電系統因交流系統故障引起的連續換相失敗。文獻[11]提出一種考慮直流輸電系統運行策略與無功補償裝置抑制多饋入直流輸電系統連續換相失敗的抑制方法。近年來，電網中新能源快速發展，分布式光伏電站接入受端電網的比例越來越大，在我國華東地區大量光伏電站接入直流近區，其中光伏逆變器具有動態無功支撐的能力。光伏電站可以利用光伏逆變器本身的無功輸出特性向電網輸出無功功率，文獻[14]提出了一種光伏逆變器低電壓穿越時的無功控制策略，利用光伏逆變器本身的無功輸出能力向電網輸出無功功率。文獻[15]提出一種基于有功自適應調整的無功電壓控制策略，并將其應用到光伏并網的場景中，保證系統較好的動態電壓支撐能力。

目前的研究尚未考慮到光伏動態無功調節能力對直流輸電連續換相失敗抑制的支撐，利用已有光伏電站進行動態無功補償可以大大提高電網運行的經濟性。本文分析了高壓直流輸電系統連續換相失敗機理，從光伏參與電網調控的角度出發，提出一種基于光伏調相運行能力的直流輸電換相失敗抑制策略。首先搭建光伏接入受端電網的高壓直流輸電模型和分析直流連續換相失敗機理及故障時電氣量變化，然后提出在故障時提高光伏電站無功功率的輸出以抑制直流輸電系統連續換相失敗的策略，最后基于標準測試系統和實際電網對文中所提策略進行了仿真驗證。

2 總體思路

搭建大規模光伏電站接入的受端電網高壓直流輸電系統模型，如圖1所示，分為送端系統、直流輸電系統和受端系統。受端系統由交流系統和多個光伏集成系統組成。高壓直流輸電系統主要由整流站、輸電線路、逆變站等組成。光伏發電系統中的光伏陣列通過并網逆變器將電能輸入電網。

圖1 光伏并入受端電網的高壓直流系統拓撲圖

當系統發生故障時，光伏具有低電壓穿越的能力，可以對系統提供動態無功補償；與此同時，電網運行狀態的變化也會影響并網光伏的電壓穩定性。通過對HVDC系統逆變側的直流電壓、熄弧角以及接入點的有功、無功功率進行分析，判斷當前系統的運行狀態和缺少的無功功率大小。利用光伏逆變器的調相運行能力改善交流系統電壓從而達到抑制直流系統換相失敗的作用。

光伏電站輸出的有功功率隨著周圍環境光照強度和溫度變化而變化。在不同的環境下，光伏逆變處于不同的工作狀態，本文將光伏逆變器工作模式分為三種：最大功率跟蹤模式、有功削減工作模式和STATCOM工作模式。正常情況下，光伏逆變器處于最大功率跟蹤模式，按照MPPT模式輸出其最大有功功率，采用無功變下垂控制為電網提供無功補償。為釋放更多的無功，光伏逆變器處于有功削減模式，削減光伏逆變器的有功輸出，提高對系統的無功補償能力，滿足并網點的無功需求。當直流系統出現連續換相失敗等嚴重故障時，光伏將處于STATCOM工作模式，此時光伏逆變器具有向系統提供感性或容性無功補償的能力，無功補償容量為光伏逆變器全部容量，且動態響應速度較快。

基于光伏電站調相運行抑制直流換相失敗的流程如圖2所示。監測直流系統逆變器側的熄弧角，判斷直流系統是否發生了換相失敗。如果系統出現換相故障，切換光伏逆變器的工作模式，以確保其具有一定的無功補償能力。光伏逆變器提供動態無功功率支持，改善受端交流電網的電壓從而達到穩定直流逆變器側的母線電壓的效果。當直流電壓恢復正常時，光伏逆變器恢復正常工作，直流輸電系統無功需求與受端電網無功補償平衡，以達到抑制第二次換相失敗的效果。

圖2 光伏抑制連續換相失敗控制策略框圖

3 直流輸電系統連續換相失敗機理

直流換相失敗是指在換相過程中退出導通的閥在反向電壓的作用下未能及時恢復阻斷的能力，或者在反向電壓作用期間換相過程未能結束，使本該關斷的閥在正向電壓作用下重新導通的現象。換相失敗作為直流輸電系統最常見的故障之一，會引發直流功率瞬間下降甚至導致直流閉鎖的情況產生，威脅到交流系統的安全穩定運行。

