新型双馈入直流输电系统供电无源网络的运行特性研究

郭春义 赵成勇 王 晶

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 北京 102206）

1 引言

随着电力系统容量的不断增加，HVDC系统将在交直流系统的互联中发挥更加重要的作用。目前，HVDC系统通过架空线或电缆在大容量、远距离直流输电中已相当成熟。但是，由于传统HVDC采用晶闸管作为换流器件，导致它存在一些内在的缺陷，因此在一定程度上限制了HVDC的应用领域，例如：

（1）传统 HVDC需要具有一定短路容量的交流系统为其提供换相支撑。当交流系统发生故障时，很可能导致 HVDC的换相失败，严重时可能迫使HVDC退出运行。

（2）传统 HVDC不能向无源网络系统供电，因此不能作为电网大停电时的黑启动电源。

20世纪90年代以后，VSC-HVDC得到了快速发展，由于它采用了全控器件，有很多优点[1-4]：可以灵活且快速地控制有功功率，动态补偿无功功率，具有四象限运行的特性，可向无源网络供电等。近年来，VSC-HVDC在国外得到了一些成功的应用，并日益受到重视[5]。但是在通常情况下VSC-HVDC的换流器损耗比HVDC高。随着开关频率的降低，VSC-HVDC的损耗下降趋势明显。西门子公司提出了一种新型的多电平VSC拓扑，并称这种技术为模块化多电平换流器（MMC），它使得子模块的开关频率大大降低，因而降低了换流器的运行损耗[6]。文献[7]中指出，随着新型拓扑结构和脉宽调制（PWM）技术的发展，VSC换流器损耗可以达到HVDC换流器损耗的1.0～1.5倍。

为了改善多馈入直流输电系统的稳定性问题，文献[8]中提出将 VSC-HVDC引入到多馈入直流输电系统中来改善整个系统的稳定性，并建立了HVDC和 VSC-HVDC双馈入系统的物理模型，而且设计了 VSC-HVDC系统的非线性控制器。与文献[8]不同，本文重点研究 Double-Infeed HVDC系统向无源网络供电的特性。为了克服传统HVDC的不足，使其可以为无源网络供电，国内外已有很多研究成果。文献[9～11]中提出了利用同步静止补偿器来使传统HVDC向无源网络供电，但是关于二者的相互协调控制研究很少。文献[12]将 HVDC和STATCOM组成Hybrid HVDC系统，并将二者作为一个单元进行了整体协调控制，得到了令人满意的结果。

当电网大停电时，可以利用本文中的 Double-Infeed HVDC系统作为黑启动的恢复电源，从而改变传统HVDC不能作为黑启动电源的现状。随着传统HVDC工程的逐渐增多及VSC-HVDC在多种领域中的成功应用，Double-Infeed HVDC系统将很有可能出现。例如，我国华东电网拥有丰富的陆上和海上风能资源，VSC-HVDC已经作为可选的风电联网方式之一，而且上海东海大桥南汇风电场通过VSC-HVDC联网示范工程已在建设之中。同时，已有多条传统 HVDC线路坐落在上海附近的沿海区域，以上现状使Double-Infeed HVDC系统的出现成为可能。不仅是华东电网，南方电网也有类似的现状。如果受端交流系统发生严重故障，极有可能变为无源系统，本文重点研究在该情况下双馈入直流输电系统供电无源网络的运行特性。

本文中，提出由HVDC和VSC-HVDC组成的新型双馈入直流输电系统为无源网络供电的模型。在此基础上，阐述了VSC-HVDC启动HVDC的原理，设计了Double-Infeed HVDC的整体控制系统，分析了二者相互作用的机理。为了验证所设计的控制系统及研究所提出 Double-Infeed HVDC的运行特性，在PSCAD/EMTDC环境下研究了受端是无源网络时VSC-HVDC启动HVDC的稳态和动态性能，而且对HVDC逆变侧发生三相短路故障时的暂态恢复特性进行了仿真分析。仿真结果表明，当受端是无源网络时，利用VSC-HVDC可以实现HVDC的启动；同时，Double-Infeed HVDC系统也具有良好的故障恢复特性。

