交直流混合注入節(jié)點的低壓減載策略

賈樹森，李生虎，鮑正杰

（合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009）

交直流混合注入節(jié)點的低壓減載策略

賈樹森，李生虎，鮑正杰

（合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009）

基于電壓源換流器（VSC）的高壓直流輸電（HVDC）技術改變了電網(wǎng)結構和電壓特性，影響所連交流節(jié)點低壓減載的整定策略。為了保證交直流注入節(jié)點嚴重過載時的暫態(tài)電壓安全，當負荷過載超出VSC定交流電壓調(diào)節(jié)能力時，基于交流側電壓特性，將VSC控制方式從恒PV切換為恒PQ方式，以一定電壓降落為代價，避免VSC因負荷過載而退出運行。當發(fā)生更嚴重過載時，為避免VSC退出運行，結合VSC過流保護，提出快速低壓減載算法，用于保證持續(xù)供電和暫態(tài)電壓安全。仿真結果驗證了所提算法的必要性和正確性。

低壓減載；電壓源換流器；輕型高壓直流輸電；暫態(tài)電壓安全；過載保護

低壓減載和低頻減載是常用的緊急控制電壓和頻率下降的措施[1，2]。當受電區(qū)域電壓下降快于頻率下降時，會發(fā)生低頻減載不動作而電壓崩潰。基于電壓源變流器VSC（voltage source converter）的輕型高壓直流輸電HVDC light（high voltage directcurrent light）技術，有助于頻率和電壓的恢復[3，4]。對含VSC系統(tǒng)，目前低頻減載研究較多，而低壓減載極少。對低壓減載算法實現(xiàn)和控制效果的研究價值如下。

首先，VSC逆變側無論按額定頻率運行還是實時追蹤系統(tǒng)頻率[5～8]，考慮到減載繼電器測量時延和暫態(tài)頻率下降，系統(tǒng)頻率和換流器輸出頻率不穩(wěn)定，影響低頻減載實現(xiàn)。其次，換流閥過流保護和過載保護受發(fā)熱限制[9～11]。過載后應在換流閥達到發(fā)熱上限前減載或轉換控制方式[12]，避免換流器退出運行。當交流側發(fā)生嚴重過載時，PQ控制方式更適合保護負荷，但需要以電壓跌落為代價。在逆變側過載時，擾動前無功補償越大，過載后電壓跌落越明顯。這要求減載過程簡單快速，避免電壓跌落過大。最后，與高壓系統(tǒng)不同，VSC-HVDC向無源網(wǎng)絡供電時，有功負荷變化將引起電壓變化[13]。一旦因VSC越限而失去調(diào)節(jié)作用，逆變器交流側電壓將會下降。對交直流混合注入節(jié)點，電壓對VSC的影響遠大于頻率對其的影響，因此有必要設計低壓減載算法。

本文在交直流系統(tǒng)中考慮電壓安全和閥片過流，提出在VSC逆變側加入低壓減載，維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定。在定交流母線電壓控制達到極限時，切換逆變側控制方式，由PV方式切換為PQ方式，以穩(wěn)定該節(jié)點電壓特性曲線，便于與現(xiàn)有低壓減載繼電器配合。在逆變側發(fā)生輕微過載時，以一定的電壓跌落為代價來維持供電，避免VSC退出運行。當超出VSC輸出能力時，進入低壓減載環(huán)節(jié)。并據(jù)此提出了具體的低壓減載算法。

1 交直流混合節(jié)點低壓減載

1.1 低壓減載與過載保護配合

VSC-HVDC逆變側一般采用定交流電壓控制，即交流側按恒PV方式運行。達到電壓源換流器調(diào)制上限后，換流閥將退出運行，但此時可能并未過流。因此在定交流母線電壓控制達到極限前有必要改變逆變側控制方式，由PV控制方式切換為PQ控制方式，以一定的電壓跌落維持供電，避免VSC退出運行。在PQ方式下為避免電壓下降過多，低壓減載有其應用價值，但是需要研究其啟動判據(jù)，以及與變流器過熱條件和線路電流保護的協(xié)調(diào)配合。

