基于关断角偏差量的背靠背直流系统换相失败抑制研究

李宁，高本锋，张建坡，于弘洋，杨志昌，崔浩江

（1.河北省分布式与微网重点实验室（华北电力大学），河北保定 071003；2.先进输电技术国家重点实验室（国网智能电网研究院有限公司），北京 102209）

0 引言

我国西部地区的风电、光伏和水电资源丰富，基于电网换相的高压直流输电（Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCCHVDC））凭借输送容量大、功率调节能力强、损耗低等特点，有效解决了我国能源中心与负荷中心逆向分布问题[1]。截至2022 年上半年，我国共投运18回特高压直流，总额定容量达142.6 GW[2]。

交流电网的动态无功响应特性直接影响直流系统的运行可靠性[3]。对于火电支撑少、负荷水平重的弱直流受端系统，暂态电压稳定问题突出，若无功支撑能力不足，极易引发直流连续换相失败。根据连续换相失败的表现形式可将其分为阀级连续换相失败与系统级连续换相失败。阀级连续换相失败均是由第1 次换相失败所引发的后续换相失败，时间间隔均在几个毫秒[4]。

目前，国内外学者对直流受端系统换相失败抑制问题主要从优化直流系统控制策略和提升受端系统电压支撑能力2 个方面进行改进[5]。在提升受端系统电压支撑能力方面，动态无功补偿装置在故障后可快速向系统注入无功以支撑母线电压。因此工程上通常将其加装在特高压直流落点及近区变电站，来解决逆变侧的换相失败问题并提升受端电网电压稳定水平[6-7]，当前南方电网已有部分地区在直流受端配置静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）。文献[8-10]通过在受端加装STATCOM 来稳定换流母线电压，从而抑制换相失败。文献[11]针对同步调相机对分层接入方式下高低端换流器换相失败的抑制作用进行了机理分析和仿真研究。文献[12]通过实时检测换流母线电压并计算故障条件下无功缺额及其无功补偿量，以此作为静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）无功控制策略的理论依据。文献[13-14]根据LCC-HVDC 的实时无功缺额动态调节柔性直流输出的有功与无功功率，从而改变其暂态运行点，以抑制LCC-HVDC 换相失败并较大限度提升其有功功率的传输能力。然而这些补偿措施灵活性相对受限，系统间缺乏协调配合。

针对含STATCOM 的LCC-HVDC 系统，文献[15-17]在故障时通过调节STATCOM 定交流电压参考值，在一定程度上提升了电网电压支撑能力。文献[18]将STATCOM 经过1 个“虚拟电抗”之后得到新参考电压，借助该参考电压弱化了STATCOM 电压外环控制模块与LCC 逆变站的耦合，减小了交流系统等效阻抗，但并未分析装置的输出特性改善情况。文献[19]研究了系统电压不平衡下链式静止同步补偿器的控制策略和补偿模式并提出了无功控制和电压控制2 种改进型补偿模式，并对其输出特性进行了分析。

本文针对LCC-HVDC 受端系统，通过分析暂态下各电气量变化过程及逆变换流站无功特性，给出不同工况下STATCOM 输出特性与HVDC 和过渡阻抗的关系曲线，同时提出一种STATCOM 与逆变侧关断角偏差信号的协调控制策略，通过对协调控制策略与传统控制策略分析比较，得出其在响应速度及动态协调能力上的显著优势；最后，基于南方某背靠背联网直流输电工程，在Pscad/Emtdc 仿真平台上搭建电磁暂态仿真模型，验证所提协调控制策略的有效性。

1 含STATCOM 的背靠背直流受端系统结构

1.1 受端系统结构

为提高受端系统电网电压支撑能力，将STATCOM接于逆变侧交流母线。图1 为含STATCOM 的LCC-HVDC 受端系统结构示意图。其中，Ud，Id分别为直流受端直流电压和直流电流；Xs为平波电抗器；Pd，Qd分别为直流输送有功和无功功率；Us为换流母线电压；Z为受端系统等值阻抗；Qs为STATCOM 为系统提供的无功；X为联接电抗。

图1 含STATCOM的LCC-HVDC受端系统结构Fig.1 LCC-HVDC receiving system structure with STATCOM

HVDC 系统参数依据背靠背工程得到。直流输送额定容量为2 000 MW，换流母线额定电压为540 kV。STATCOM 采用链式角形结构，额定容量为300MVA。

HVDC 系统逆变侧采用定关断角控制和定直流电流控制。此外还配备有低压限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL）、电流控制放大器和电压调节器。