2 Double-Infeed HVDC系统

将VSC-HVDC子系统与HVDC子系统在同一交流母线上并联，组成Double-Infeed HVDC系统，且受端系统是无源网络，如图1所示。其中，HVDC子系统由等值送端交流系统S1、等值系统阻抗Zs1、整流器、逆变器、换流变压器Ts1和Tr1、滤波器和传输线DC1组成；VSC-HVDC子系统由等值送端交流系统 S2、等值系统阻抗 Zs2、整流器、逆变器、换流变压器 Ts2和 Tr2、滤波器和 VSC-HVDC传输线DC2组成。交流断路器BRK用来将HVDC子系统联接到公共母线B1处。受端无源网络处的负荷采用静态负荷模型，变压器 Tr3用来将负荷连接到交流母线B1处。

图1 Double-infeed HVDC系统图Fig.1 Double-infeed HVDC system diagram

初始状态下，BRK断开，HVDC子系统未运行，而 VSC-HVDC子系统为负荷提供所需要的有功功率和无功功率。当 HVDC启动时，VSC-HVDC通过控制系统的作用为HVDC提供换相所需的换相电流，使HVDC可以成功启动。

3 控制系统的设计

3.1 VSC-HVDC的控制策略

3.1.1 VSC-HVDC的运行原理

VSC连接有源交流网络时的稳态物理模型如图2所示[13]，Us为交流侧电压的有效值，Uc为VSC输出电压的基频分量的有效值，L为换流电抗器的等效电感；R为VSC功率损耗的等效电阻；δ 为交流侧系统电压相位超前 VSC交流侧电压基波相位的角度；P、Q为交流系统输出的有功功率和无功功率。

图2 电压源换流器物理模型Fig.2 Physical model of voltage source converter

忽略谐波成分及换流器的等效电阻损耗，系统输出的有功功率和无功功率可以表示为

设所采用 PWM 技术的直流电压利用率为 1，调制度为m，则0≤m≤1，Uc为

VSC-HVDC主要有三种控制模式：定直流电压控制模式；定直流电流或有功功率控制模式；定交流电压控制模式。当连接有源交流网络时，采用前两种控制模式；当连接无源网络时，采用第三种控制模式。

3.1.2 VSC-HVDC的数学模型和控制器设计

VSC-HVDC整流侧在dq0坐标系下的数学模型参照文献[14]。

若换流器采用PWM控制，则其输出电压ucabc为（相值）

且设Park变换矩阵为

可得到

VSC吸收的有功和无功功率可以表示为

取 Park变换矩阵时将 q轴同 a轴重合，则usd=0,usq=Us，其中Us为系统相电压的幅值，此时

由于图1中双馈入直流输电系统受端是无源网络系统，且HVDC需要换相支撑，所以VSC-HVDC的逆变侧采用定交流电压的控制方式；而对于整流侧，采用定直流电压和无功功率的控制方式。VSC-HVDC的控制系统如图3所示。

图3 VSC-HVDC控制系统Fig.3 Control system of VSC-HVDC

3.2 HVDC的控制策略

对于HVDC子系统，整流侧采用定直流电流控制和最小触发延迟角控制，逆变侧采用定关断角控制和定直流电流控制。为了避免两端电流调节器同时工作引起调节的不稳定，逆变侧电流调节器的定值比整流侧小0.1(pu)。此外，HVDC还配备了低压限流控制。

3.3 利用VSC-HVDC启动HVDC的策略

如图1所示，初始状态时，HVDC未运行且受端是无源网络。首先利用 VSC-HVDC的定交流电压控制使母线B1的电压为1.0(pu)，然后闭合断路器BRK，启动HVDC子系统。

由于受端系统为无源网络，为了保证LCC-HVDC和 VSC-HVDC同时运行，并减小LCC-HVDC对 VSC-HVDC系统的冲击，文中LCC-HVDC电流的参考值设为0.22(pu)，目的是提高运行短路比。这种运行状态不会特别长，当受端电源恢复后，必然要通过增大HVDC的电流参考值来使HVDC恢复到额定功率。这些内容将在以后进行研究。

