多端柔性直流输电系统故障穿越控制策略研究

2022-04-08南京南瑞继保电气有限公司焦鑫艳卞亦飞

电力设备管理 2022年6期

南京南瑞继保电气有限公司焦鑫艳宋菁卞亦飞

多端柔性直流输电系统直流和交流故障穿越问题相当复杂。在直流故障期间，由于直流电网阻尼较低，直流电压迅速降低导致故障电流急剧增加，此时必须快速隔离直流故障，以抵御故障冲击。而在交流故障期间，由于交流电网输出电压突然降低，换流站输入和输出功率失去平衡而导致直流电压偏移，进而导致换流站自启过电压保护，脱离电网运行。传统的故障控制策略普遍需要先关闭故障侧的换流站，然后开启交流断路器，阻隔故障传播途径。上述方法不仅必须关闭换流站，而且需要断开交流系统和直流系统之间的功率传输，不仅不利于故障穿越，更阻碍了电网运行。

1 柔性直流输电技术与多端柔性直流输电系统

1.1 柔性直流输电技术功用

目前，柔性直流输电技术已成为支持大规模可再生能源消费、能源网络建设、能源转换等的重要技术工具。利用柔性输电技术，可以在发电侧进行与风能、水电、太阳热能等能源的互联互通。同时，通过结合各种能量互补发电和柔性输电技术，其灵活快速的资源规划能力和对系统稳定性的保障，能够在较大区域内有效稳定可再生能源发电的波动性和间歇性问题，进而有效降低对电网稳定性的影响。另外，在用电负荷侧，通过使用柔性直流输电技术，还可以大大提高供电系统的可控性与可靠性，进而改善了整个受端供电网络的稳定性及对可再生能源的接纳能力[1]。

目前，国内外对柔性开关装置自身的研究仍然缺乏理论深度，还没有完成拓扑选择从孤立生成向有序推演的提升，以及参数选择从粗放式向精细化的转变。应用方面，主要集中在多端直流柔性输电控制系统构建和故障控制策略的研究和验证上，对于交、直流一体化和混合电网运行方案等方面的深入研究较少。

1.2 多端柔性直流输电系统工作原理

多端柔性直流输电系统也是基于柔性直流输电技术建设的，其核心装置为换流器。其基本原理为：在能源侧，电力经由换流器进行交、直流转化，然后再经由直流输电线路送出。而在用户端，电力则通过换流器进行直、交流转化（逆变流程），进而再经由交流输电线路送出[2]。

2 多端柔性直流输电系统直流故障穿越控制策略研究

2.1 问题研究

多端柔性直流输电系统直流故障发生后，直流电网的低阻尼特性会导致线路直流电流急剧增加，进而导致电网的输入、输出功率之间失去平衡，若不及时采取保护措施，将对电力系统产生毁灭性影响。因此，在工程技术上，可利用直流断路器阻断直流故障，实现直流故障的穿越。然而，直流断路器运作时，环网拓扑会发生变化，直流电流也随之变化。此时，必须考虑非故障线路过载情况。

2.2 用直流断路器隔离故障线路

在每个换流站的输出端设置直流断路器，可在错误发生后5ms内隔离直流故障。设置仿真时间为0.700s时，线路发生极间短路故障；0.705s时，线路两端直流断路器动作，切除故障线路，仿真结果如图1所示。

图1 仿真实验结果

由图1可见，当故障出现后，由于靠近故障端的换流站向故障点注入了有功功率，换流站的潮流电流反转。直流断路器动作时，将直流功率由远端换流站直接接入近端换流站，换流站直流侧电压迅速上升，而电压达到峰值后，又在控制环节的影响下逐渐减弱。因此尽管能够在短时内切断故障线路，但换流站在暂态过程中仍然存在很大的直流过电压，容易触发换流站过电压保护机制。

2.3 利用辅助电路实现直流故障穿越

换流站直流过电压主要是由直流断路器断开后，残余过电压电流再对子模块电容器进行充电所致，或换流站的输入、输出功率不平衡所致。所以，应该考虑在直流断路器动作前将故障电路全部切除，以实现能量转移，并消耗不平衡功率以降低直流过电压。

通过提高了换流站的输出电路设计，并在换流站的直流输出口增加了辅助电路。辅助电路主要由开关电路和电能耗散电路所组成。开关电路主要负责引导能量传递，而高能量的损耗电路则负责损耗不平衡功率。开关电一般选用高通流特性较强的电力元器件构成。而能量耗散电路则由高通流能的晶闸管组件、电容组和耗能电阻所构成。同时安设避雷装置，避雷装置通常串联于开关电路的两端，防止过电压冲击，保护IGBT器件。辅助电路结构示意如图2所示。