1.2 STATCOM控制策略

STATCOM 控制模式分为定电压模式和定无功模式。系统稳态运行时，STATCOM 接入自动电压控制（Automatic Voltage Control，AVC）子站保持现行稳态控制模式不变，设置为定无功模式[20]。STATCOM暂态运行控制原则要求当STATCOM 处于0.2～0.9 p.u.和1.1～1.2 p.u.之间时，投电压闭环控制且控制540 kV 侧母线电压，目标值为故障前电压值[21-23]。STATCOM 设置为定电压模式，实现电压闭环控制，控制结构如图2 所示。

图2中Us，Us*分别为换流母线三相电压有效值和参考值；Udc_ave，Udc_ref分别为级联模块直流侧电压反馈值和参考值；uabc，iabc分别为STATCOM 并网点三相电压瞬时值和流入电网电流瞬时值；Sa，Sb，Sc分别为三相PWM 脉冲；θ为锁相输出角度；ω为系统的角频率；L为联接电感值；Id，Iq，Ud，Uq为派克变换输出的电流、电压；Id*，Iq*分别为电压外环控制输出的d，q轴电流参考值；Ud*，Uq*分别为输出电压d，q轴电压参考值。

图2 STATCOM定电压模式Fig.2 Constant voltage mode of STATCOM

2 STATCOM的输出特性

STATCOM 可等效为幅值、相位均为可控的交流电压源，其接入电网的等效电路如图3 所示。其中，Us为换流母线电压；Ui为STATCOM 输出电压；X为换流母线与STATCOM 间的联接电抗；R为换流母线与STATCOM 间的等效电阻；L为联接电感。

图3 STATCOM接入电网等效电路Fig.3 Equivalent circuit of STATCOM connected to power grid

根据图3 电路，可以得到式（1）所示有功P、无功Q计算公式。

式中：δ为向量滞后向量的角度。

STATCOM 实际运行中，δ在绝对值很小范围内变化，当换流母线电压Us大于STATCOM 输出电压Ui时，补偿电流滞后系统电压90°，STATCOM 吸收感性无功功率；当STATCOM 输出电压Ui大于换流母线电压Us时，补偿电流超前系统电压90°，STATCOM 吸收容性无功功率。

受端系统故障点可能出现在任意位置，且高压线路都呈现出感性阻抗，所以通常在换流母线处设置感性接地，模拟故障点与母线间的距离关系。电感值越小，则电气距离越近，换流母线电压下降越多，即故障水平越高；电感值越大则相反[22-23]。为校验STATCOM 不同工况下输出无功大小，在逆变换流母线处设置感性接地故障，共22 组，单相和三相接地各11 组。阻抗基准值为ZN=UN2/SN，其中UN为换流母线额定电压540 kV，SN为直流额定容量2 000 MW，接地电感L1变化范围为0.01～1H。图4和图5 分别为STATCOM 输出特性与HVDC 系统换流母线电压与接地阻抗ZL变化关系曲线，其中Qs为STATCOM 输出无功。

图4 Qs和Us随ZL的变化曲线（单相）Fig.4 Variation curves of Qs and Us with ZL（single phase）

图5 Qs和Us随ZL的变化曲线（三相）Fig.5 Variation curves of Qs and Us with ZL（three-phase）

图4 为HVDC 受端发生单相接地故障时，QS和US随接地阻抗ZL的变化曲线。从图4 可知，随着接地阻抗ZL增大，换流母线电压Us逐渐升高，STATCOM 发出无功功率Qs逐渐减小，表明随着故障水平减弱，受端电压降落水平逐渐下降，即STATCOM、换流站和受端系统的无功交互影响造成STATCOM相比于额定状态下的输出能力大幅度减弱。在ZL（p.u.）＜1 时，换流母线电压下降至0.9 p.u.以下，系统存在换相失败风险，而此时STATCOM 依然有出力空间，在故障水平较低时，STATCOM 的输出能力小于额定状态下的50%。

图5 为HVDC 受端出现三相接地故障时，Qs，Us随接地阻抗ZL的变化曲线。从图5 可知，当ZL值较小时STATCOM 输出达到上限，出现超调，超调量达到43%。在ZL逐渐增大的一段变化范围内，STATCOM 都存在一定的超调量。随着故障水平减弱，STATCOM 输出能力逐渐下降，但相比单相短路，由于前者造成在相同故障水平下，造成的线路压降更多，在定电压控制模式下产生的误差量Us*-Us更大（Us*为换流母线电压参考值），使STATCOM 的输出的无功量也较大。在故障水平较低时，STATCOM 的输出能力依然小于额定状态下的50%。

因此，在传统定电压模式下，不同工况时STATCOM 输出能力存在较大差异，大多工况下STATCOM 输出没有达到额定值，不利于受端系统电网电压支撑，因此有必要通过优化控制，在容量允许范围内提升装置的支撑能力，提高系统稳定性。

