特高压混合级联直流输电系统抑制逆变站后续换相失败的无功功率调控方法

特高压混合级联直流输电系统抑制逆变站后续换相失败的无功功率调控方法

薛煜东

国网辽宁省电力有限公司锦州供电公司 121000

摘要：随着高压直流(highvoltagedirectcurrent，HVDC)输电系统在西电东送、电网互联中的广泛应用，换流器的谐波传递与放大成为威胁电网稳定的潜在隐患。在高压直流系统实际应用建设中，电网换相换流器(linecommutatedconverter，LCC)由于技术成熟，建设成本较其他类型高压直流输电更低，因此，被广泛应用于各种高压直流系统。但是，因LCC中电力电子器件的非线性特性而产生的丰富谐波，对交直流互联系统的稳构成了潜在的威胁。目前，抑制无功交换持续波动的方法主要有：安装无功补偿装置和改进直流系统控制策略。前者通过安装无功补偿设备（例如同步调相机和静态同步补偿器）为直流系统提供无功功率支撑，但会增大交流系统短路电流越限风险，并且投资成本高昂。后者可以较经济地抑制换相失败风险，如直流系统普遍采用的低压限流（voltagedependencurrentorderlimitation，VDCOL）控制策略。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对特高压混合级联直流输电系统抑制逆变站后续换相失败的无功功率调控方法提出了一些建议，以供参考。

关键词：特高压混合级联；直流输电系统；抑制逆变站后续换相失败；无功功率调控方法

引言

当混合级联直流输电系统的逆变站发生交流故障时，交流母线电压会跌落，严重时可能导致逆变站发生后续换相失败。提出了一种基于MMC无功功率调控、来降低后续换相失败概率的方法，在PSCAD/EMTDC中搭建了相应的仿真模型，对所提出的无功功率调控方法进行了仿真验证，无论对于三相故障还是单相故障，无功功率调控方法均能在一定程度上减小交流母线电压的下降程度，所提无功功率调控方法能够在一定的故障情况下有效抑制系统发生后续换相失败，同时改善系统故障过程中及恢复过程中的暂态特性。

1、混合级联直流系统

混合级联直流系统典型拓扑结构。该系统中，送端换流站为传统高、低端双12脉动电流源型换流器(currentsourceconverter，CSC)，受端换流站为高端单12脉动LCC串联低端3个电压源型换流器(voltagesourceconverter，VSC)。混合级联直流单极系统的额定压为800kV，功率为4000MW。

2、VDCOL功能

由于退出导通的阀在换相结束后未恢复电流阻断能力，当阀电压变为正向后，预定导通的阀将向其倒换相，此情况被定义为换相失败。换相失败判断依据为阀关断角小于阀去游离时间对应的最小角度，且阀电流连续，阀电压为零。借助仿真中关断角、阀电流、阀电压的特征曲线可以得到换相失败的准确判断。为使逆变器从换相失败中恢复，VDCOL强制减小直流电流指令以控制直流功率的传输，直至交流故障切除。此外，由于直流系统所需的无功支撑功率与直流传输功率紧密耦合，VDCOL对直流电流的控制减少了交流系统向逆变器提供无功功率的压力，提升了交流电压的恢复能力。以直流电压启动的VDCOL为例。直流电流指令IVDCOL和直流电压U_d关系为：

（1）式中：I_high和I_low分别为直流电流指令最大、最小值；U_high和U_low分别为直流电压的最大、最小值。

3、后续换相失败机理

根据基尔霍夫电压及电流定律：Lc -Lc = Esin （1）

式中：I_d为直流电流，满足I_d=i_T1i+i_T3i，其中i_T1i和i_T3i

分别为；Lc为；E为交流线电压有效值，满足V_ab=V_a--V_b=2Esinωt，其中V_a和V_b分别为；ω为交流系统角频率，对于频率为50Hz的交流系统，ω=314rad/s。

根据式（1），稳态时所需换相电压时间面积：

S_μ，need=∫_α^α+μ(Lcd( Lcc )dωt=2ωL_cI_d（2）式中：μ为；α为触发角。若考虑换相期间直流电流的变化ΔId，所需换相电压时间面积（本文简称换相面积）修改为：S_μ，need=2ωL_cI_d+ωL_cΔI_d（3）根据式（1），给定触发角α情况下，为保证成功换相逆变器的最大换相面积提供量为：

S_μ-pro=∫_α^π-γmin Esinωtdωt= E(cosγ_min+cosα)（4）

式中：γmin为固有最小关断角，反应了晶闸管元件中载流子复合开关建立PN结阻挡层以恢复正向阻断能力所必须的时间，一般认为约400μs（本文γmin取7.2°），当S_μ，need大于S_μ，pro时，实际换相电压下能够提供的最大换相面积仍不满足换相过程所需换相面积，会导致实际的关断角γ小于γ_min时，则会出现以下情况之一：①换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用期间，不能恢复阻断能力；②两个桥臂的换相过程一直未能结束。在这两种情况下，会出现预期开通的阀向预定关断的桥臂倒换相而未能开通，预期关断的阀未能关断，这种异常工况被称为换相失败。

4、抑制逆变站后续换相失败的无功功率调控方法

在发生交流故障之后的恢复过程中，换流站会从交流母线吸收大量的无功功率，这会造成交流系统母线电压的剧烈波动，加剧交流电压的下降，使得换流器更容易发生后续换相失败。为了降低受端交流系统故障时逆变侧LCC生后续换相失败的概率。基本原理为通过测量逆变站LCCγ角的变化量，并将该变化量补偿至MMC的无功外环控制系统，提高MMC输出的无功功率，支撑逆变侧交流母线的电压，降低故障发生时母线电压的降落程度，以此来降低LCC发生后续换相失败的概率。1）测量逆变侧LCC的γ角，将γ测量值与无功功率调控部分的关断角参考值γref2进行比较，得到二者差值，输送至下一个环节。根据调研，关断角γ的测量时间大致为0.95ms。考虑到系统正常运行时γ角会有一定程度的波动，因此设置判断环节来控制无功功率调控方法的投入和切除。暂态过程中关断角的测量精度不高，但仍能反应出系统发生了交流故障，此时系统是需要无功功率支撑的，因此输出无功功率对系统是有积极作用的。

结束语

综上所述，本文通过分析混合双馈入直流输电系统逆变侧交流故障特性和LCC连续换相失败机理，设计了不同的MMC暂态调压控制策略，得出的结论如下：1）当交流母线电压跌落较小时，MMC采取快速无功-电压下垂控制的故障恢复特性优于定无功功率控制或定交流电压控制，提高了系统对故障的响应速度，通过采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法，可以避免MMC切换控制方式造成的功率振荡；2）当交流母线电压跌落较大时，MMC采取快速无功-电压下垂控制，根据换相电压-时间面积理论求取抑制LCC连续换相失败直流电流限值，并以此确定MMC外环无功功率参考值，可以有效抑制换流母线电压的波动，避免LCC后续换相失败的发生，保证了向受端交流系统的可靠供电。

参考文献

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