图2 辅助电路结构示意图

2.4 增强型自适应下垂控制策略

直流断路器动作后，由于直流电网的拓扑结构改变，引发潮流传递，进而引起非故障线路超载。此时，应该适时调节换流站的有功功率输出值，以防止非故障线路发生超载。但是，如果调整了换流站的有功功率，很容易造成换流站输入电流与输出功率之间再次失去平衡。因此需要建立换流站输出功率调整机制，以便于缓冲不平衡功率，并保持直流电压平衡。

增强型自适应下垂控制策略，即允许多台变换站联合协调有功功率，并根据换流站的输出功率变化自动适应并调节下垂系数。同时当出现直流故障时锁定瞬时下垂系数，并自动平移下垂曲线，以避免换流站功率的超限。

3 多端柔性直流输电系统交流故障穿越控制策略研究

3.1 问题研究

连接在多端柔性直流输电系统的交流电网出现故障后，系统中公共连接点电压（PCC）也出现了一定程度的下降，对交流电网形成了很大的故障电压。因为多端柔性直流输电体系的高耦合特性，交流电网故障不仅会导致交流电压降低和线路电流增加，还会引起功率波动，导致换流站的输入和输出功率不平衡，进而导致直流电压发生偏移。此时，柔性多端直流输电系统必须充分发挥其灵活控制的技术优势，通过站间协调控制恢复功率平衡。

3.2 软件控制

交流故障的出现，PCC点电压也将相应下降。换流站还能够通过增加的无功功率控制保持PCC点电流平衡。但是，考虑到增加的无功功率控制会导致换流站输出功率超限，进而引起在系统内产生过电流，所以一定要在换流站的双闭环控制连接中增加动态输出电流限幅环节，其能够通过给换流站无功功率控制进行手动调整和限流，进而有效控制过电流现象的产生[3]。

3.3 辅助回路控制

功率不平衡是换流站直流过电压产生的主要原因。为此，设计了一种辅助电路。工作人员可以通过调整辅助电路中的直流电容器电压峰值，实现对放电过程中不平衡功率的动态调整。其与模块化卸荷电路和传统式卸荷电路相比，具有更好的经济性。

3.4 仿真实验

图3 仿真模型结构

仿真开始后，换流站依次投运，0.5s后系统趋于稳定。与受端换流站相连的交流电网于1.0s发生交流故障，交流电压下跌15%。此时，若不采取任何控制手段，多端柔性直流输电系统各电气量的变化情况如图4所示。

图4 换流站无动作时各电气量波形图

现启动多端柔性直流输电系统交流故障穿越控制策略。1.05s时换流站增发无功功率，电流限幅自动变化。1.10s时，换流站启动辅助电路，消耗换流站不平衡功率。此时，多端柔性直流输电系统各电气量的变化情况如图5所示[4]。

图5 故障穿越控制后的各电气量波形图

由仿真结果可知，交流故障发生后，若不启动交流故障穿越控制策略，PCC点电压随之下降，并伴随有过电流产生。启动交流故障穿越控制策略之后，换流站增发无功功率，PCC点电压逐渐恢复平衡，在动态电流限幅环节的作用下，交流过电流得到有效抑制。同时，启动辅助电路消耗不平衡功率。通过软件、硬件结合的方式，能够实现交流故障穿越。

4 多端柔性直流输电系统的未来展望

目前，两网公司已经全面掌握了柔性直流输电的关键技术及工程成套能力。舟山五端、厦门岛柔直示范工程的投运是技术开始成熟的标志。我们认为，我国已经具备了柔性直流输电工程技术的完全自主知识产权，已经具备了在国内大范围推广的技术基础，并且具有较强的技术竞争力。2020年12月27日，世界首个特高压多端柔性直流示范工程（昆柳龙直流工程）正式启动投产送电，在此之前，世界上柔性直流的最高电压等级为±500kV，而该工程则提升到前所未有的±800kV，笔者所在单位为该工程提供核心部件[5]。

柔性输配电除了在技术上追赶学习，并实现了弯道超车，其成本也在逐年下降，未来有望逐步凸显经济性价值。可以预见，其将向更高性能、设备和系统设计更加紧凑化发展。目前，多个国内公司正在加紧IGBT、SiC等大功率电子电子器件和电力电子电容器、交直流电缆等技术的研发，以实现柔性输电装备的全面国产化。通过核心器件的国产化和技术升级，未来柔性输电的技术经济性将得到显著提升，应用领域将越来越广泛，数量也将越来越多，柔性输电将成为促进新能源大规模开发利用和电网建设的重要技术支撑。