3 STATCOM控制策略改进

为解决STATCOM 在部分工况下对电网电压支撑能力不足问题，根据受端交流系统故障时HVDC各电气量的暂态变化过程可知，换流母线电压幅值直接影响换相失败[24-27]。若电网动态无功支撑不足，很有可能引起连续换相失败，此过程关断角变化明显。因此，为改善STATCOM 的输出特性，本文提出在原定换流母线电压控制的基础上，增加基于直流换流站关断角信号偏差量的附加控制，以同时响应交流系统和换流站的无功特性，协调控制策略整体框图如图6 所示。

图6 协调控制策略整体结构图Fig.6 Flowcharts of coordinated control strategy

图6中γ为关断角测量最小值。为充分发掘STATCOM 无功潜能，减小LCC-HVDC 换相失败概率，根据γ变化过程，将γ偏差量计算得到的补偿量，附加至STATCOM 的无功外环控制，使得STATCOM 在较多工况下能输出更多的无功功率，提高对受端交流电压的支撑能力。基于关断角偏差的协调控制策略逻辑框图如图7 所示。

图7 中，gamaP1 和gamaP2 分别为极一和极二换流站关断角值；γ*为关断角指令值；Us和Us1分别为母线电压实际值和下限。

图7 基于逆变侧关断角偏差的协调控制策略Fig.7 Coordinated control strategy based on inverter side turn-off angle deviation

在直流系统正常运行状态下，附加关断角控制器不动作，STATCOM 运行在定无功模式。当直流协调控制启动逻辑判断环节检测到关断角降低到7.2°以下或母线电压（Us1）降低到0.9 p.u.时，逻辑判断输出“1”。根据母线电压的降落程度，由图4 和图5 可预估出STATCOM 输出无功大小，当输出能力小于STATCOM 额定容量时启动协调控制。

首先计算逆变侧关断角指令值γ*与实际值γ延时比较的偏差Δγ，输出保持器接收到“1”的信号后将Δγ锁定并输出，然后通过1 个比例环节Km得到Km·Δγ，并将信号附加至STATCOM 电压外环控制参考指令，以增加无功输出，加快STATCOM 的响应速度。

当逆变侧交流系统故障时，换流母线电压Us降低，逆变换流站内γ瞬间下降，Δγ增大，此时在外环交流电压控制中引入Δγ的比例输入可以短时增大电压控制外环的误差信号，增大STATCOM 输出，减小电压跌落幅度。随着故障恢复，HVDC 定关断角控制发挥作用，伴随γ增加，Δγ逐渐减小，逻辑判断失效，协调控制闭锁。

当直流系统发生换相失败故障时，STATCOM 控制系统从逆变换流母线电压的单一控制对象转换至协同换流站关断角的双重控制目标，为系统提供更多的无功支撑，协调控制下换相电压变化如图8 所示。其中，UL为换相电压；α为触发延时角；μ为换相角；β为触发超前角；δ1为关断延时角。

由图8 可知，换相电压降低直接影响阀组的换相过程。图8 中，STATCOM 为系统提供更多地无功支撑可减小电压的下降程度，即增大了换相电压和换相面积，降低发生后续换相失败风险。

图8 协调控制下的换相电压Fig.8 Commutation voltage under coordinated control

4 仿真验证

为验证STATCOM 附加关断角协调控制策略抑制后续换相失败的有效性，本文采用背靠背直流输电系统模型，基于某换流站受端广东侧电网算例中电厂全厂开机运行方式进行仿真。换流站广东侧电网网架结构如图9 所示。其中，受端网架中地名为拼音首字母。

图9 广东侧电网网架结构Fig.9 Grid structure at Guangdong side

受端网架中，荷树园电厂全开机正常运行，最小短路电流为9.26 kA，短路比为4.21。为验证控制策略的有效性，本文分别对如下3 种模式的控制效果进行对比分析：

案例1：不含STATCOM 的LCC-HVDC 系统，LCC-HVDC 采用传统控制策略。

案例2：含STATCOM 的LCC-HVDC 系统，STATCOM 和LCC-HVDC 均采用传统控制策略。

案例3：含STATCOM 的LCC-HVDC 系统，在传统控制策略基础上，STATCOM 配备了附加直流关断角控制。

4.1 协调控制效果仿真分析

设置逆变侧换流母线在0.75 s 时经0.1H 电感发生单相接地故障，故障持续时间为0.1s，Δγ的增益Km取值为0.3。在该故障水平下，3 种控制模式的受端关断角对比效果如图10 所示；有无协调控制的STATCOM 输出对比如图11 所示。

图10 3种控制模式下的受端关断角对比Fig.10 Comparison of turn-off angle on receiving end under three control modes

图11 有无协调控制的STATCOM输出对比Fig.11 Comparison of STATCOM output with and without coordinated control