通過連續(xù)潮流計算，得到PV曲線，以及定交流母線電壓控制能力達到上限時的換流器直流電流IV（小于換流閥電流達到上限時的值Imax），作為逆變器控制策略轉換條件。換流器啟動或交流系統(tǒng)短路引起過電流時，實現(xiàn)啟動閉鎖和按電流增長速率閉鎖，即d i/d t

換流器過載保護可避免過流積累熱量燒壞閥片[14，15]。交流過流動作判據(jù)為IGBT中電流有效值越限，并帶有一定時延的換流閉鎖器；或使用積分環(huán)節(jié)累計發(fā)熱條件，當發(fā)熱量超過限度時，閉鎖換流器。負荷過電流和短路過電流，可根據(jù)電流增長速率和增加短延時環(huán)節(jié)予以區(qū)分。

交直流混合節(jié)點電壓降低、電流增大時，若要換流器繼續(xù)運行并滿足閥保護條件，必須躲過交流側三相短路電流，并且小于換流閥允許發(fā)熱上限Qset[16]，從而為低壓減載留出足夠的時間裕度。設發(fā)熱值為Qt，將Qt

1.2 基于在線監(jiān)測的低壓減載

圖1中外部系統(tǒng)等效阻抗和本地負荷阻抗分別為|ZT|＜φT和|ZL|＜φL，等效電源為E＜φE，節(jié)點電壓為V＜φV，負荷電流IL＜φI。當|ZT|=|ZL|時靜態(tài)電壓失穩(wěn)，正常運行時|ZT|＜|ZL|。假設前一時刻母線電壓與負荷電流分別為V0＜φV0和IL0＜φI0，當前時刻母線電壓和負荷電流分別為V1＜φV1和IL1＜φI1。基于本地測量，在線計算戴維南等效阻抗[17，18]為

圖1 交直流注入節(jié)點系統(tǒng)戴維南等效電路Fig.1 Thevenin equivalent circuit in AC/DC system

圖2 切負荷前后瞬間的戴維南等效電路Fig.2 Thevenin equivalent circuitbefore and after load shedding

定義閾值ηset=|ZT/ZL|（0<ηset<1），并假定計算值大于ηset時開始減載。確定最大保留負荷Zres的公式為

為保持功率因數(shù)不變，等比例切除的負荷為

結合VSC控制方式切換和過熱保護，提出的低壓減載算法如圖3所示，其中I為流過換流站電流，Q和Qset為換流閥累計發(fā)熱量及其上限；Us和Uset為換流站交流母線電壓及其下限值；k為減載次數(shù)。完成第一次減載后，若交流電壓仍不能穩(wěn)定，減小ηset值繼續(xù)減載，直到交流電壓穩(wěn)定。首輪減載加短時延（0.2 s），以躲過母線短路。切換VSC控制方式時，躲開交流側短路時直流電流Ids，即IV＜I＜Ids。

圖3 低壓減載算法流程Fig.3 Flow chartof undervoltage load shedding

2 算例分析

算例采用WSCC系統(tǒng)，如圖4所示。整流側（REC）采用定直流電壓和定無功功率控制，逆變側（INV）采用定交流母線電壓控制。換流站額定功率75MVA，直流線路額定電壓110 kV，A、B、C為負荷節(jié)點。令節(jié)點8為交流側過載點。從啟動到穩(wěn)定運行，交流母線電壓如圖5所示。整流側電壓穩(wěn)定值為1.15 p.u.，逆變側電壓穩(wěn)定值為1.0 p.u.。

圖4 WSCC系統(tǒng)Fig.4 WSCC system

圖5 VSC啟動過程中的節(jié)點電壓趨勢Fig.5 Voltage responsewith VSC start-up

令節(jié)點8處的負荷等比例增加，每遞增18%計算1次，當調(diào)制度M達到1時停止計算，結果見表1，表1中數(shù)據(jù)均為標么值。當逆變側調(diào)制度達到極限時，直流電流Id并未越界，該值作為控制方式切換時的電流參考值IV。

表1 調(diào)制度和直流電流隨負荷增長變化Tab.1 Changeof M and Idw ith load increase

較輕過載時的仿真條件1：節(jié)點8有功無功增大1倍，該節(jié)點未發(fā)生過載，但卻超過了定交流母線電壓控制的電流上限，即I＞IV。VSC將同時轉為定無功功率控制。仿真結果如圖6和圖7所示，注入電流增大，穩(wěn)態(tài)電壓略有下降，此時未發(fā)生減負荷，VSC接近滿額定功率輸出。