4 HVDC和VSC-HVDC相互作用的机理分析

4.1 正常运行状态特性分析

当 Double-Infeed HVDC系统运行在某一状态时，满足

式中，Pvsc、Qvsc和Svsc1分别为VSC-HVDC输出的有功功率、无功功率及视在功率；Pload和Qload为有功和无功功率负荷的大小；Phvdc、Qhvdc和Qc分别为HVDC输出的有功功率、吸收的无功功率和逆变侧补偿的无功功率；k和X2分别为HVDC子系统中逆变侧换流变压器的电压比和换相电抗值；φ为HVDC的功率因数角；Ud2为HVDC逆变侧的直流电压；Ub为公共母线的电压。

需要注意的是，Pvsc和Qvsc均可正可负，“正”表示VSC-HVDC发出有功功率和无功功率，“负”表示吸收有功功率和无功功率。

4.2 公共母线电压降落时的运行特性分析

当公共母线电压降落为ΔU时，Double-Infeed HVDC系统将出现有功功率和无功功率缺额。为了维持交流母线电压稳定和为HVDC逆变侧提供足够的短路容量，VSC-HVDC需要一定的备用容量（ΔSvsc），这一部分容量包括有功功率备用容量（ΔPvsc）和无功功率备用容量（ΔQvsc）。ΔSvsc可以表示为

由于当公共母线电压发生降落时，HVDC整流侧采用的是定直流电流方式，而逆变侧采用的是定关断角控制方式，因此最终直流电流和逆变侧关断角将保持不变。所以，ΔPhvdc和ΔQhvdc可以表示为

而无功功率补偿装置的输出减少量ΔQc可以由式（13）求得。

式中，ΔPhvdc和ΔQhvdc分别为 HVDC子系统有功功率和无功功率的变化量；ΔPload和ΔQload分别为电压降落时静态有功负荷和静态无功负荷的减少量；C为HVDC逆变侧无功功率补偿装置的等效电容值。

需要注意的是，在求取ΔSvsc时所考虑的稳态电压降落不能太大，因此可以不用考虑动态负荷的影响。如果静态负荷模型未知时，忽略负荷的变化并按照上述公式求取ΔSvsc后也可以满足静态负荷的要求。

4.3 公共母线发生故障时的动态运行特性分析

5 Double-Infeed HVDC系统参数

5.1 HVDC子系统参数

HVDC子系统的主电路结构及控制系统同HVDC的CIGRE标准测试模型相同。主电路参数如下：系统传输容量为1000MW，额定直流电压和额定直流电流分别为500kV和0.2kA，整流侧系统短路比为 2.5。如前所述，HVDC启动时直流电流参考值设为 0.22(pu)。在整流侧和逆变侧分别配置容量为120Mvar的无功补偿装置。为了减小整流侧的触发角来提高HVDC的功率因素，整流侧两台变压器的电压比调整为362.25kV/213.45kV。其余参数同HVDC的CIGRE标准测试模型[15]。

5.2 VSC-HVDC子系统参数

VSC-HVDC子系统的主电路参数如下：频率为50Hz，整流侧线电压Us1有效值为13.8kV，逆变侧线电压Us有效值为230kV。整流侧和逆变侧的连接电抗器均为0.1(pu)，直流线路电阻Rd为5Ω；整流变压器Ts2电压比为13.8kV/62.5kV；逆变侧变压器Tr2电压比 62.5kV/230kV；直流电压参考值为120kV。

5.3 负荷参数

本文中的负荷模型采用的是静态负荷模型。一个静态负荷模型表示，任意瞬时的负荷特性是该瞬时的母线电压幅值和频率的代数函数，有功功率和无功功率分别予以考虑。

传统的，负荷对电压和频率的依赖特性可以用下面的式子表示：

式中，P和Q分别为当交流母线电压为V时的有功和无功分量；下标“0”表示初始运行条件下相关变量的值。这个模型的参数是指数a和 b。当这些指数等于0、1或2时，该模型分别表示恒功率、恒电流或恒阻抗特性。对于合成的系统负荷，指数a通常在 0.5～1.8之间；指数 b通常在 1.5～6之间；Kpf通常在0～3.0之间；Kqf通常在-2.0～0之间[16]。

