特高壓直流分層接入方式下預(yù)防換相失敗的協(xié)調(diào)控制策略

王渝紅，陳立維，曾 琦，寇 然，廖建權(quán)

特高壓直流分層接入方式下預(yù)防換相失敗的協(xié)調(diào)控制策略

王渝紅，陳立維，曾 琦，寇 然，廖建權(quán)

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

分層接入的特高壓直流輸電系統(tǒng)中，非故障層換相失敗預(yù)測控制的啟動時刻存在延時，無法及時反應(yīng)故障嚴(yán)重程度以輸出合適的觸發(fā)角提前量，可能導(dǎo)致高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險增加。對此，提出一種基于故障層觸發(fā)角提前量前饋的高低端換流器換相失敗預(yù)測控制協(xié)調(diào)策略。利用故障層換流器可更靈敏反應(yīng)故障嚴(yán)重程度的特點，所提策略將故障層換相失敗預(yù)測控制觸發(fā)角提前量引入非故障層換相失敗預(yù)測控制，實現(xiàn)非故障層換相失敗預(yù)測控制啟動時刻提前。此外，還引入直流電流協(xié)調(diào)系數(shù)以得到更合適的觸發(fā)角提前量。在PSCAD/ EMTDC中搭建了仿真模型，對不同工況下所提控制策略進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，該策略能快速應(yīng)對逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障，減小高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險，對預(yù)防分層接入系統(tǒng)高低端換流器同時發(fā)生換相失敗有一定借鑒意義。

特高壓直流輸電；分層接入系統(tǒng)；換相失敗預(yù)測控制；協(xié)調(diào)控制策略；換相失敗

0 引言

為促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、減少碳排放，我國提出了2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的“雙碳”目標(biāo)。“雙碳”目標(biāo)的提出，將使以風(fēng)電和光伏為主的新能源裝機(jī)容量不斷提高。我國能源基地與負(fù)荷中心存在明顯的地理分布差異，如何提高新能源的利用率和消納能力是能源轉(zhuǎn)型中的熱點議題[1-2]。特高壓直流輸電憑借輸電容量大、距離遠(yuǎn)以及控制方式靈活等優(yōu)點成為解決新能源消納問題的重要手段，近些年得到了快速發(fā)展[3-10]。隨著直流輸電工程的不斷建設(shè)投運，我國某些地區(qū)同時饋入多條直流輸電工程，使這些地區(qū)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變得更加密集，加重了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的潮流和短路電流水平，同時也嚴(yán)重威脅著受端交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定[11-13]。為提高受端交流系統(tǒng)電壓支撐和潮流疏散能力，文獻(xiàn)[14]從調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)著手，提出了特高壓直流分層接入受端交流系統(tǒng)的方式，即每一極的高低端換流器以分層形式接入受端交流系統(tǒng)的不同電壓等級電網(wǎng)。

專家學(xué)者對分層接入系統(tǒng)進(jìn)行了許多研究。在控制保護(hù)與運行特性方面：文獻(xiàn)[15]對比分析了多回特高壓直流單層接入特高壓交流電網(wǎng)、單層接入超高壓交流電網(wǎng)及分層接入特高壓和超高壓交流電網(wǎng)三種模式下，交直流混聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。文獻(xiàn)[16]分析了特高壓直流分層接入交流系統(tǒng)后直流系統(tǒng)的故障特征，為繼電保護(hù)的配置提供了一定參考。文獻(xiàn)[17]以昌吉-古泉UHVDC工程為例，對常規(guī)自動再啟動控制進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于實時故障檢測判定的換相失敗控制和恢復(fù)策略，該策略可準(zhǔn)確判定故障狀態(tài)、故障發(fā)生的電壓層級和故障的持續(xù)時間，提高了系統(tǒng)的輸電可靠性。文獻(xiàn)[18]建立了特高壓直流分層接入系統(tǒng)的小信號模型，在此基礎(chǔ)上，定量分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[19]分析了高低端換流器中點分壓器可能出現(xiàn)的故障類型，并提出了中點分壓器應(yīng)對各種故障情況的控制保護(hù)動作策略。文獻(xiàn)[20]對直流分層接入方式下層間交互影響因子的不同計算方法進(jìn)行了對比分析，并指出了不同計算方法產(chǎn)生差異的原因。文獻(xiàn)[21]提出了一種分層接入方式下交直流系統(tǒng)中長期電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方法，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的同時減少了切負(fù)荷損失，充分體現(xiàn)了分層接入系統(tǒng)功率快速可調(diào)的特點。文獻(xiàn)[22]完善了分層接入短路比的定義，并以此為基礎(chǔ)分析了分層接入方式下受端交流系統(tǒng)的接納能力。文獻(xiàn)[23]設(shè)計了分層接入系統(tǒng)逆變側(cè)各換流器的附加功率-電壓控制，實現(xiàn)了對各換流器輸送功率的獨立調(diào)節(jié)，充分體現(xiàn)了分層接入方式下潮流分布可控的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[24]對傳統(tǒng)單饋入電壓穩(wěn)定指標(biāo)進(jìn)行了推廣，提出了多饋入電壓穩(wěn)定指標(biāo)，并結(jié)合分層接入方式的特點，對換流母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[25]分析了分層接入方式下?lián)Q流母線電壓相互作用因子和短路比，進(jìn)一步研究了受端潮流重新分布對換相失敗的影響。在分層接入系統(tǒng)換相失敗方面也有一些研究成果，文獻(xiàn)[26]提出了基于逆變側(cè)關(guān)斷角的分層接入系統(tǒng)高低端換流器間的協(xié)調(diào)控制策略，從而降低高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險。文獻(xiàn)[27]分析了分層接入系統(tǒng)高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的機(jī)理，指出非故障層換相失敗預(yù)測控制(Commutation Failure Prevention, CFPREV)的啟動滯后于故障層CFPREV，導(dǎo)致高低端換流器同時發(fā)生換相失敗。為解決此問題，文獻(xiàn)[28]引入了換相電流時間面積指標(biāo)使非故障層CFPREV提前啟動，降低了高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險，但所提策略沒有綜合考慮故障時各電氣量的故障特性，在一定程度上削弱了預(yù)防換相失敗的能力。文獻(xiàn)[29]基于分層接入相互作用因子提出了高低端CFPREV的協(xié)調(diào)控制策略，降低了高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險，但存在協(xié)調(diào)系數(shù)無法根據(jù)故障嚴(yán)重程度自適應(yīng)調(diào)整的問題，制約了協(xié)調(diào)控制策略充分發(fā)揮抑制換相失敗的作用。為降低高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險，提高分層接入系統(tǒng)對故障的免疫能力，研究分層接入系統(tǒng)預(yù)防換相失敗的控制策略具有重要意義。

