特高压直流输电分极接入运行特性分析

王旌, 韩民晓，姚蜀军，田春筝，司瑞华，唐晓骏

(1.华北电力大学电气与电子工程学院, 北京市102206；2. 国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州市 450000；3. 中国电力科学研究院，北京市100192)

特高压直流输电分极接入运行特性分析

王旌1, 韩民晓1，姚蜀军1，田春筝2，司瑞华2，唐晓骏3

(1.华北电力大学电气与电子工程学院, 北京市102206；2. 国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州市 450000；3. 中国电力科学研究院，北京市100192)

为了从电网结构上有效解决传统两端特高压直流输电系统因大容量功率传输对受端交流系统冲击较大的问题，该文提出了采取分极接入交流电网的方式，将直流功率输送至2个不同区域、不同电压等级的电网中。建立了分极接入模式下交直流系统的等效模型，给出了分极接入短路比定义，并分析了分极接入模式下短路比对功率传输能力的影响；基于对特高压直流输电控制系统分层结构的分析，对分极接入控制系统结构配置方案进行优化；以河南电网2020年规划为依据，应用PSCAD/EMTDC仿真验证了控制策略的合理性并对故障响应进行了分析，研究一极发生故障对健全极功率传输的影响，验证了分极接入的优势，为特高压直流输电的电网规划提供设计参考。

特高压直流输电；分极接入；短路比；控制系统；暂态响应

0 引 言

目前我国已处于“十三五”西北大型煤电和可再生能源基地、西南大型水电基地的快速建设和开发时期，将电能从这些经济发展水平较为落后的地区传输至华北、华东和华南这些用电需求高的发达地区，可以有效缓解我国能源分布与经济发展水平极不均衡问题。特高压直流输电技术具有输送距离远、输送容量大等优势，在我国得到了快速发展与应用[1-4]。目前大多数特高压直流输电工程为传统线路换相换流器(line commutated converter， LCC)型两端系统，如已投入运行的向家坝—上海、锦屏—苏南、哈密—郑州±800 kV特高压直流输电工程。随着特高压直流输电技术的不断完善与发展，送电距离越来越远，输送容量也越来越大，如于2016年初启动建设的准东—皖南±1 100 kV特高压直流输电工程，输送距离长达3 324 km，输送容量增至12 000 MW，这对受端电网的支撑能力提出了更高的要求。特别是目前我国多条高压直流输电线路的受端落点电气距离很近，形成多馈入直流输电系统后，1次故障可能引起多个逆变站同时或相继发生换相失败，甚至导致直流功率传输的中断，给整个直流输电系统带来巨大冲击，对电网的安全稳定运行造成巨大威胁。

当输送容量超过5 000 MW时，通常1个受端落点无法消纳如此大的电能，采用多个分散式的受端来消纳功率成为必要，在故障条件下对受端交流系统的冲击影响也会变小[5]。为解决多落点受电问题，一个重要的发展方向是在经济性和灵活性上具有一定优势的多端馈入直流输电技术。针对于这一发展趋势，近年来很多学者对并联多端馈入[6-7]和分层接入[8-12]模式的结构特点与控制策略进行了一定研究，其中分层接入即双高端换流阀与双低端换流阀分别接入到不同电压等级电网的模式已确定应用于目前正处于建设中的锡盟—泰州±800 kV特高压直流工程。但对于此种馈入模式，若其中一端受端交流系统发生换相失败会导致直流电压下降和直流电流上升，由于高端换流阀与低端换流阀为串联关系，直流电流的增大会导致另一端交流系统也发生换相失败，影响整个直流工程的功率传输。

本文从分极接入的设计特点出发，对分极接入接线形式的原理与优势进行分析，从短路比的角度验证其在功率输送能力方面的优越性，并基于结构特点对其控制结构进行优化配置，最后对工程算例进行仿真分析，对其在不同故障下的暂态响应进行研究。

1 特高压直流分极接入模型

1.1 分极接入拓扑形式

分极接入是指直流输电工程的正极与负极输电线路分别接入到不同的换流母线。根据受端交流系统电气特性的不同又可以细分为分极分层馈入与分极单层馈入，分层馈入是指2个受端交流系统的电压等级不同，单层馈入是指2个受端交流系统的电压等级相同。另外，2个馈入点电气距离的远近对分极接入的拓扑形式也有影响，具体馈入点的位置需要通过特高压直流输电工程规划以及各负荷中心的电力需求进行合理选择。图1为分极分层馈入拓扑，此时2个馈入点的电气距离较近，Ei和Ej分别为受端交流系统的等值电势，Zi和Zj分别为受端交流系统的等值阻抗，受端换流母线间通过变压器及线路互联阻抗Zij互联。对于分极单层馈入，Ei和Ej相同且互联变压器变比k为1。当2个受端馈入点电气距离较远时互联阻抗Zij为无穷大。