在本文中，负荷模型的主要参数是：P0为240MW，Q0为 90Mvar，a为 0.9，b为 3.2，Kpf为1.4，Kqf为-0.5。

5.4 固定电容补偿装置

如图 1所示，在母线 B1处安装了额定容量为330Mvar的无功功率补偿装置。

需要指出的是，母线B1处安装的无功功率补偿装置可以增大 VSC-HVDC的调节能力。由VSC-HVDC的运行特性可知，在VSC-HVDC容量一定的前提下，当有功功率输出较大时，无功功率输出能力就会减小。VSC-HVDC无功功率的输出同调制度的大小有直接的关系，当采用SPWM调制技术时调制度不能大于1。当逆变侧发生接地故障时，为了更大程度地稳定交流电压，减小HVDC换相失败的概率，需要VSC-HVDC提供较大的无功功率。如果输出的无功功率较大，调制度很可能接近 1，此时 VSC-HVDC的调制能力可能达到极限，对逆变侧公共母线处交流电压的动态稳定作用就会减弱。为了增强 VSC-HVDC对电压的稳定作用而增大VSC-HVDC的容量，必将带来投资成本的增加。考虑到固定电容器的成本较低，在交流母线处并联一定容量的固定电容器。由于 VSC-HVDC可以实现定交流电压控制，在Double-Infeed HVDC正常运行时，在固定电容器的作用下，VSC-HVDC只提供较小的无功功率甚至吸收无功功率。当故障发生时，VSC-HVDC就可以提供更多的无功功率，对交流电压起到更强的稳定作用。

6 仿真分析

为了分析所提出的双馈入直流输电系统的运行特性及相应控制策略的正确性，在PSCAD/EMTDC环境下对以下两个方面进行了研究。

（1）受端是无源网络时，VSC-HVDC启动HVDC的动态性能研究。

（2）受端是无源网络且HVDC逆变侧发生三相短路接地故障时整个双馈入直流输电系统的暂态和故障恢复特性研究。

6.1 VSC-HVDC启动HVDC的动态性能

初始状态时，VSC-HVDC为受端负荷提供全部功率。在5s时合上断路器BRK，5.04s给HVDC提供触发脉冲。

由于在本文中不考虑VSC-HVDC的启动过程，所以在仿真结果中只给出了系统 4.5s后的动态特性，如图4～图11中10s之前的仿真结果。10s之后的仿真结果为HVDC子系统逆变侧发生三相短路故障后的运行特性。