在直流輸電中，換相失敗的原因主要可以分成兩種：逆變系統內部發生故障和逆變側交流系統發生故障。其中逆變系統內部故障可以分為：內部電子元器件的損壞、觸發電路誤操作。對于正常的高壓直流系統來說，逆變側內部發生故障的概率非常小。

3.1 直流輸電換相失敗動態無功需求

當直流系統逆變側受到較大的擾動引起直流換相失敗時，直流逆變側熄弧角、換流母線電壓、有功功率和無功功率等電氣量發生波動；對換相失敗期間電氣量進行電磁暫態仿真分析，仿真結果如圖3所示。

圖3 故障時交直流系統電氣量變化情況

分析圖3可知，當高壓直流落點附近的交流線路發生故障時，交直流電氣量變化如圖所示，分析各電氣量變化情況可以推斷故障后出現兩種情況：

若故障及時切除且系統電壓能夠逐漸恢復，則直流系統的有功功率也將隨著交流換相電壓的恢復而恢復，但逆變站的無功需求在直流恢復過程中將大幅增加，若補償電容器所產生的無功功率一時難以滿足此無功需求，相應的無功缺額將有受端交流系統承擔，因此對受端交流系統來說，將造成瞬時無功功率沖擊，有可能引發受端電網的電壓穩定問題。

若交流系統故障未及時切除，換相失敗的情況連續出現，導致長時間的有功缺額以及潮流大范圍轉移問題，將進一步惡化系統電壓穩定水平。

3.2 判斷直流換相失敗的條件

為了抑制直流連續換相失敗，實時監測系統運行狀態與直流系統的無功特性，判斷直流系統是否發生換相失敗。

當逆變側交流系統對稱時，熄弧角γ表達式

(1)

式中：為換流變壓器變比，為直流電流，為換相電抗，為逆變側換流母線線電壓有效值，為觸發超前角。

以極限熄弧角代入上式，可以推出換相失敗臨界換流母線線電壓有效值為

(2)

在實際工程中，評估直流輸電系統換相失敗以直流逆變側換流母線電壓的跌落值作為判斷因素，一般認為跌落至正常值運行的90以下將引發換相失敗。本文結合熄弧角和換流母線電壓兩者作為判斷直流輸電系統換相失敗的依據，保證了判斷的準確性。

4 直流輸電系統連續換相失敗抑制策略

4.1 光伏電站調相運行的無功支撐能力

光伏并網點電壓發生跌落時，光伏逆變器為系統提供相應的無功功率，以控制并網點電壓在合理范圍內。光伏逆變器無功容量不足時進行有功削減控制，以釋放出更多的無功容量，發出相應的無功功率支撐并網點電壓。

(3)

由來表示光伏工作在最大功率跟蹤模式下的有功功率，Δ表示為光伏的有功削減量，為有功削減控制的有功功率給定值，為逆變器輸出的有功功率值，，為控制器的參數，是電流控制的參考值。

由于逆變器的無功容量有限，當并網電壓下降問題較為嚴重時，僅采用有功削減控制的方法很難滿足系統的無功需求，這時需使光伏逆變器工作在STATCOM模式下，利用逆變器的全部額定容量來進行并網點的電壓支撐。當光伏電板處于不工作的狀態時，其電路結構與靜止同步補償器的主電路完全一致，從而具有STATCOM一樣進行無功補償的硬件條件。

用表示逆變器的等值電路中光伏電站接入點電壓，以表示參考相位，表示逆變器交流側輸出電壓與光伏電站接入點電壓的相角差，表示逆變器交流側輸出電壓，表示逆變器交流側電抗；、分別表示逆變器輸入電網的有功和無功。

有功功率和無功功率的計算公式為

(4)

由上式可得

(5)

當有功功率為0時，可得無功功率的范圍為

(6)

無功與有功關系可表示為

(7)

其中，表示光伏逆變器視在功率，光伏逆變器的有功和無功受視在功率的限制，一般逆變器允許工作功率為視在功率105倍，則

(8)

(9)

在此情況下，當為0時，=105。

根據光伏逆變器的功率解耦控制原理，通過有功無功電流給定值的設定就可以控制光伏逆變器輸出的有功無功功率。光伏逆變器調相運行無功補償策略如圖4所示，模式一、二分別對應光伏逆變器有功削減模式和STATCOM模式。