图1 分极分层馈入拓扑

1.2 分极接入短路比分析

由分极接入的拓扑可知，分极接入可以看作对称的2个单极直流输电系统分别输送功率至2个受端，那么在对分极接入的短路比进行分析研究时可参考多馈入直流系统短路比的计算方法。在考虑到多回直流输电线路之间的相互影响作用，CIGRE多馈入直流工作组提出的多馈入直流系统短路比[13]的计算公式如下：

(1)

式中：RMSCi为第i回直流线路对应的多馈入短路比；Saci为第i回换流母线交流侧系统短路容量；Pdeqi为考虑其他直流回路影响后的等值直流功率；Pdi为第i回直流线路的额定功率；UNi为第i回换流母线上的额定电压；Zeqii为等值阻抗矩阵中第i回换流母线对应的自阻抗；Zeqij为等值阻抗矩阵中第i回换流母线和第j回换流母线之间的互阻抗。

所以当以换流母线额定电压UNi为基准电压时，分极接入短路比RSPCSCi可表示为

(2)

式中Pdj为j回直流线路的额定功率。

1.2.1 2个馈入点间电气距离较远

当2个馈入点的电气距离较远时，受端交流系统换流母线之间没有直接的电气连接，即没有相互作用，此时受端交流系统的短路比为

(3)

当正负极输送功率相同即Pdi=Pdj时，可以看出由于2个馈入点接受的直流功率相比单端馈入分别

减半，受端交流系统短路比分别增大为单端馈入时的2倍。

1.2.2 2个馈入点间电气距离较近

当2个馈入点的电气距离较近时，其受端简化结构图和对变压器进行π等值后的节点网络图如图2所示。其中ZT为互联变压器的等值阻抗。

图2 分极分层馈入模式简化图

列写节点导纳矩阵：

(4)

通过节点消去法[14]消去图2中的节点m，并对导纳矩阵进行求逆可得节点阻抗矩阵为

(5)

代入公式(2)可得分极接入下受端交流系统i的等效短路比为

(6)

同理，分极接入下受端交流系统j的等效短路比为

(7)

当2个受端交流系统电压等级相同时，式中k=1，ZT=0。

1.3 分极接入短路比与直流功率传输的关系

以分极接入直流系统的一个极为研究对象，直流电压在逆变侧可表示为

(8)

式中：UdI为逆变侧直流电压；N为每极中6脉动换流器的个数；kI为换流变压器的变比；EI逆变侧交流系统线电压有效值；γ为熄弧角；XI为逆变站等值换相电抗，等于换流变压器的漏抗XT与受端交流系统等值电抗XS之和；Id为直流电流。

则该极的有功功率传输值可表示为

(9)

由于XS的标幺值为受端系统等效短路比的倒数，即XS=1/RSPCSC，所以分极接入系统总传输功率值Pd为

Pd=Pdi+Pdj=

(10)

由此可看出在设定的系统参数与运行条件下，短路比大小对直流功率的传输有直接影响，不同短路比对最大直流功率传输曲线的影响在下文的算例分析中体现。

2 分极接入控制系统结构

按IEC 60633—2015对高压直流输电控制系统的分层定义[15]，直流控制功能可分为交直流系统层、区域层、双极层、极层和换流器单元层，各控制层通过协调配合实现对直流输电系统的控制功能[16]。双极控制级的主要功能是对双极功率的控制，用设定的双极功率传输值除以双极直流电压得到对应的电流指令。如果一极发生故障或者降压运行而导致直流电压下降，由Pd/Ud单元计算得到的电流参考值将变大，使得健全极过负荷运行以保证对受端直流功率的传送，当故障极恢复运行后控制功能再调节功率平均分配至两极。然而在分极接入模式下，由于两极线路分别接入到不同的受端交流系统，不需要健全极过负荷运行以保证总功率传输。为保证在发生单极故障时不会对健全极产生较大扰动，实现极间故障隔离，在分极接入的系统分层结构中取消双极控制，两端换流站直流控制系统总体结构如图3所示。