从图10 可知，系统无STATCOM 和加装STATCOM 装置但未配备协调控制策略情况下，在1次换相失败16 ms 后，关断角再次降低到0°。STATCOM 配备协调控制策略后，逆变侧关断角上升幅值大于上述2 种情况，在降到0°后，没有再次降低到零，在0.85 s 故障消除后，关断角先快速上升并在0.86 s 后快速下降，相比于无STATCOM 和未配备协调控制的系统，其关断角较大。无附加控制的HVDC 系统逆变侧关断角连续2 次降到0°，发生阀级连续换相失败，而含协调控制的HVDC 系统关断角下降趋势得到抑制，只出现1 次，避免了后续换相失败。

从图11 可知，协调控制根据关断角误差和电压误差动态调整电流内环指令，从而可动态提升STATCOM 发出的无功功率。配备协调控制策略的STATCOM 在交流侧故障时发出的无功功率为340 Mvar，接近于无附加控制下2 倍的无功功率，提供了较好的无功支撑。在故障消除后，协调控制闭锁，电压参考值阶跃下降，造成STATCOM 输出无功特性也出现大幅度变化。

仿真结果表明，配备协调控制策略的STATCOM一方面响应了换流母线电压变化，另一方面也响应了逆变站关断角信号误差，在换相失败期间STATCOM摆脱了与换流站和受端系统的无功交互影响，增发无功功率，阀级换相失败得到抑制，协调控制策略有效性得到了验证。

4.2 不同工况下暂态电压

3 种案例单相接地故障下系统的其他暂态特性如图12 所示。

图12 单相故障下受端系统暂态运行特性Fig.12 Transient operation characteristics of receiving system during single-phase fault

如图12（a），（c）所示，在母线电压降低期间，受端换流站内交直流系统交换的无功功率Q（取换流站流向受端交流系统方向为正）在电压降低时变多，随着STATCOM 发出无功的增大，受端系统换流站所提供的无功支撑也越强，造成受端系统电压在故障期间下降更多。在故障恢复阶段，配备协调控制策略后，换流站送向JY 站无功变小，减小了系统无功功率过剩，其受端电压过电压的程度及恢复状况均有所改善。由图12（d）可知，配备STATCOM 协调控制策略后，JY 站电压在换相失败期间，电压跌落幅度大于未配备，但电压恢复速率明显高于未配备系统。说明STATCOM 协调控制策略的配备，会影响直流换流站受端交流系统的无功盈余量，等额盈余无功在受端系统中的分配情况会有所改变。

图12（b）为受端交流系统发生故障前后直流电流对比图。配置STATCOM 协调控制策略相比于无STATCOM 和STATCOM 未配备协调控制这两种情况，直流电流的变化幅值得到明显抑制，在系统处于故障下的稳定运行点时，采用传统控制模型下的直流电流跌落0 kA（0 p.u.），STATCOM 配备协调控制策略后，换流母线线电压跌落至1.15 kA（约0.23 p.u.），提高了直流系统的功率传输能力，为逆变侧交流系统提供更高的稳定裕度。

图13 为三相故障下受端系统暂态运行特征。

图13 三相故障下受端系统暂态运行特性Fig.13 Transient operation characteristics of receiver system during three-phase fault

由图13（a）可知，未装设STATCOM 和装设STATCOM 采用传统控制时，阀组在故障后的71 ms内共发生4 次阀级换相失败，配备附加控制策略后只发生1 次换相失败，且换相失败的持续时间为60 ms，较其他2 种情况的72 ms 有所降低。由图13（c），（d）可知，配备附加控制策略对电压支撑能力也略高未配备，对于JY 站电压影响较小。虽然STATCOM 在系统故障下发出无功增多，可抑制换相失败，但对于整体电压水平的提升效果有限。

由图13（b）可知，未配备协调控制时直流电流在0.816 s 出现1 次短暂上升，配置STATCOM 协调控制策略前后，直流电流在8.16 s 时并未出现短暂上升，阀级换相失败只发生1 次，且故障清除后直流系统的恢复速度较快。

综上所述，本文提出的关断角信号偏差量的附加控制，既能满足装置本身容量要求，同时改善STATCOM 的输出性能，提高电网电压的支撑能力。

5 结论

本文针对含STATCOM 的背靠背直流系统在不同工况下STATCOM 输出能力不足容易造成后续换相失败问题，给出了STATCOM 不同工况下的输出特性曲线，提出一种STATCOM 与LCC-HVDC 间附加关断角信号偏差量协调控制策略。通过仿真对比分析，验证协调控制策略的有效性，结果表明所提出的控制策略可有效提高STATCOM 的输出性能，更多地补偿故障恢复期间系统的无功缺额，改善直流电流，抑制后续换相失败发生。