抑制直流连续换相失败的光伏无功补偿策略

刘世超，王银照，郑 施，张继勇

(1. 国网山东省电力公司，山东 济南 250001； 2. 南京邮电大学，江苏 南京 210023)

1 引言

高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)因为具有造价低、功率损耗小、可靠性高、调节速度快、限制短容量等交流输电不及的优势成为我国电网发展的必然趋势。然而，直流输电系统换相失败会导致逆变侧电压大幅下降，引起换流站单极或双极闭锁，使送端电网功率盈余和受端电网功率缺额，进而引发连锁机组脱网、甩负荷等问题，影响电网安全稳定运行。因此，有必要对直流输电连续换相失败因素展开研究，减少电压下降事故的发生。

国内外对基于无功补偿设备抑制换相失败的方法开展了相关研究，通过在直流系统近区配备额外的无功补偿设备，可以有效减少换相失败现象的发生。将静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)接入直流系统可以稳定换流母线电压，在一定程度上降低基于电网换相换流器的高压直流输电的换相失败概率。文献[7-8]优化了含有可投切电容器的直流系统在故障情况下无功补偿策略，改善了系统的恢复特性。文献[9]提出一种考虑降低直流换相失败风险的无功补偿优化配置方法。文献[10]充分利用调相机的动态无功支撑能力，有效抑制了直流输电系统因交流系统故障引起的连续换相失败。文献[11]提出一种考虑直流输电系统运行策略与无功补偿装置抑制多馈入直流输电系统连续换相失败的抑制方法。近年来，电网中新能源快速发展，分布式光伏电站接入受端电网的比例越来越大，在我国华东地区大量光伏电站接入直流近区，其中光伏逆变器具有动态无功支撑的能力。光伏电站可以利用光伏逆变器本身的无功输出特性向电网输出无功功率，文献[14]提出了一种光伏逆变器低电压穿越时的无功控制策略，利用光伏逆变器本身的无功输出能力向电网输出无功功率。文献[15]提出一种基于有功自适应调整的无功电压控制策略，并将其应用到光伏并网的场景中，保证系统较好的动态电压支撑能力。

目前的研究尚未考虑到光伏动态无功调节能力对直流输电连续换相失败抑制的支撑，利用已有光伏电站进行动态无功补偿可以大大提高电网运行的经济性。本文分析了高压直流输电系统连续换相失败机理，从光伏参与电网调控的角度出发，提出一种基于光伏调相运行能力的直流输电换相失败抑制策略。首先搭建光伏接入受端电网的高压直流输电模型和分析直流连续换相失败机理及故障时电气量变化，然后提出在故障时提高光伏电站无功功率的输出以抑制直流输电系统连续换相失败的策略，最后基于标准测试系统和实际电网对文中所提策略进行了仿真验证。

2 总体思路

搭建大规模光伏电站接入的受端电网高压直流输电系统模型，如图1所示，分为送端系统、直流输电系统和受端系统。受端系统由交流系统和多个光伏集成系统组成。高压直流输电系统主要由整流站、输电线路、逆变站等组成。光伏发电系统中的光伏阵列通过并网逆变器将电能输入电网。

图1 光伏并入受端电网的高压直流系统拓扑图

当系统发生故障时，光伏具有低电压穿越的能力，可以对系统提供动态无功补偿；与此同时，电网运行状态的变化也会影响并网光伏的电压稳定性。通过对HVDC系统逆变侧的直流电压、熄弧角以及接入点的有功、无功功率进行分析，判断当前系统的运行状态和缺少的无功功率大小。利用光伏逆变器的调相运行能力改善交流系统电压从而达到抑制直流系统换相失败的作用。

光伏电站输出的有功功率随着周围环境光照强度和温度变化而变化。在不同的环境下，光伏逆变处于不同的工作状态，本文将光伏逆变器工作模式分为三种：最大功率跟踪模式、有功削减工作模式和STATCOM工作模式。正常情况下，光伏逆变器处于最大功率跟踪模式，按照MPPT模式输出其最大有功功率，采用无功变下垂控制为电网提供无功补偿。为释放更多的无功，光伏逆变器处于有功削减模式，削减光伏逆变器的有功输出，提高对系统的无功补偿能力，满足并网点的无功需求。当直流系统出现连续换相失败等严重故障时，光伏将处于STATCOM工作模式，此时光伏逆变器具有向系统提供感性或容性无功补偿的能力，无功补偿容量为光伏逆变器全部容量，且动态响应速度较快。