考慮到分層接入系統(tǒng)逆變側(cè)高低端換流器復(fù)雜的耦合關(guān)系，本文分析了受端交流系統(tǒng)故障時高低端換流器換相失敗特性，指出分層接入系統(tǒng)CFPREV的不足。非故障層CFPREV的啟動時刻存在延時，可能導(dǎo)致高低端換流器同時發(fā)生換相失敗。針對該問題，本文提出了一種基于故障層觸發(fā)角提前量前饋的高低端換流器CFPREV協(xié)調(diào)策略，并分析了該策略對系統(tǒng)運行特性的影響。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了分層接入系統(tǒng)仿真模型，驗證了所提協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

1 特高壓直流分層接入系統(tǒng)介紹

1.1 分層接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分層接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用雙極兩端中性點直接接地的運行方式，每極由2組在直流側(cè)串聯(lián)、交流側(cè)并聯(lián)的12脈動換流器構(gòu)成。每極中距離接地點較近、電位較低的換流器稱為低端換流器，低端換流器接入1 000 kV交流電網(wǎng)；距離接地點較遠(yuǎn)、電位較高的換流器稱為高端換流器，高端換流器接入500 kV交流電網(wǎng)。交流濾波器和無功補(bǔ)償設(shè)備在兩種電壓等級電網(wǎng)中分層獨立配置。

圖1 分層接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 分層接入系統(tǒng)基本控制策略

分層接入系統(tǒng)中，整流側(cè)換流器接入交流系統(tǒng)同一電壓等級電網(wǎng)，配置有定電流控制和最小觸發(fā)角控制；逆變側(cè)高低端換流器分別接入交流系統(tǒng)的不同電壓等級電網(wǎng)，定關(guān)斷角控制、定電流控制、電流偏差控制(Current Error Controller, CEC)以及低壓限流控制(Voltage Dependent Current Order Limiter, VDCOL)需獨立配置在各換流閥組控制層。正常運行時，整流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定關(guān)斷角控制，控制策略如圖2所示。

圖2 分層接入系統(tǒng)基本控制策略

圖2中，dre為整流側(cè)直流電流；din、din和in分別為逆變側(cè)直流電壓、直流電流和關(guān)斷角；dord和ord分別為主控制極和實際輸出的直流電流指令值；ord為逆變側(cè)關(guān)斷角指令值；re和in分別為整流側(cè)和逆變側(cè)觸發(fā)角指令值。

1.3 分層接入系統(tǒng)換相失敗特性

分層接入系統(tǒng)逆變側(cè)高低端換流器存在復(fù)雜的電氣耦合關(guān)系，受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，可能導(dǎo)致高低端換流器同時發(fā)生換相失敗，其換相失敗特性更加復(fù)雜。將500 kV換流母線等效為節(jié)點1，1 000 kV換流母線等效為節(jié)點2，則受端交流系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 受端交流系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)

Fig.3 Equivalent structure of receiving AC system

假設(shè)500 kV交流電網(wǎng)發(fā)生對稱故障后，其換流母線電壓跌落量記為ΔH，此時，若1 000 kV換流母線電壓跌落量記為ΔL，則兩者存在如下關(guān)系：