两端换流站均按极配有2套极层控制设备和4套阀组控制设备。极层控制是换流站的控制核心，各极功率指令直接由极控制层接收并产生电流指令，实

图3 分极接入直流控制系统总体结构

现对直流电流、直流电压和熄弧角的闭环控制。其中整流侧控制电流，逆变侧控制电压，并以定电流控制器为后备。另外整流侧与逆变侧也均设有电压调节控制器和低压限流控制环节，以实现系统在非正常运行状态下的安全运行与快速恢复。极控制系统的简化控制模型如图4所示。

图4 极控制系统控制模型

极功率控制(pole power control，PPC)将功率指令转换为电流指令，经低压限流控制器(voltage dependent current order limiter，VDCOL)限幅后，最终的电流指令传递给电流放大器(current control amplifier，CCA)，输出换流阀触发角α。该控制系统为限幅型，主要体现在CCA输出的换流阀触发角α经各个控制模块对上、下幅值进行限制以实现特定的控制功能。其中换相失败预测(commutation failure prediction，CFPRE)通过对交流电压的监测判断是否可能发生换相失败；最大触发角限制(alpha max，AMAX)预测并输出能保证直流系统安全运行的最大触发角；直流电压控制器(voltage control amplifier，VCA)在降压运行方式下起定电压控制的作用；整流侧最小触发角控制(rectifier alpha min limiter，RAML)判断整流侧交流故障的严重程度并限制α的最小值；逆变侧熄弧角γ零启动负责在某些特殊条件下将熄弧角的值强制置于特定值以最大限度地拉高直流电压，从而加快系统的恢复速度。

由于分极接入下的直流受端正负极分别馈入2个交流系统，分别配置相应的交流滤波器组，并且对无功功率的控制需要分别配备控制系统，独立控制各自的交流电压和无功功率，以实现各交流母线配置的滤波器组投切的独立控制，保证换流站与交流系统之间的无功功率交换保持在给定范围内；同样，对换流变压器分接头的控制也需要2套控制系统，实现对2个交流系统的独立响应。

3 分极接入直流功率输送能力算例分析

根据河南电网2020年规划数据，取受端交流系统i和j电压等级分别为500 kV与1 000 kV，其中交流系统i的等值阻抗的标幺值Zi=(0.067 6+j0.252 2)pu，交流系统j的等值阻抗标幺值Zj=(0.058 5+j0.218 5) pu。根据电力变压器等值阻抗取值范围，取互联变压器阻抗标幺值ZT=0.18 pu，且由于变压器的电阻值较小可忽略不计，在计算时仅考虑电抗值，近似认为ZT≈XT=0.18 pu。馈入点间线路单位阻抗取值为Z0=(0.08+j0.4) Ω/km，线路长度为140 km，将计算得到的互联阻抗归算至交流系统i侧后的标幺值为Zij=(0.216 4+j1.082 1) pu。

经计算，在单端馈入、2个受端馈入点电气距离较远(受端换流母线间无电气联系)时分极接入、2个受端馈入点电气距离较近(受端换流母线间有电气联系)时分极接入等几种不同馈入方式下的短路比如表1所示。

表1 不同馈入方式下的短路比

Table 1 Short circuit ratios under different

connection modes

设定熄弧角额定值γ=18°，将本算例的相关参数代入上述公式可得到不同馈入方式下的总功率传输曲线如图5所示。

图5 直流功率传输曲线

当受端系统运行于最大功率曲线的左侧时功率稳定，当运行于曲线右侧时则已经超过最大接纳功率极限，功率不稳定。由图5可知，短路比的值越大，最大直流功率传输值越大，且额定运行工作点距最大直流功率传输点间裕度越大。在受端系统参数相同的情况下，分极接入方式下短路比的值明显大于单端馈入时的，其最大传输功率值约可达到单端馈入时的1.5倍，且有效扩大了系统安全稳定运行范围。

4 分极接入故障响应仿真

为了对分极接入直流输电的优越性和控制系统的有效性进行验证，本文根据河南省2020年特高压直流输电线路规划数据，基于PSCAD/EMTDC建立仿真模型，直流系统额定电压为±1 100 kV，额定输送功率为12 000 MW，送端交流电网额定运行电压为775 kV，短路电流为48 kA，正极(极Ⅰ)和负极(极Ⅱ)分别馈入电压等级为1 000 kV和500 kV，短路电流为30.6 kA和53 kA的交流电网。