圖4 光伏電站補償策略圖

圖4中，和是通過變換當前坐標軸而獲得的當前分量。在有功功率控制中，比較了不同的有功電流參考值和。無功功率控制中的是接入點實時電壓的單位值(參考值220)，是接入點的實時無功功率。

直流輸電系統發生大容量故障情況時，受端交流系統電壓驟降，系統無功缺額較大。光伏逆變器工作在兩種不同的工作模式下，對并網點進行不同程度的無功補償，使并網點電壓維持在合理范圍內。

4.2 抑制直流輸電連續換相失敗策略

目前，引起直流輸電系統連續換相失敗的因素有很多，本文僅以電壓跌落幅值為直流連續換相失敗的主導影響因素，把熄弧角作為連續換相失敗的判斷依據。通過分析直流系統的無功需求，結合換相失敗恢復過程中的電壓、熄弧角等電氣量的特性和變化規律，對連續換相失敗進行預判；然后依據直流系統有功功率、無功功率和熄弧角之間的耦合關系，以直流輸電系統逆變側換流母線電壓作為控制對象，利用光伏逆變器調相運行能力對并網點進行無功補償，維持并網點的電壓穩定。

直流系統的無功特性可以利用換流器的穩態方程進行表示

(10)

(11)

式中，和分別為直流電壓和電流，和分別為有功功率和無功功率，0為理想空載直流電壓，為串聯的橋數，為換流變壓器變比，為換相電抗，表示高壓側母線線電壓有效值，表示逆變側熄弧角。

根據光伏逆變器的功率解耦控制原理，通過有功無功電流給定值的設定就可以控制光伏逆變器輸出的有功無功功率。光伏逆變器分別工作在兩種工作模式下，利用光伏逆變器調相運行能力改善受端交流系統電壓，強化交流系統強度，提升動態無功支撐能力，抑制直流輸電系統的連續換相失敗。

光伏逆變器無功輸出控制方法原理如圖5所示。

圖5 光伏逆變器的無功控制策略

當光伏并網接入點檢測到逆變器側的熄弧角已降至7°以下時，光伏逆變器切換工作模式以向電網輸出無功功率。該控制的無功補償計算功能如圖5所示，將監控接入點的實時電壓與標準電壓之間的差乘以壓降系數，然后比較實時無功功率。該部分構成功率外環控制部分。比較獲得的ΔQ注入電流內環控制鏈接。通過電流控制獲得參考電壓，經過dq/abc轉換后獲得三相參考電壓。最后，通過PWM轉換得到光伏逆變器開關管的柵極驅動模型，以控制逆變器的輸出功率。

5 仿真驗證

5.1 電磁暫態仿真

為了驗證所提策略的有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平臺中搭建光伏并入受端電網的高壓直流系統模型，模擬大規模光伏并入受端電網的情況下，高壓直流輸電系統發生換相失敗故障的場景。利用光伏逆變器調相運行能力，切換光伏逆變器工作模式，滿足并網點無功需求，使交流系統電壓維持在一定的范圍內，同時觀察直流輸電系統換相失敗恢復情況。

模型包括一個CIGRE HVDC模型和一個光伏電站模型。HVDC模型采用單極500kV、1000MW直流輸電，整流側和逆變側采用12脈波的換流器，受端采用1000MW同步電機。光伏發電模型輸出電壓為220kV。

在本算例中，考慮逆變側交流系統發生短路故障導致使直流系統發生換相失敗。將高壓線路交流側短路故障設置為：在第1s時添加600MW的無功負荷，持續時間0.15s。通過觀察熄弧角的大小可以判斷直流發生兩次連續換相失敗，根據換相失敗的次序可以將其分為首次換相失敗和后續換相失敗。由于首次換相失敗發生速度很快，系統來不及動作，光伏逆變器無功補償主要對后續換相失敗電壓進行支撐。仿真將分為光伏逆變器運行在有功削減模式和STATCOM模式兩個場景下進行效果對比分析。搭建好上述系統，并施加故障，對故障后恢復過程中的電網狀態進行記錄，各電氣量仿真曲線如圖6、8黑色曲線所示。光伏電網接入受端電網，將并網點電壓饋入光伏逆變器無功外環控制環節，光伏電站輸出無功功率。交流系統強度增加，各電氣量仿真曲線如圖6、8中紅色曲線所示。

圖6 直流仿真曲線(模式一)

圖7 光伏輸出功率(模式一)