分層接入系統(tǒng)受端高低端換流器在直流側(cè)為串聯(lián)連接關(guān)系，流過相同的直流電流。

式中：為換流變壓器變比；C為等值換相電抗；為超前觸發(fā)角；高低端參數(shù)分別用下標(biāo)H、L表示。

500 kV交流電網(wǎng)發(fā)生對稱故障時，其換流母線電壓會降低，根據(jù)式(3)，高端換流器的關(guān)斷角會減小，根據(jù)式(2)，直流電流會迅速上升，高端換流器的關(guān)斷角會進(jìn)一步減小，嚴(yán)重時會導(dǎo)致高端換流器發(fā)生換相失敗。與此同時，1 000 kV換流母線電壓也會受到影響而降低，再加上直流電流的增加，低端換流器的關(guān)斷角會迅速減小，也存在發(fā)生換相失敗的風(fēng)險。高低端換流器發(fā)生換相失敗的時間間隔極短，可認(rèn)為同時發(fā)生換相失敗。特高壓直流輸電系統(tǒng)容量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生換相失敗，會對交直流混聯(lián)系統(tǒng)造成巨大沖擊。

2 協(xié)調(diào)控制策略

2.1 CFPREV特性分析

CFPREV的基本原理是：檢測到交流系統(tǒng)發(fā)生故障后，減小換流器觸發(fā)角，對換流器進(jìn)行提前觸發(fā)控制，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。CFPREV的故障檢測功能由不對稱故障檢測和對稱故障檢測兩部分構(gòu)成，當(dāng)交流系統(tǒng)故障嚴(yán)重程度達(dá)到任一故障檢測的閾值時，CFPREV將輸出觸發(fā)角提前量，對換流器進(jìn)行提前觸發(fā)控制，從而預(yù)防換流器換相失敗。

圖4 CFPREV結(jié)構(gòu)

圖4中：a、b、c為換流母線三相交流電壓瞬時值；ABZ_LEVEL和 DIFF_LEVEL分別為對稱和不對稱故障檢測的閾值，一般取為0.15和0.14；K和0分別為對稱和不對稱故障檢測對應(yīng)的角度增益；C為輸出的觸發(fā)角提前量，其大小與換流母線電壓跌落量正相關(guān)。

分層接入系統(tǒng)中，CFPREV在每一極高低端換流器控制系統(tǒng)中均獨立配置，CFPREVH輸入500 kV換流母線電壓，CFPREVL輸入1 000 kV換流母線電壓。當(dāng)500 kV交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，高低端換流母線電壓跌落程度的關(guān)系如式(1)所示，由于聯(lián)系阻抗的存在，500 kV換流母線電壓跌落程度較1 000 kV換流母線更嚴(yán)重，而CFPREVH和 CFPREVL的故障檢測閾值相同，因此500 kV換流母線電壓跌落先達(dá)到故障檢測閾值，使CFPREVH先啟動，隨后1 000 kV換流母線電壓跌落達(dá)到故障檢測閾值啟動CFPREVL，CFPREVL的啟動時刻滯后于CFPREVH，故障較嚴(yán)重時可能晚于對應(yīng)換流器換相失敗發(fā)生的時刻，無法發(fā)揮減小換相失敗風(fēng)險的作用，如圖5所示。

圖5 分層接入系統(tǒng)CFPREV效果

2.2 CFPREV的協(xié)調(diào)控制策略

為解決上述問題，本文提出了一種基于故障層觸發(fā)角提前量前饋的高低端換流器CFPREV協(xié)調(diào)控制策略。故障層換流器可更靈敏反應(yīng)故障嚴(yán)重程度，利用該特點，所提策略將故障層CFPREV觸發(fā)角提前量引入非故障層CFPREV，實現(xiàn)非故障層CFPREV啟動時刻提前，并利用能反應(yīng)故障嚴(yán)重程度的直流電流設(shè)計協(xié)調(diào)系數(shù)，使協(xié)調(diào)系數(shù)能根據(jù)直流電流的變化作出調(diào)整，從而使非故障層CFPREV輸出合適的觸發(fā)角提前量，減小高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其原理是將另外一層CFPREV的輸出與協(xié)調(diào)系數(shù)的乘積引入到本層，并與本層CFPREV的輸出進(jìn)行比較，兩者中的較大值為本層最終輸出的觸發(fā)角提前量，協(xié)調(diào)控制策略下兩層CFPREV輸出的觸發(fā)角提前量分別為式(5)和式(6)。為限制另一層引入到本層的觸發(fā)角提前量過大，加入了限幅環(huán)節(jié)。

式中：CH1和CL1分別為CFPREVH和CFPREVL的最終輸出值；H和L分別為高、低端協(xié)調(diào)系數(shù)。

圖6 CFPREV協(xié)調(diào)控制策略

由圖6和式(5)、式(6)可知，無論哪一層交流系統(tǒng)發(fā)生故障，在協(xié)調(diào)控制策略的作用下，非故障層CFPREV不僅啟動時刻提前而且輸出的觸發(fā)角提前量能根據(jù)協(xié)調(diào)系數(shù)動態(tài)變化。觸發(fā)角提前量與換流器是否發(fā)生換相失敗直接相關(guān)，為使協(xié)調(diào)控制策略輸出合適的觸發(fā)角提前量，本文利用直流電流來設(shè)計協(xié)調(diào)系數(shù)，如式(7)所示。協(xié)調(diào)系數(shù)為直流電流標(biāo)幺值與基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)的乘積，基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)的作用是使非故障層CFPREV輸出合適的觸發(fā)角提前量，在降低非故障層換流器換相失敗風(fēng)險的同時盡可能地減小有功功率的下降幅度。