基于光伏电站调相运行抑制直流换相失败的流程如图2所示。监测直流系统逆变器侧的熄弧角，判断直流系统是否发生了换相失败。如果系统出现换相故障，切换光伏逆变器的工作模式，以确保其具有一定的无功补偿能力。光伏逆变器提供动态无功功率支持，改善受端交流电网的电压从而达到稳定直流逆变器侧的母线电压的效果。当直流电压恢复正常时，光伏逆变器恢复正常工作，直流输电系统无功需求与受端电网无功补偿平衡，以达到抑制第二次换相失败的效果。

图2 光伏抑制连续换相失败控制策略框图

3 直流输电系统连续换相失败机理

直流换相失败是指在换相过程中退出导通的阀在反向电压的作用下未能及时恢复阻断的能力，或者在反向电压作用期间换相过程未能结束，使本该关断的阀在正向电压作用下重新导通的现象。换相失败作为直流输电系统最常见的故障之一，会引发直流功率瞬间下降甚至导致直流闭锁的情况产生，威胁到交流系统的安全稳定运行。

在直流输电中，换相失败的原因主要可以分成两种：逆变系统内部发生故障和逆变侧交流系统发生故障。其中逆变系统内部故障可以分为：内部电子元器件的损坏、触发电路误操作。对于正常的高压直流系统来说，逆变侧内部发生故障的概率非常小。

3.1 直流输电换相失败动态无功需求

当直流系统逆变侧受到较大的扰动引起直流换相失败时，直流逆变侧熄弧角、换流母线电压、有功功率和无功功率等电气量发生波动；对换相失败期间电气量进行电磁暂态仿真分析，仿真结果如图3所示。

图3 故障时交直流系统电气量变化情况

分析图3可知，当高压直流落点附近的交流线路发生故障时，交直流电气量变化如图所示，分析各电气量变化情况可以推断故障后出现两种情况：

若故障及时切除且系统电压能够逐渐恢复，则直流系统的有功功率也将随着交流换相电压的恢复而恢复，但逆变站的无功需求在直流恢复过程中将大幅增加，若补偿电容器所产生的无功功率一时难以满足此无功需求，相应的无功缺额将有受端交流系统承担，因此对受端交流系统来说，将造成瞬时无功功率冲击，有可能引发受端电网的电压稳定问题。

若交流系统故障未及时切除，换相失败的情况连续出现，导致长时间的有功缺额以及潮流大范围转移问题，将进一步恶化系统电压稳定水平。

3.2 判断直流换相失败的条件

为了抑制直流连续换相失败，实时监测系统运行状态与直流系统的无功特性，判断直流系统是否发生换相失败。

当逆变侧交流系统对称时，熄弧角γ表达式

(1)

式中：为换流变压器变比，为直流电流，为换相电抗，为逆变侧换流母线线电压有效值，为触发超前角。

以极限熄弧角代入上式，可以推出换相失败临界换流母线线电压有效值为

(2)

在实际工程中，评估直流输电系统换相失败以直流逆变侧换流母线电压的跌落值作为判断因素，一般认为跌落至正常值运行的90以下将引发换相失败。本文结合熄弧角和换流母线电压两者作为判断直流输电系统换相失败的依据，保证了判断的准确性。

4 直流输电系统连续换相失败抑制策略

4.1 光伏电站调相运行的无功支撑能力

光伏并网点电压发生跌落时，光伏逆变器为系统提供相应的无功功率，以控制并网点电压在合理范围内。光伏逆变器无功容量不足时进行有功削减控制，以释放出更多的无功容量，发出相应的无功功率支撑并网点电压。

(3)

由来表示光伏工作在最大功率跟踪模式下的有功功率，Δ表示为光伏的有功削减量，为有功削减控制的有功功率给定值，为逆变器输出的有功功率值，，为控制器的参数，是电流控制的参考值。

由于逆变器的无功容量有限，当并网电压下降问题较为严重时，仅采用有功削减控制的方法很难满足系统的无功需求，这时需使光伏逆变器工作在STATCOM模式下，利用逆变器的全部额定容量来进行并网点的电压支撑。当光伏电板处于不工作的状态时，其电路结构与静止同步补偿器的主电路完全一致，从而具有STATCOM一样进行无功补偿的硬件条件。

用表示逆变器的等值电路中光伏电站接入点电压，以表示参考相位，表示逆变器交流侧输出电压与光伏电站接入点电压的相角差，表示逆变器交流侧输出电压，表示逆变器交流侧电抗；、分别表示逆变器输入电网的有功和无功。

