并联型多端直流输电系统的控制策略与故障特征_徐政

高电压技术　第３９卷第１１期２０１３年１１月３０日Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　３０，２０１３并联型多端直流输电系统的控制策略与故障特征徐　政１，胡永瑞１，傅　闯２（１．浙江大学电气工程学院，杭州３１００２７；２．南方电网科学研究院，广州５１００８０）摘　要：为适应并联型多端直流输电系统更灵活、更精准的电压、电流控制要求，对其控制保护策略进行了研究，提出了一种适用于并联型多端直流输电系统的控制策略和一种直流线路短路故障下不依赖直流断路器的故障清除策略，并研究了交流系统短路故障时多端直流系统与２端直流输电系统的不同特征。

对一个并联型４端双极直流输电系统进行仿真分析，结果显示所提出的控制策略可行、有效，控制模式切换不会引起系统明显扰动，且在直流线路短路故障时可摆脱对直流断路器的依赖。

相比２端系统，多端系统逆变站交流侧短路故障对系统的冲击更严重。

关键词：多端直流输电；控制策略；控制模式切换；直流线路短路故障；换相失败；ＰＳＣＡＤＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－６５２０．２０１３．１１．０２１文章编号：１００３－６５２０（２０１３）１１－２７２１－０９Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　Ｆａｕｌｔ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　ＭＴＤＣ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ＳｙｓｔｅｍｓＸＵ　Ｚｈｅｎｇ１，ＨＵ　Ｙｏｎｇｒｕｉ　１，ＦＵ　Ｃｈｕａｎｇ２（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｆｕｌｆｉｌｌ　ｔｈｅ　ｇｒｏｗｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－ｔｅｒｍｉｎａｌ　ＤＣ（ＭＴＤＣ）ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｆ　ＭＴＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａ　ｎｅｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ｐａｒａｌｌｅｌ－ＭＴＤＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｗｅ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒ　ｃｌｅａｒｉｎｇ　ＤＣ　ｌｉｎｅ　ｆａｕｌｔ　ｉｎ　ＭＴＤＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｎｏｔ　ｒｅｌｙｉｎｇ　ｏｎ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｆａｕｌｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＭＴＤＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｕｎｄｅｒ　ＡＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆａｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｗｏ－ｔｅｒｍｉｎａｌ　ＤＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｗｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｂｉｐｏｌａｒ　ＭＴＤＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　４ｔｅｒｍｉｎａｌｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ａｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｌｅ，ａｎｄ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ　ｂｅｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｓ，ｓｈｏｗｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｕｎｄｅｒ　ＤＣ　ｆａｕｌｔｓ　ｎｅｅｄｓ　ｎｏ　ＤＣ　ｂｒｅａｋｅｒ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｓｈｏｗｎｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｗｏ－ｔｅｒｍｉｎａｌ　ＤＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅ　ｓｈｏｃｋ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ＡＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆａｕｌｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓｉｄｅ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｓｅｖｅｒｅ　ｆｏｒ　ＭＴＤＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＴＤＣ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｃｏｎｔｒｏｌ－ｍｏｄｅ　ｃｈａｎｇｅ；ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆａｕｌｔ　ｏｆ　ＤＣ　ｌｉｎｅ；ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ；ＰＳＣＡＤ０　引言多端直流输电（ＭＴＤＣ）系统与传统的２端直流系统相比包含多个送端或受端，运行更灵活；它连接至少３个交流系统，在单站或单极故障时可转移负荷，降低停电事故发生的机率［１－８］。

目前的技术水平下，高压直流断路器还无法在实际工程中大面积使用，因此在建或投运的ＭＴＤＣ系统都采用并联型结构，即基于２端直流输电技术的ＭＴＤＣ系统［６］。

其控制策略可看作２端系统控制策略的延伸，并可通过合理设计其控制保护系统的动作逻辑来消除直流线路故障，摆脱ＭＴＤＣ系统对直流断路器的依赖。

控制系统设计方面，基于ＥＭＴＤＣ建模的传统２端直流控制系统的控制末端往往选择ＰＩ控制器来控制换流器的触发角，其参数值会受系统稳定运行域限制［９－１１］，对于ＭＴＤＣ系统，随着端数的增多，参数配合的难度也将随之增大。

同时对控制方式精准多样的配合也提出了更高的要求。

２端系统中，整流站控制系统通常配备含最小触发角限制和低压限流的定电流（ＣＣ）或定功率（ＣＰ）控制，用来控制稳态直流电流；逆变站控制系统同时配备定电压（ＣＶ）或定关断角（ＣＥＡ）控制和含低压限流的定电流或定功率控制（后备控制），用来控制稳态直流电压。