式中：d與dN分別為直流電流實際值和額定值；baseH、baseL分別為高低端基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)，其選取遵循以下原則。

1) 提前觸發(fā)會增加逆變站無功消耗，逆變站無功消耗需受端交流系統(tǒng)提供，當(dāng)故障造成受端交流系統(tǒng)無功不足時，觸發(fā)角提前量過大反而會使交直流混聯(lián)系統(tǒng)運行狀況進(jìn)一步惡化，因此，基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)的選取必須考慮受端交流系統(tǒng)的強(qiáng)度，對于受端較強(qiáng)的系統(tǒng)，基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)應(yīng)適當(dāng)取大一些。

2) 基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)的選擇以輸出合適的觸發(fā)角提前量為約束。取值過小會使觸發(fā)角提前量偏小，無法有效降低發(fā)生換相失敗的概率；取值過大會使觸發(fā)角提前量偏大，降低直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，使交直流混聯(lián)系統(tǒng)運行狀況進(jìn)一步惡化。經(jīng)大量仿真，基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)的取值為0.5～1。

當(dāng)高低端協(xié)調(diào)系數(shù)H和L均取1時，得到協(xié)調(diào)控制策略的一種特殊情況如圖7所示，其原理是將另外一層CFPREV的輸出直接引入到本層，并與本層CFPREV的輸出進(jìn)行比較，使本層最終輸出的觸發(fā)角提前量為兩層CFPREV輸出中的較大者。因此，無論受端哪一層交流系統(tǒng)發(fā)生故障，兩層CFPREV輸出的觸發(fā)角提前量相同，且均為兩層CFPREV輸出觸發(fā)角提前量中的較大者。

式中，αCH2和αCL2分別為KH和KL均為1時CFPREVH和CFPREVL的最終輸出值。

underH=L=1

對非故障層CFPREV而言，啟動時刻提前且輸出的觸發(fā)角提前量增加，可以有效減小非故障層換流器換相失敗風(fēng)險，但由于非故障層換流母線電壓的跌落程度弱于故障層，直接將故障層觸發(fā)角提前量引入到非故障層，會使非故障層觸發(fā)角提前量過大，從而使關(guān)斷角過大，直流傳輸功率會更低。因此，在該特殊情況下，雖然降低了非故障層換流器發(fā)生換相失敗的風(fēng)險，但可能使非故障層換流器輸送的功率更小。

3 仿真驗證

為驗證本文所提協(xié)調(diào)控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了如圖1所示的特高壓直流分層接入系統(tǒng)模型，主要參數(shù)如表1所示。

表1 分層接入系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)的選取

按照基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)的選取原則，在搭建的分層接入系統(tǒng)上進(jìn)行大量仿真，尋找效果較優(yōu)的一組基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)。本文搭建的系統(tǒng)中，逆變側(cè)1 000 kV交流電網(wǎng)短路比大于500 kV交流電網(wǎng)，所以baseL應(yīng)大于baseH，讓baseL從0.55開始以0.05為步長取到1，baseH從0.5開始以0.05為步長取到0.95，設(shè)置以下10組系數(shù)，如表2所示。以500 kV換流母線處發(fā)生三相接地故障和1 000 kV換流母線處發(fā)生單相接地故障為例進(jìn)行分析，分別在500 kV換流母線處設(shè)置三相接地故障和1 000 kV換流母線處設(shè)置單相接地故障，故障1 s時開始，持續(xù)0.1 s，接地電感為0.1～0.7 H，步長為0.1 H，記錄非故障層換流母線電壓最小值、關(guān)斷角最小值以及系統(tǒng)輸送有功功率最小值，仿真結(jié)果如表3—表6所示。其中，非故障層換流母線電壓最小值為標(biāo)幺值(p.u.)，關(guān)斷角最小值和系統(tǒng)輸送有功功率最小值單位分別為度和MW。仿真結(jié)果的評價指標(biāo)：(1) 盡可能保證系統(tǒng)不發(fā)生換相失??；(2) 在不發(fā)生換相失敗的前提下輸送的功率盡可能多。

表2 基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)分組

表3 500 kV換流母線三相接地故障仿真結(jié)果1

Table 3 Simulation results 1 of converter bus after a three-phase grounding fault in 500 kV AC grid

表4 500 kV換流母線三相接地故障仿真結(jié)果2

Table 4 Simulation results 2 of converter bus after a three-phase grounding fault in 500 kV AC grid

表5 1 000 kV換流母線單相接地故障仿真結(jié)果1

Table 5 Simulation results 1 of converter bus after a single-phase grounding fault in 1 000 kV AC grid

表6 1 000 kV換流母線單相接地故障仿真結(jié)果2

Table 6 Simulation results 2 of converter bus after a single-phase grounding fault in 1 000 kV AC grid