图4 VSC-HVDC的直流电压Fig.4 DC voltage of VSC-HVDC system

图5 VSC-HVDC输出的有功和无功功率Fig.5 VSC-HVDC active and reactive power output

图6 HVDC逆变侧的直流电压和直流电流Fig.6 DC voltage and DC current of HVDC inverter

图7 HVDC输出的有功功率Fig.7 HVDC active power output

图8 HVDC整流侧的触发角Fig.8 HVDC rectifier firing angle

图9 HVDC的逆变侧关断角Fig.9 HVDC inverter extinction angle

图10 公共母线处的交流电压Fig.10 Common bus AC voltage

图11 负荷消耗的有功和无功功率Fig.11 Load active and reactive power

从仿真结果可以看到，HVDC在5.0s启动后，整个双馈入直流输电系统在7.5s达到稳定。在启动时，VSC-HVDC的直流电压有较大的冲击，但是立即又回到额定值附近，如图 4所示。图 5表示了VSC-HVDC在启动前后的功率变化：HVDC启动前，VSC-HVDC发出 240.2MW 的有功功率，当HVDC启动后VSC-HVDC输出大约31MW的有功功率，VSC-HVDC少发的有功功率由 HVDC启动后输出的有功功率补偿了；而对于 VSC-HVDC的无功功率，在HVDC启动时有较大的波动，但经过约 2.5s后又基本恢复到之前的值。从图 6可知，HVDC启动后，逆变侧直流电压和直流电流分别达到了 0.98(pu)和 0.22(pu)。图 7为 HVDC成功启动后所发出的有功功率，稳定后大约为209MW。从图8和图9可知，当HVDC启动时，其整流侧的触发角延迟从最小值5°开始上升，最终稳定在32.3°；而逆变侧在HVDC启动时没有发生换相失败，关断角最终稳定在27.7°。需要注意的是，整流侧的触发延迟角和逆变侧的关断角的稳定值同实际工程相比有较大的区别，这是因为这两个值只是当HVDC启动成功后输出功率比较小时的暂时值，当受端系统恢复后，二者均可以恢复到正常运行条件下的运行值。图10为HVDC启动时公共母线处的交流电压，在动态过程中母线电压的超调量为 7%。从图 11可以看出，在HVDC启动时，负荷消耗的有功和无功功率都有一定的波动，但最终双馈入直流输电系统可以保证为无源网络的负荷提供所需要的功率。

从仿真结果可以证实：当受端是无源网络时，利用VSC-HVDC启动HVDC是可行的；同时也证明本文中的双馈入直流输电系统可以为无源网络供电。

6.2 Double-Infeed HVDC的故障特性分析

为了分析 Double-Infeed HVDC系统的故障特性，在HVDC逆变侧进行了三相短路故障仿真实验。故障发生时刻为10.0s，持续时间为5个周波。仿真结果如图4～图11所示，其中10s后的结果为发生故障后的系统运行特性图。

由图4～图11可得，当发生故障时，由于受端交流母线电压的大幅跌落，逆变侧关断角降到0且发生了一次换相失败，而整流侧的触发角的最大值也上升到了83°，HVDC的直流电压跌落到0.1(pu)且直流电流上升，最终HVDC发生的有功功率相应大幅减少，其输出的有功功率最低只有10.6MW。

由于HVDC输出的有功功率减小，为了满足有功平衡，VSC-HVDC发出的有功功率迅速增加，同时导致直流电压有所下降；而母线处的无功补偿装置由于交流电压的下降使得所提供的无功功率大幅下降，为了维持交流母线电压和满足无功功率平衡，VSC-HVDC输出的无功功率大幅增加。由于受端系统是无源系统，负荷对于交流电压的波动非常敏感，使得在暂态过程中负荷所消耗的有功和无功功率都有很大的降低，有功功率的消耗最低降到43MW。但是，当故障消失后，通过Double-Infeed HVDC的控制系统作用，HVDC子系统的直流电压和直流电流恢复到了故障前的大小，稳态时其发出的有功功率也恢复到209MW；由于VSC-HVDC逆变侧采用了定交流电压的控制方式，不仅减小了HVDC逆变侧换相失败的次数，而且使公共母线的电压也最终恢复到额定值，VSC-HVDC的直流电压、有功功率和无功功率也恢复到了故障前的状态；最终，HVDC和 VSC-HVDC的共同作用也使得负荷所需要的有功和无功功率得到满足。

7 结论

本文提出了由HVDC和VSC-HVDC组成的新型 Double-Infeed HVDC系统向无源网络系统提供电能的模型，并在此基础上阐述了利用VSC-HVDC启动HVDC的原理，设计了相应的控制系统。为了研究该系统的稳态和暂态性能，在PSCAD/EMTDC环境下分别对VSC-HVDC启动HVDC的动态性能和HVDC逆变侧发生三相短路故障时Double-Infeed HVDC系统的动态恢复特性进行了仿真研究。从仿真结果中可以得到如下结论：