对于逆变站控制器，其配合方式通常有如下３种：一种是引入电流裕度，将逆变站ＣＣ控制器整定值设成比整流站小一个裕度，这样稳态下逆变站ＣＣ控制器触发越前角（β）的整定值输出下限值，与ＣＶ或ＣＥＡ控制器的输出值经过ＰＩ控制器后取较大值即可，这种配合方式原理简单，ＣＩＧＲＥＨＶＤＣ　Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ模型（以下简称Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ）就是采用这种配合方式［１２－１６］；第２种配合方式中逆变站１２７２配备ＣＣ、ＣＶ和ＣＥＡ　３种控制器，并依次制约：ＣＥＡ控制器输出的β值为ＣＶ控制器的输出下限，ＣＶ控制器输出的β值为ＣＣ控制器的输出下限，ＣＣ控制器自设定输出下限［１７－２０］；最后一种配合方式同样配备上述３种控制器，运行中取ＣＶ、ＣＣ　２个控制器的输出整定值与运行值相差较大者输入ＰＩ控制器（对应整流站则取差值较小者，以避免控制器切换时出现控制死区或使系统产生扰动），并根据ＣＥＡ的整定值和系统当前运行工况计算出需要的β值作为ＰＩ控制器的输出下限［２１－２３］。

图１　测试系统拓扑结构Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ同时，ＭＴＤＣ系统应具备灵活、稳定的控制、运行特性，主要体现在：并联型ＭＴＤＣ系统控制直流电压的换流站可根据需要任意选取、切换，且该站对电压的控制模式可在ＣＥＡ和ＣＶ模式间根据要求任意切换；各换流站对电流的控制模式可在ＣＰ和ＣＣ模式间根据要求任意切换；切换过程产生的扰动要足够小；必要时可在停运任何一个换流站的同时不甩负荷。

鉴于目前国内外已投运的多端直流输电工程均为并联型结构，本文搭建并联型多端直流输电系统进行研究和分析更便于与实际工程对比。

１　测试系统结构本文搭建了图１所示的并联型４端双极系统作为测试系统，包括２个整流站和２个逆变站，各换流器均为１２脉动结构。

为了使测试系统在工程上更具代表性和典型性，系统的相关参数都参考了已实际投运的２端直流系统。

其中整流站２和逆变站２的主回路、平波电抗器、交直流滤波器和交流系统等参数参考天广直流输电工程，整流站１和逆变站１的相应参数参考溪洛渡直流输电工程。

系统额定直流电压为±５００ｋＶ，整流站２和逆变站２的额定直流电流和单极直流额定功率分别为１．８ｋＡ和９００ＭＷ，整流站１和逆变站１对应的额定值分别为３．２ｋＡ和１　６００ＭＷ。

２　多端直流输电系统的控制保护策略及故障特征２．１　稳态控制策略并联型多端直流输电控制系统通过选取某一个换流站控制系统的直流电压（为减小无功消耗，通常选为容量较大的逆变站），其余换流站控制本站输出（或输入）的直流电流来达到按预定计划分配功率的目的。

目前传统的３种２端直流输电控制策略在电压控制方面均无法做到灵活切换ＣＶ／ＣＥＡ控制方式，而在多端直流输电系统中还涉及电压控制站切换等问题，对控制系统提出了更高要求。

本文提出的控制策略是对Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ控制策略的改进，适用于多端直流输电控制系统。

其控制结构如图２～图５所示。

图中各模式选择信号均用１和０来表示。

具体来说，“电压控制站选择信号”用‘０’表示逆变站２控制系统电压，‘１’表示逆变站１控制系统电压；“Ｐ／Ｉ模式控制信号”用‘０’表示ＣＣ控制，用‘１’表示ＣＰ控制；“压控方式选择信号”用‘０’表示ＣＥＡ控制：‘１’表示ＣＶ控制。

图２中，“Ｐ－Ｉ转换”模块默认以ＣＣ模式启动，进入稳态后根据“Ｐ／Ｉ模式控制信号”值确定转入ＣＰ模式运行或继续维持ＣＣ模式运行。

其中Ｐｄｏ－ｉｎｖ和Ｉｄｏ－ｉｎｖ分别为逆变站ＣＰ模式和ＣＣ模式下直流功率和直流电流整定值；Ｕｄ－ｉｎｖ和Ｉｄ－ｉｎｖ为逆变站运行中实时直流电压和电流值；βｉｎｖ－Ｉ为ＣＣ／ＣＰ模式下触发越２２７２高电压技术　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１３，３９（１１）图２　逆变站定电流控制器的控制结构Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ前角β的整定值。

为防止故障时电压过低，ＣＰ模块输出的电流整定值过大，模块设置ＣＰ模式下输出的直流电流整定值上限为ＣＣ模式下的１．１倍。

此外，并联型ＭＴＤＣ系统中逆变站稳态下也可能控制直流电流，这与传统的２端直流输电系统不同，因此电流裕度ΔＩ要根据该站是否控制系统的直流电压来确定添加与否，之后再将直流电流整定值与实测值的差值输入ＰＩ控制器，选择适当的ＰＩ参数来实现电流控制。

图３所示的是ＣＥＡ控制的控制结构，与Ｂｅｎｃｈ－ｍａｒｋ中该部分的控制策略相同。

图中γｉｎｖ和γｏ－ｉｎｖ分别为逆变站关断角实际运行值和整定值，βｉｎｖ－γ为ＣＥＡ模式下触发越前角β的整定值。

图４所示的ＣＶ控制引入电压裕度ΔＵ，Ｕｄ－ｉｎｖ和Ｕｄｏ－ｉｎｖ分别为逆变站直流电压的实际运行值和ＣＶ模式下的整定值；βｉｎｖ－Ｕ为ＣＶ模式下触发越前角β的整定值。