由表3、表4可知，500 kV換流母線處發(fā)生三相接地故障時，第1—4組在接地電感為0.1～0.3 H時均發(fā)生2或3次換相失敗，第5—10組在接地電感為0.1～0.7 H時均沒有發(fā)生換相失敗，另外，在第5—10組中，第5組不僅具有足夠的換相裕度而且輸送的有功功率也較多。由表5、表6可知，1 000 kV換流母線處發(fā)生單相接地故障時，第1—3組在接地電感為0.1～0.4 H時均發(fā)生4次換相失敗，第4—10組在接地電感為0.1～0.3 H時均發(fā)生3次換相失敗、在接地電感為0.4～0.7 H時均沒有發(fā)生換相失敗，另外，在第4—10組中，第5組不僅具有足夠的換相裕度而且輸送的有功功率也較多。根據(jù)上述評價指標(biāo)，第5組基礎(chǔ)協(xié)調(diào)系數(shù)在10組中具有最優(yōu)的控制效果，所以本文最終選擇第5組，即baseH設(shè)置為0.7、baseL設(shè)置為0.75。

3.2 CFPREV輸出效果對比

在無協(xié)調(diào)控制策略情況下，1 000 kV換流母線處設(shè)置單相接地故障，以故障發(fā)生時刻為0時刻點，故障持續(xù)0.1 s，接地電感為0.1～0.7 H，步長為0.1 H，記錄CFPREVL啟動時刻L1、CFPREVH啟動時刻H1、低端換流器換相失敗時刻L2以及高端換流器換相失敗時刻H2，進(jìn)一步計算L1和H1的偏差Δ1以及L2和H2的偏差Δ2，結(jié)果如表7所示。

表7 無協(xié)調(diào)控制策略時CFPREV啟動與換相失敗發(fā)生時刻

無協(xié)調(diào)控制策略情況下，1 000 kV換流母線處發(fā)生單相接地故障時，高低端換流器均發(fā)生換相失敗，由表7可知，Δ2均小于Δ1，高端換流器發(fā)生換相失敗的時刻均早于CFPREVH的啟動時刻，即無協(xié)調(diào)控制策略時，非故障層CFPREV啟動時刻可能晚于其對應(yīng)換流器發(fā)生換相失敗的時刻，高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險較大。

為進(jìn)一步對比有無協(xié)調(diào)控制策略對CFPREV輸出的影響，在逆變側(cè)1 000 kV換流母線處設(shè)置1 s時發(fā)生持續(xù)時間為0.1 s的單相接地故障，接地電感為0.45 H，并在以下3種控制方式下進(jìn)行仿真，記錄3種控制方式下CFPREVH和CFPREVL的輸出CH和CL，仿真結(jié)果如圖8所示。

控制方式1：無協(xié)調(diào)控制策略；

控制方式2：本文所提協(xié)調(diào)控制策略；

由圖8(a)可知，無論采用控制方式1、2還是3，CFPREVL均在1.002 s時啟動，且輸出的觸發(fā)角提前量相同，說明采用控制方式2和3不影響故障層CFPREV輸出。由圖8(b)可知，在3種不同的控制方式下，CFPREVH的輸出有較大區(qū)別。采用控制方式1時，CFPREVH在1.022 s時啟動，比CFPREVL滯后0.02 s，存在啟動時刻晚于換相失敗發(fā)生時刻的風(fēng)險；采用控制方式2時，CFPREVH在1.002 s時啟動，與CFPREVL同步，并迅速輸出9.3o左右的觸發(fā)角提前量，保持約0.018 s，隨后其輸出隨故障嚴(yán)重程度自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整；采用控制方式3時，CFPREVH與CFPREVL輸出相同，雖能降低高端換流器換相失敗風(fēng)險，但存在輸出的觸發(fā)角提前量過大的問題。協(xié)調(diào)控制策略能使非故障層CFPREV的啟動時刻與故障層CFPREV同步，有效降低了高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的風(fēng)險。

3.3 換相失敗預(yù)防效果對比

為驗證本文所提協(xié)調(diào)控制策略降低高低端換流器同時發(fā)生換相失敗風(fēng)險的有效性，在以下2種工況下分別采用上述3種控制方式進(jìn)行仿真，記錄相關(guān)電氣量的變化情況，對比分析3種控制方式對系統(tǒng)運行特性的影響。

工況1：在逆變側(cè)500 kV換流母線處，設(shè)置1 s時發(fā)生持續(xù)時間為0.1 s的三相接地故障，接地電感為0.4 H，在以上3種控制方式下進(jìn)行仿真，主要電氣量變化情況如圖9所示，其中，1 000 kV換流母線線電壓有效值L、1 000 kV層有功功率L均為標(biāo)幺值。

由圖9可知，采用控制方式1、2和3時，故障層換流器均發(fā)生換相失敗。采用控制方式1時，非故障層換流器發(fā)生換相失敗且關(guān)斷角波動更劇烈；換流母線電壓和輸送有功功率跌落較采用控制方式2和3時更嚴(yán)重。采用控制方式2和3時，非故障層換流器沒有發(fā)生換相失敗且關(guān)斷角的最小值分別為12.11o和13.34o，具有足夠的換相裕度；對比控制方式2和3，采用控制方式3時，關(guān)斷角具有更大的換相裕度，但換流母線電壓和非故障層換流器輸送有功功率的跌落較控制方式2下更嚴(yán)重。因此，采用控制方式2和3均能有效避免對稱故障下非故障層換流器發(fā)生換相失敗，且控制方式2更有利于系統(tǒng)在對稱故障下安全穩(wěn)定運行。