(1)设置极Ⅰ所连接的1 000 kV交流系统在6.0 s时发生单相接地故障，故障持续时间为 100 ms。在2个受端馈入点间是否有直接电气联系2种情况下的故障响应波形如图6所示。

图6 单相接地故障暂态响应曲线

(2)设置极Ⅰ直流出口处在6.0 s时发生接地故障，故障持续时间为100 ms。在2个受端馈入点间是否有直接电气联系2种情况下的故障响应波形如图7所示。

图7 直流线路接地故障暂态响应曲线

由仿真结果可知，在极I馈入的交流系统发生单相接地故障时，若2个受端馈入点之间电气距离较远即无直接电气联系，在故障期间极I发生换相失败，该极电压迅速下降并不能传输功率，而由于对各极实施独立的功率控制策略，极II只受到很小的波动并可以迅速恢复正常运行状态，实现了故障隔离；若2个馈入点间电气距离较近，通过变压器与阻抗互联，在极I单向故障期间，该极换流母线电压降低，2个受端馈入系统间的电气耦合作用使得极II的换流母线电压降低，导致极II也发生换相失败，功率传输受到影响。在极I发生直流线路接地故障时，故障期间极I直流电压和功率迅速下降至0，但是无论2个受端馈入系统是否有电气联系，极II均只受到较小扰动，不影响该极的稳定运行。

5 结 论

本文通过对特高压直流输电分极接入短路比及其对功率传输能力影响的分析，验证了分极接入模式可以显著提高受端交流系统对直流功率的接纳能力，增强了在进行大功率传输时的功率稳定性；提出了分极接入控制系统的整体构架，基于受端通过2个逆变站馈入不同交流系统的特点对2个交流系统的信号进行相对独立的处理，实现对各极功率传输与启停的独立控制；最后基于EMTDC/PSCAD平台搭建模型进行仿真验证，结果表示，在分极接入2个不同区域的异步交流电网时，如果单极发生故障，另一极受影响很小，具有良好的响应特性，不影响该极的功率传送，相比分层接入馈入模式具有更好的暂态响应特性，实现了对故障的极间隔离。

致 谢

本文的研究工作得到了国网河南省电力公司和中国电力科学研究院“未来河南电网特高压直流落点馈入方式及优选方法研究”项目的支持，在此表示衷心的感谢。

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(编辑 张小飞)

Operation Characteristic Analysis for UHVDC Transmission in Separating Pole Connection Mode

WANG Jing1, HAN Minxiao1, YAO Shujun1, TIAN Chunzheng2, SI Ruihua2, TANG Xiaojun3

(1. School of Electrical&Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Henan Electric Power Company Economic Research Institute, Zhengzhou 450000, China; 3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, china)

The traditional two-terminal UHVDC transmission system has big impact on the receiving end because of its great capacity of power transmission. For this problem, this paper proposes a novel separating pole connection (SPC) mode, which can transmit power to two receiving power systems in different locations and voltage degrees. Firstly, this paper establishes the equivalent model of AC/DC system under SPC mode, presents the improved definition of separating pole connection short circuit ratio (SPCSCR), and analyzes the abilities of power transmission related with SPCSCRs. Based on the analysis on the layered structure of UHVDC transmission control system, this paper optimizes the structure configuration scheme of the SPC control. Based on the Henan Grid Planning in 2020, this paper verifies the rationality of the control strategy and analyzes its fault response through the simulation in PSCAD/EMTDC. Finally, this paper studies the impact of one pole fault on other poles’ power transmission, verifies the advantage of SPC, which can provide design reference for the grid planning of of UHVDC transmission.

UHVDC transmission; separating pole connection; short circuit ratio; control system; transient response

国家电网公司科技项目(XTB51201601116)

TM 722

A

1000-7229(2016)10-0054-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.008

2016-06-28

王旌(1993)，女，硕士研究生，主要研究方向为高压直流输电；

韩民晓(1963)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为直流输电、柔性交流输电、电能质量分析等；

姚蜀军(1973)，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电力系统建模与仿真；

田春筝(1982)，男，硕士，研究方向为电力系统规划、电力系统建模与仿真；

司瑞华(1984)，男，硕士，研究方向为电力系统稳定分析与控制；

唐晓骏(1978)，男，工程师，研究方向为电力系统运行控制技术。