有功功率和无功功率的计算公式为

(4)

由上式可得

(5)

当有功功率为0时，可得无功功率的范围为

(6)

无功与有功关系可表示为

(7)

其中，表示光伏逆变器视在功率，光伏逆变器的有功和无功受视在功率的限制，一般逆变器允许工作功率为视在功率105倍，则

(8)

(9)

在此情况下，当为0时，=105。

根据光伏逆变器的功率解耦控制原理，通过有功无功电流给定值的设定就可以控制光伏逆变器输出的有功无功功率。光伏逆变器调相运行无功补偿策略如图4所示，模式一、二分别对应光伏逆变器有功削减模式和STATCOM模式。

图4 光伏电站补偿策略图

图4中，和是通过变换当前坐标轴而获得的当前分量。在有功功率控制中，比较了不同的有功电流参考值和。无功功率控制中的是接入点实时电压的单位值(参考值220)，是接入点的实时无功功率。

直流输电系统发生大容量故障情况时，受端交流系统电压骤降，系统无功缺额较大。光伏逆变器工作在两种不同的工作模式下，对并网点进行不同程度的无功补偿，使并网点电压维持在合理范围内。

4.2 抑制直流输电连续换相失败策略

目前，引起直流输电系统连续换相失败的因素有很多，本文仅以电压跌落幅值为直流连续换相失败的主导影响因素，把熄弧角作为连续换相失败的判断依据。通过分析直流系统的无功需求，结合换相失败恢复过程中的电压、熄弧角等电气量的特性和变化规律，对连续换相失败进行预判；然后依据直流系统有功功率、无功功率和熄弧角之间的耦合关系，以直流输电系统逆变侧换流母线电压作为控制对象，利用光伏逆变器调相运行能力对并网点进行无功补偿，维持并网点的电压稳定。

直流系统的无功特性可以利用换流器的稳态方程进行表示

(10)

(11)

式中，和分别为直流电压和电流，和分别为有功功率和无功功率，0为理想空载直流电压，为串联的桥数，为换流变压器变比，为换相电抗，表示高压侧母线线电压有效值，表示逆变侧熄弧角。

根据光伏逆变器的功率解耦控制原理，通过有功无功电流给定值的设定就可以控制光伏逆变器输出的有功无功功率。光伏逆变器分别工作在两种工作模式下，利用光伏逆变器调相运行能力改善受端交流系统电压，强化交流系统强度，提升动态无功支撑能力，抑制直流输电系统的连续换相失败。

光伏逆变器无功输出控制方法原理如图5所示。

图5 光伏逆变器的无功控制策略

当光伏并网接入点检测到逆变器侧的熄弧角已降至7°以下时，光伏逆变器切换工作模式以向电网输出无功功率。该控制的无功补偿计算功能如图5所示，将监控接入点的实时电压与标准电压之间的差乘以压降系数，然后比较实时无功功率。该部分构成功率外环控制部分。比较获得的ΔQ注入电流内环控制链接。通过电流控制获得参考电压，经过dq/abc转换后获得三相参考电压。最后，通过PWM转换得到光伏逆变器开关管的栅极驱动模型，以控制逆变器的输出功率。

5 仿真验证

5.1 电磁暂态仿真

为了验证所提策略的有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建光伏并入受端电网的高压直流系统模型，模拟大规模光伏并入受端电网的情况下，高压直流输电系统发生换相失败故障的场景。利用光伏逆变器调相运行能力，切换光伏逆变器工作模式，满足并网点无功需求，使交流系统电压维持在一定的范围内，同时观察直流输电系统换相失败恢复情况。

模型包括一个CIGRE HVDC模型和一个光伏电站模型。HVDC模型采用单极500kV、1000MW直流输电，整流侧和逆变侧采用12脉波的换流器，受端采用1000MW同步电机。光伏发电模型输出电压为220kV。

在本算例中，考虑逆变侧交流系统发生短路故障导致使直流系统发生换相失败。将高压线路交流侧短路故障设置为：在第1s时添加600MW的无功负荷，持续时间0.15s。通过观察熄弧角的大小可以判断直流发生两次连续换相失败，根据换相失败的次序可以将其分为首次换相失败和后续换相失败。由于首次换相失败发生速度很快，系统来不及动作，光伏逆变器无功补偿主要对后续换相失败电压进行支撑。仿真将分为光伏逆变器运行在有功削减模式和STATCOM模式两个场景下进行效果对比分析。搭建好上述系统，并施加故障，对故障后恢复过程中的电网状态进行记录，各电气量仿真曲线如图6、8黑色曲线所示。光伏电网接入受端电网，将并网点电压馈入光伏逆变器无功外环控制环节，光伏电站输出无功功率。交流系统强度增加，各电气量仿真曲线如图6、8中红色曲线所示。