圖9 逆變側(cè)500 kV換流母線三相接地故障仿真

工況2：在逆變側(cè)1 000 kV換流母線處，設(shè)置1 s時發(fā)生持續(xù)時間為0.1 s的單相接地故障，接地電感為0.45 H，在以上3種控制方式下進(jìn)行仿真，主要電氣量變化情況如圖10所示，其中，500 kV換流母線線電壓有效值H、500 kV層有功功率H均為標(biāo)幺值。

由圖10可知，采用控制方式1、2和3時，故障層換流器均發(fā)生換相失敗。采用控制方式1時，非故障層換流器發(fā)生換相失敗且關(guān)斷角波動更劇烈，換流母線電壓和輸送有功功率跌落較采用控制方式2和3時更嚴(yán)重；采用控制方式2和3時，非故障層換流器沒有發(fā)生換相失敗且具有足夠的換相裕度；采用方式2更有利于改善故障后系統(tǒng)的運行性能，提高系統(tǒng)對故障的免疫能力。

4 結(jié)論

本文分析了分層接入系統(tǒng)高低端換流器同時發(fā)生換相失敗的機(jī)理，并針對非故障層CFPREV的啟動時刻存在延時，從而不利于降低高低端換流器同時發(fā)生換相失敗風(fēng)險的問題，提出了一種基于故障層觸發(fā)角提前量前饋的高低端換流器CFPREV協(xié)調(diào)策略?；诶碚摵头抡娣治龅玫揭韵陆Y(jié)論。

1) 所提協(xié)調(diào)控制策略能使非故障層CFPREV的啟動時刻與故障層CFPREV同步，從而降低非故障層換流器發(fā)生換相失敗的風(fēng)險。

2) 協(xié)調(diào)控制策略中協(xié)調(diào)系數(shù)能根據(jù)直流電流的變化作出調(diào)整，使非故障層CFPREV輸出合適的觸發(fā)角提前量，降低非故障層換流器換相失敗風(fēng)險的同時盡可能提高其輸送功率。

3) 直接取高低端協(xié)調(diào)系數(shù)H和L為1時，協(xié)調(diào)控制策略雖犧牲了一定經(jīng)濟(jì)性，但能很好地預(yù)防高低端換流器同時發(fā)生換相失敗，對實際工程具有一定參考價值。

[1] 馬實一, 衣傳寶, 周泊宇, 等.考慮儲能對減小網(wǎng)架約束新能源棄電的影響研究[J].供用電, 2021, 38(12): 74-80.

MA Shiyi, YI Chuanbao, ZHOU Boyu, et al.Research on energy storage configuration scheme for promoting renewable energy accommodation[J].Distribution & Utilization, 2021, 38(12): 74-80.

[2] 楊國清, 薛雨, 姚李孝, 等.光熱電站并網(wǎng)對新能源電網(wǎng)運行特性的影響研究[J].電網(wǎng)與清潔能源, 2021, 37(5): 134-139, 146.

ANG Guoqing, XUE Yu, YAO Lixiao, et al.A study on the influence of the connected photo-thermal power station on the operation characteristics of the new energy grid[J].Power System and Clean Energy, 2021, 37(5): 134-139, 146.

[3] 燕伯峰, 潘婷, 李靜立, 等.基于供需雙側(cè)互動的隨機(jī)機(jī)組組合模型及經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化研究[J].電測與儀表, 2020, 57(5): 50-56, 93.

YAN Bofeng, PAN Ting, LI Jingli, et al.Study on economic dispatching optimization and stochastic unit combination model based on supply and demand bilateral interaction[J].Electrical Measurement & Instrumentation, 2020, 57(5): 50-56, 93.

[4] 印月, 劉天琪, 何川, 等.風(fēng)-光-水-火多能互補(bǔ)系統(tǒng)隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度[J].電測與儀表, 2020, 57(16): 51-58.

YIN Yue, LIU Tianqi, HE Chuan, et al.Stochastic optimal scheduling for hybrid thermal-hydro-wind-photovoltaic multi-energy complementary system[J].Electrical Measurement & Instrumentation, 2020, 57(16): 51-58.

[5] 蔣彥翃, 孫華東, 郭強(qiáng), 等.電力系統(tǒng)廣域協(xié)調(diào)運行控制系統(tǒng)框架設(shè)計[J].電力信息與通信技術(shù), 2020, 18(1): 1-6.

JIANG Yanhong, SUN Huadong, GUO Qiang, et al.Design of power system wide-area coordinated operation and control architecture[J].Electric Power Information and Communication Technology, 2020, 18(1): 1-6.

[6] 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)[M].北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[7] MUNIAPPAN M.A comprehensive review of DC fault protection methods in HVDC transmission-systems[J].Protection and Control of Modern Power Systems, 2021, 6(1): 1-20.

[8] 應(yīng)益強(qiáng), 王正風(fēng), 吳旭, 等.計及新能源隨機(jī)特性的電網(wǎng)深度調(diào)峰多目標(biāo)策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(6): 34-42.