（1）当受端是无源网络时，利用 VSC-HVDC可以实现HVDC的启动。

（2）文中针对Double-Infeed HVDC所设计的控制系统是正确的，而且是有效的。

（3）文中对于VSC-HVDC与HVDC之间相互作用的机理分析是正确的。

（4）利用固定电容补偿来增加VSC-HVDC调节能力的方法是可行的。

（5）利用 Double-Infeed HVDC可以克服HVDC的不足，改善HVDC运行的可靠性，实现对无源网络的供电。

[1] 徐政.交直流电力系统的动态行为分析[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[2]汤广福, 贺之渊, 滕乐天, 等.电压源换流器高压直流输电技术最新研究进展[J].电网技术, 2008,32(22): 39-44.Tang Guangfu, He Zhiyuan, Teng Letian, et al.New progress on HVDC technology based on voltage source converter[J].Power System Technology, 2008,32(22): 39-44.

[3]郑超, 周孝信, 李若梅, 等.VSC-HVDC稳态特性与潮流算法的研究[J].中国电机工程学报, 2005,25(6): 1-5.Zheng Chao, Zhou Xiaoxin, Li Ruomei, et al.Study on the steady characteristic and algorithm of power flow for VSC-HVDC[J].Proceedings of the CSEE,2005, 25(6): 1-5.

[4]赵琬君.高压直流输电工程技术[M].北京: 中国电力出版社, 2004.

[5]Andersen B R, Xu L, Horton P J, et al.Topologies for VSC transmission [J].IEEE Power Eng.2002, 16(3):142-150.

[6]Guanjun Ding, Guangfu Tang, Zhiyuan He, et al.New technologies of voltage source converter (VSC)for HVDC transmission system based on VSC[C].IEEE Power Energy Society Gerneral Meeting, 2008:1-8.

[7]汤广福, 贺之渊.2008年国际大电网会议系列报道—高压直流输电和电力电子技术最新进展[J].电力系统自动化, 2008, 32(22):1-7.Tang Guangfu, He Zhiyuan.A review of CIGRE 2008 on HVDC and power electronics technologies[J].Automation of Electric Power Systems, 2008,32(22):1-7.

[8]赵成勇, 李广凯, 孙营.双馈入直流输电系统中VSC-HVDC的控制策略研究[J].中国电机工程学报, 2008, 28(7): 97-103.Zhao Chengyong, Li Guangkai, Sun Ying.Control strategy of VSC-HVDC in dual-infeed HVDC systems[J].Proceedings of the CSEE, 2008, 28(7):97-103.

[9]Zhuang Y, Menzies R W, Nayak O B, et al.Dynamic performance of a STATCOM at an HVDC inverter feeding a very weak AC system[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 1996, 11(2), 958-964.

[10]Nayak B, Gole A M, Chapman D G, et al.Dynamic performance of static and synchronous compensators at an HVDC inverter bus in a very weak ac system[J].IEEE Transactions on Power System, 1994, 9(3):1350-1358.

[11]Oliveira M De, Poloujadoff M, Du A Le, et al.Therond.Supply of an entirely passive AC system through an HVDC link[J].Electrics Power Energy Systems, 1994, 16(2): 111-116.

[12]Andersen Bjarne R, Xu Lie.Hybrid HVDC system for power transmission to island networks [J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19(4):1884-1890.

[13]赵成勇, 李金丰, 李广凯.基于有功和无功独立调节的 VSC-HVDC控制策略[J].电力系统自动化,2005, 29(9): 20-24.Zhao Chengyong, Li Jinfeng, Li Guangkai.VSCHVDC control strategy based on respectively adjustment of active and reactive power[J].Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(9): 20-24.

[14]尹明, 李庚银, 牛同义, 等.VSC-HVDC连续时间状态空间模型及其控制策略研究[J].中国电机工程学报, 2005, 25(18): 34-39.Yin Ming, Li Gengyin, Niu Tongyi, et al.continuous-time state-space model of VSC-HVDC and its control strategy[J].Proceedings of the CSEE,2005, 25(18): 34-39.

[15]Szechtman M，Wess T， Thio C V.First benchmark model for HVDC control studies[C].International Conf.on AC and DC Power Transmission, 1991:374-378.

[16]Prabha Kundur.电力系统稳定与控制[M].北京:中国电力出版社, 2001.