图6 直流仿真曲线(模式一)

图7 光伏输出功率(模式一)

当光伏逆变器处于有功削减模式时，直流各电气量和光伏输出功率如图6、7所示，光伏逆变器在直流系统未故障时输出的有功功率为135MW。当处于有功削减模式时，有功输出削减至30MW。光伏逆变器输出的光伏逆变器的无功补偿对交流系统起到一定电压支撑的作用。第一次换相失败结束以后，直流输电系统逆变侧熄弧角跌再次落至6°，可以判断直流输电系统发生第二次换相失败，由此可以得出，光伏逆变器处于有功削减模式时，连续换相失败有所改善。但由于光伏逆变器输出无功容量有限，无法抑制连续换相失败。

图8 直流仿真曲线(模式二)

图9 光伏输出功率(模式二)

光伏逆变器处于STATCOM模式，利用全部容量来进行并网点的电压支撑。图8、9为STATCOM模式下光伏电站输出的有功无功以及并网点电压的变化情况。在STATCOM模式下，光伏电站不输出有功功率，但需从电网吸收一定的有功功率以维持逆变器的正常工作。图8显示STATCOM模式下光伏具有很好的电压调节能力，有效抑制直流第二次换相失败。

对比光伏逆变器采用两种策略补偿效果可得，光伏逆变器处于STATCOM模式下，不仅支撑换流侧直流电压的幅值，抑制熄弧角的二次跌落，同时也增强了受端交流系统的强度，从而达到了抑制后续换相失败的效果。

5.2 实际电网仿真

采用中国电科院研发的PSD-BPA作为仿真工具，基于实际华东电网的数据进行仿真分析，该数据中包括SL、QY、MC、JT、SD、XT、SY、SF、TF等九回直流线路。设置SL线路三永N-1故障，故障时间设置在第10s，以出现连续两次换相失败的SD线路作为研究对象。

SD直流详细电气量仿真曲线如图10黑色曲线所示。故障发生后，直流逆变侧熄弧角跌落至0°小于临界熄弧角且换流母线电压跌落至0.9p.u.以下，判断SD线路发生首次换相失败。在首次换相失败后，换流母线电压逐渐恢复至稳态值附近，而熄弧角超调导致直流无功需求远超过无功补偿容量，直流长时间从受端电网吸收无功功率，引起第二次换相失败。

图10 直流仿真曲线

图11 光伏输出功率

采用光伏无功补偿策略，SD直流详细电气量如图10红色曲线所示。以换流母线电压作为光伏逆变器控制环节输入参数，使光伏逆变器及时动作。多个光伏电站利用其动态无功支撑能力共输出1600Mvar左右的无功功率，将直流换流母线电压控制在稳定范围内，有效抑制了SD直流第二次换相失败。图11显示了光伏集群无功输出的情况，其中光伏集群输出的有功功率近似于0，故不在图中显示。

从电磁暂态仿真和实际电网仿真两个方面进行验证，本文所提光伏电站无功补偿策略能有效抑制了直流连续换相失败，使换流母线电压恢复后并维持正常稳定的运行状态，避免对系统造成较大的影响。

6 结论

本文针对大容量高压直流馈入受端电网，电网动态无功储备减少、电压调节恶化的问题，提出一种利用光伏电站调相运行能力抑制直流输电系统连续换相失败的策略，得出以下结论：

1)提出一种利用光伏逆变器调相运行能力抑制直流连续换相失败策略。与现有方法相比，该方法充分利用系统中存在的光伏逆变器的动态无功支撑能力，提升系统的动态支撑能力，减少了无功补偿设备配置成本投入，提高系统运行经济性。

2)光伏逆变器的两种无功补偿策略对直流连续换相失败故障后换流母线电压恢复起到不同程度的效果。在有功削减模式下，光伏逆变器提供了部分容量的动态无功支撑，加强受端电网强度，对直流输电第二次换相失败具有一定的改善效果；STATCOM模式利用逆变器全部容量进行无功支撑，具有恢复换流母线电压，抑制直流输电系统连续换相失败的作用。

3)本文仅考虑单一光伏逆变器作为动态无功补偿装置，随着受端光伏装机的逐年增长，如何利用光伏逆变器和已有动态无功补偿协调抑制直流连续换相失败需要进一步进行研究。