YING Yiqiang, WANG Zhengfeng, WU Xu, et al.Multi-objective strategy for deep peak shaving of power grid considering uncertainty of new energy[J].Power System Protection and Control, 2020, 48(6): 34-42.

[9] 孟慶強(qiáng), 劉澤洪, 洪樂榮, 等.一種抑制連續(xù)換相失敗的非線性 VDCOL 控制策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(7): 119-127.

MENG Qingqiang, LIU Zehong, HONG Lerong, et al.A suppression method based on nonlinear VDCOL to mitigate the continuous commutation failure[J].Power System Protection and Control, 2019, 47(7): 119-127.

[10]熊華強(qiáng), 楊程祥, 馬亮, 等.含分層接入特高壓直流的交直流混聯(lián)電網(wǎng)機(jī)電—電磁暫態(tài)混合仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(24): 145-153.

XIONG Huaqiang, YANG Chengxiang, MA Liang, et al.Electromechanical-electromagnetic transient hybrid simulation of an AC/DC hybrid power grid with UHVDC hierarchical connection mode[J].Power System Protection and Control, 2020, 48(24): 145-153.

[11]張偉晨, 熊永新, 李程昊, 等.基于改進(jìn) VDCOL 的多饋入直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗抑制及協(xié)調(diào)恢復(fù)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(13): 63-72.

ZHANG Weichen, XIONG Yongxin, LI Chenghao, et al.A suppression method based on nonlinear VDCOL to mitigate the continuous commutation failure[J].Power System Protection and Control, 2020, 48(13): 63-72.

[12]WU Z, LI S.Reliability evaluation and sensitivity analysis to AC/UHVDC systems based on sequential Monte Carlo simulation[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2019, 34(4): 3156-3167.

[13]XIAO H, LI Y, ZHU J, et al.Efficient approach to quantify commutation failure immunity levels in multi-infeed HVDC systems[J].IET Generation Transmission & Distribution, 2016, 10(4): 1032-1038.

[14]劉振亞, 秦曉輝, 趙良, 等.特高壓直流分層接入方式在多饋入直流電網(wǎng)的應(yīng)用研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報, 2013, 33(10): 1-7.

LIU Zhenya, QIN Xiaohui, ZHAO Liang, et al.Study on the application of UHVDC hierarchical connection mode to multi-infeed HVDC system[J].Proceedings of the CSEE, 2013, 33(10): 1-7.

[15] 趙騰, 張焰, 葉冠豪, 等.多回特高壓直流分層饋入模式下交直流混聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析[J].電力自動化設(shè)備, 2016, 36(8): 157-164.

ZHAO Teng, ZHANG Yan, YE Guanhao, et al.Steady-state characteristics analysis for AC-DC hybrid system in hierarchical-infeed mode of multi-loop UHVDC[J].Electric Power Automation Equipment, 2016, 36(8): 157-164.

[16] DING Y, WANG F, WANG W, et al.Analysis of DC line fault characteristics with the UHVDC hierarchical integration into AC power grid[C] // 2020 5th Asia Conference on Power and Electrical Engineering (ACPEE), June 4-7, 2020, Chengdu, China: 1539-1543.

[17] 王思超, 文俊, 賀冬珊, 等.受端分層 UHVDC 換相失敗控制和恢復(fù)策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(2): 173-179.

WANG Sichao, WEN Jun, HE Dongshan, et al.Commutation failure control and recovery strategy of UHVDC with hierarchical connection mode[J].Power System Protection and Control, 2020, 48(2): 173-179.

[18] WANG X, YUAN J, CHEN Q, et al.Small signal stability of UHVDC hierarchical connection to AC grid[C] // TENCON 2018-2018 IEEE Region 10 Conference, October 28-31, 2018, Jeju, Korea: 2302-2307.

[19] 熊凌飛, 蒲瑩, 張進(jìn), 等.受端分層接入特高壓直流系統(tǒng)中點分壓器故障控制保護(hù)策略研究[J].電網(wǎng)技術(shù), 2018, 42(12): 4006-4014.

XIONG Lingfei, PU Ying, ZHANG Jin, et al.Control and protection strategy study of midpoint DC voltage divider malfunction of UHVDC with hierarchical connection mode[J].Power System Technology, 2018, 42(12): 4006-4014.

[20] 管永高, 張詩滔, 許文超.受特高壓直流分層接入方式下層間交互影響研究[J].電力工程技術(shù), 2017, 36(2): 32-37.

GUAN Yonggao, ZHANG Shitao, XU Wenchao.Study on hierarchical interaction of UHVDC hierarchical connection mode[J].Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(2): 32-37.

[21] 謝季平, 張文, 楊浩.特高壓直流分層接入下交直流系統(tǒng)中長期電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制[J].電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(6): 37-44.

XIE Jiping, ZHANG Wen, YANG Hao.Coordinated control for medium- and long-term voltage stability of AC/DC power systems with hierarchical connection mode of UHVDC system[J].Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(6): 37-44.