當光伏逆變器處于有功削減模式時，直流各電氣量和光伏輸出功率如圖6、7所示，光伏逆變器在直流系統未故障時輸出的有功功率為135MW。當處于有功削減模式時，有功輸出削減至30MW。光伏逆變器輸出的光伏逆變器的無功補償對交流系統起到一定電壓支撐的作用。第一次換相失敗結束以后，直流輸電系統逆變側熄弧角跌再次落至6°，可以判斷直流輸電系統發生第二次換相失敗，由此可以得出，光伏逆變器處于有功削減模式時，連續換相失敗有所改善。但由于光伏逆變器輸出無功容量有限，無法抑制連續換相失敗。

圖8 直流仿真曲線(模式二)

圖9 光伏輸出功率(模式二)

光伏逆變器處于STATCOM模式，利用全部容量來進行并網點的電壓支撐。圖8、9為STATCOM模式下光伏電站輸出的有功無功以及并網點電壓的變化情況。在STATCOM模式下，光伏電站不輸出有功功率，但需從電網吸收一定的有功功率以維持逆變器的正常工作。圖8顯示STATCOM模式下光伏具有很好的電壓調節能力，有效抑制直流第二次換相失敗。

對比光伏逆變器采用兩種策略補償效果可得，光伏逆變器處于STATCOM模式下，不僅支撐換流側直流電壓的幅值，抑制熄弧角的二次跌落，同時也增強了受端交流系統的強度，從而達到了抑制后續換相失敗的效果。

5.2 實際電網仿真

采用中國電科院研發的PSD-BPA作為仿真工具，基于實際華東電網的數據進行仿真分析，該數據中包括SL、QY、MC、JT、SD、XT、SY、SF、TF等九回直流線路。設置SL線路三永N-1故障，故障時間設置在第10s，以出現連續兩次換相失敗的SD線路作為研究對象。

SD直流詳細電氣量仿真曲線如圖10黑色曲線所示。故障發生后，直流逆變側熄弧角跌落至0°小于臨界熄弧角且換流母線電壓跌落至0.9p.u.以下，判斷SD線路發生首次換相失敗。在首次換相失敗后，換流母線電壓逐漸恢復至穩態值附近，而熄弧角超調導致直流無功需求遠超過無功補償容量，直流長時間從受端電網吸收無功功率，引起第二次換相失敗。

圖10 直流仿真曲線

圖11 光伏輸出功率

采用光伏無功補償策略，SD直流詳細電氣量如圖10紅色曲線所示。以換流母線電壓作為光伏逆變器控制環節輸入參數，使光伏逆變器及時動作。多個光伏電站利用其動態無功支撐能力共輸出1600Mvar左右的無功功率，將直流換流母線電壓控制在穩定范圍內，有效抑制了SD直流第二次換相失敗。圖11顯示了光伏集群無功輸出的情況，其中光伏集群輸出的有功功率近似于0，故不在圖中顯示。

從電磁暫態仿真和實際電網仿真兩個方面進行驗證，本文所提光伏電站無功補償策略能有效抑制了直流連續換相失敗，使換流母線電壓恢復后并維持正常穩定的運行狀態，避免對系統造成較大的影響。

6 結論

本文針對大容量高壓直流饋入受端電網，電網動態無功儲備減少、電壓調節惡化的問題，提出一種利用光伏電站調相運行能力抑制直流輸電系統連續換相失敗的策略，得出以下結論：

1)提出一種利用光伏逆變器調相運行能力抑制直流連續換相失敗策略。與現有方法相比，該方法充分利用系統中存在的光伏逆變器的動態無功支撐能力，提升系統的動態支撐能力，減少了無功補償設備配置成本投入，提高系統運行經濟性。

2)光伏逆變器的兩種無功補償策略對直流連續換相失敗故障后換流母線電壓恢復起到不同程度的效果。在有功削減模式下，光伏逆變器提供了部分容量的動態無功支撐，加強受端電網強度，對直流輸電第二次換相失敗具有一定的改善效果；STATCOM模式利用逆變器全部容量進行無功支撐，具有恢復換流母線電壓，抑制直流輸電系統連續換相失敗的作用。

3)本文僅考慮單一光伏逆變器作為動態無功補償裝置，隨著受端光伏裝機的逐年增長，如何利用光伏逆變器和已有動態無功補償協調抑制直流連續換相失敗需要進一步進行研究。