[22] 湯奕, 陳斌, 皮景創(chuàng), 等.特高壓直流分層接入方式下受端交流系統(tǒng)接納能力分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報, 2016, 36(7): 1790-1800.

TANG Yi, CHEN Bin, PI Jingchuang, et al.Analysis on absorbing ability of receiving AC system for UHVDC hierarchical connection to AC grid[J].Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7): 1790-1800.

[23] 郭龍, 劉崇茹, 贠飛龍, 等.±1100 kV 直流系統(tǒng)分層接入方式下的功率協(xié)調(diào)控制[J].電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(11): 24-30.

GUO Long, LIU Chongru, YUN Feilong, et al.Power coordination control of ±1100 kV UHVDC system with hierarchical connection mode[J].Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(11): 24-30.

[24] 劉天宇, 王渝紅, 龔鴻, 等.特高壓直流分層接入方式下受端換流母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[J].高電壓技術(shù), 2017, 43(10): 3231-3237.

LIU Tianyu, WANG Yuhong, GONG Hong, et al.Study on static voltage stability at receiving converter bus of UHVDC hierarchical connection system[J].High Voltage Engineering, 2017, 43(10): 3231-3237.

[25] 付蓉, 孫萬錢, 湯奕, 等.特高壓直流分層接入方式下穩(wěn)態(tài)特性研究[J].電力自動化設(shè)備, 2017, 37(1): 81-86.

FU Rong, SUN Wanqian, TANG Yi, et al.Steady-state characteristics of UHVDC hierarchical connection mode[J].Electric Power Automation Equipment, 2017, 37(1): 81-86.

[26] 楊碩, 郭春義, 王慶, 等.分層接入特高壓直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報, 2019, 39(15): 4356-4362.

YANG Shuo, GUO Chunyi, WANG Qing, et al.Coordinated control approach for UHVDC system under hierarchical connection mode[J].Proceedings of the CSEE, 2019, 39(15): 4356-4362.

[27] TAN Y, YAO W, SHU Z, et al.Coordination control of commutation failure preventions for UHVDC hierarchical connection to AC grid[C] // 2018 International Conferenceon Power System Technology (POWERCON), November 6-8, 2018, Guangzhou, China: 2069-2615.

[28]王渝紅, 寇然, 宋瑞華, 等.基于多判據(jù)預(yù)測的特高壓直流分層接入系統(tǒng)換相失敗抑制策略[J].高電壓技術(shù), 2021, 47(4): 1304-1313.

WANG Yuhong, KOU Ran, SONG Ruihua, et al.Commutation failure suppression strategy based on multi-criteria prediction in UHVDC hierarchical connection system[J].High Voltage Engineering, 2021, 47(4): 1304-1313.

[29] 李新年, 陳樹勇, 李鳳祁, 等.特高壓直流分層接入方式下預(yù)防換相失敗的優(yōu)化措施[J].中國電機(jī)工程學(xué)報, 2018, 38(22): 6563-6572.

LI Xinnian, CHEN Shuyong, LI Fengqi, et al.Optimization measures for preventing commutation failure in UHVDC transmission with hierarchical connection mode[J].Proceedings of the CSEE, 2018, 38(22): 6563-6572.

Coordinated control strategy for preventing commutation failure in a UHVDC system hierarchically connected to an AC grid

WANG Yuhong, CHEN Liwei, ZENG Qi, KOU Ran, LIAO Jianquan

(College of Electrical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In a hierarchically connected UHVDC system, there is a delay in the start time of the non-fault layer commutation failure prevention (CFPREV).This makes it unable to respond to the severity of the fault in time to output an appropriate trigger angle advance.This may lead to an increased risk of commutation failure of the high and low converters at the same time.Thus a CFPREV coordination strategy for high and low converters based on the feedforward of the trigger angle advance of the fault layer is proposed.This strategy uses the characteristics of fault converters that can more sensitively respond to the severity of faults, and it introduces the trigger angle advance of the CFPREV of the faulty layer into the CFPREV of the non-faulty layer, so that the start time of the CFPREV of the non-faulty layer is advanced.In addition, the strategy also introduces a DC current coordination coefficient to obtain a more appropriate trigger angle advance.A simulation model is built in PSCAD/EMTDC to verify the proposed control strategy under different working conditions.The results show that this strategy can quickly respond to inverter-side AC system faults, and reduce the risk of simultaneous commutation failures of high and low converters.The proposed control strategy plays a role in solving the problem of simultaneous commutation failure of high and low converters in the hierarchically connected system.

UHVDC; hierarchical connection system; CFPREV; coordinated control strategy; commutation failure

10.19783/j.cnki.pspc.210871

2021-07-09；

2021-10-18

王渝紅(1971—)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、新能源并網(wǎng)；E-mail: yuhongwang@scu.edu.cn

陳立維(1996—)，男，碩士研究生，主要研究方向為高壓直流輸電；E-mail: 1184486695@qq.com

曾 琦(1977—)，女，通信作者，博士，副教授，主要研究方向為高壓直流輸電、柔性直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。E-mail: zengqi-hk@163.com

四川省科技計劃資助(2021YFG0026)

This work is supported by the Science and Technology Program of Sichuan Province (No.2021YFG0026).

(編輯 許 威)