圖6 條件1下節(jié)點8的電壓Fig.6 Voltage atbus8 under condition 1

較重過載時的仿真條件2：節(jié)點8有功無功負荷增大1.5倍，該節(jié)點發(fā)生過載，電壓不能維持，達到切換條件I＞IV，控制方式切換為定無功控制，并啟動低壓減載（注入無功Qsref=0.15 p.u.）。節(jié)點電壓和VSC注入交流母線電流有效值如圖8和圖9所示。當負荷激增時，交流節(jié)點電壓下降，VSC注入電流上升，低壓減載啟動。減載量與ηset值有關。設定ηset=0.6，減載85MVA，隨后電壓開始回升，注入電流減小。當電壓值恢復到一定值后，重新切換為定交流母線電壓控制，經(jīng)過一段時間電壓、電流相對穩(wěn)定。電流和電壓重新穩(wěn)定后，VSC注入節(jié)點的功率有所增加。

圖7 條件1下VSC注入節(jié)點8的電流Fig.7 Current injected to bus8 from VSC under condition 1

圖8 條件2下節(jié)點8的電壓Fig.8 Voltageatbus8 under condition 2

圖9 條件2下VSC注入節(jié)點8的電流Fig.9 Current injected to bus8 from VSC under condition 2

3 結論

（1）隨著負荷增加，當交流側輕微過載，超出VSC定交流母線電壓調(diào)節(jié)能力時，由PV控制方式切換為PQ控制方式，并允許少量電壓跌落，可以避免VSC退出運行。

（2）當交流側發(fā)生嚴重過載時，為避免VSC退出運行，結合交流側低壓減載與VSC過載保護，減載后節(jié)點電壓可以恢復到額定值。

[1]林舜江，李欣然，劉楊華（Lin Shunjiang，Li Xinran，Liu Yanghua）.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及負荷對其影響研究現(xiàn)狀（Present investigation of voltage stability and composite load’s influenceon it）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedingsof the CSU-EPSA），2008，20（1）：66-74.

[2]余貽鑫，楊濤，劉輝（Yu Yixin，Yang Tao，Liu Hui）.一種暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制策略篩選法（Filteringmethod for transient stability emergency control strategy）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（5）：1-4，88.

[3]李生虎，賈樹森，孫莎莎（LiShenghu，Jia Shusen，Sun Shasha）.交直流系統(tǒng)中低頻減載與負荷恢復的靜態(tài)優(yōu)化算法（A static optimization algorithm ofunderfrequency load shedding and load recovery for AC/DC power systems）[J].電網(wǎng)技術（Power System Technology），2011，35（7）：71-75.

[4]Du Cuiqing，Agneholm Evert.Investigation of frequency/ AC voltage control for inverter station of VSC-HVDC[C]// IEEE Industrial Electronics Conference.Paris，F(xiàn)rance：2006.

[5]張靜（Zhang Jing）.VSC-HVDC控制策略研究（On Control Strategies for VSC-HVDC）[D].杭州：浙江大學電氣工程學院（Hangzhou：College of Electrical Engineering，Zhejiang University），2009.

[6]Du Cuiqing，Agneholm Evert，Olsson Gustaf.Use of VSCHVDC for industrialsystemshaving onsite generationwith frequency control[J].IEEE Trans on Power Delivery，2008，23（4）：2233-2240.

[7]Du Cuiqing，Agneholm Evert，Olsson Gustaf.Comparison of different frequency controllers for a VSC-HVDC supplied system[J].IEEE Trans on Power Delivery，2008，23（4）：2224-2232.

[8]郭進龍（Guo Jinlong）.新型高壓直流輸電系統(tǒng)中頻率控制問題研究（Research on the Frequency Control Problem of VSC-HVDCSystem）[D].南京：東南大學自動化學院（Nanjing：School of Automation，Southeast University），2008.

[9]Liu Hongtao，Xu Zheng，Huang Ying.Study of protection strategy for VSC based HVDC system[C]//IEEE Transmission and Distribution Conference.Dallas，USA：2003.

[10]Candelaria J，Jae-Do P.VSC-HVDC system protection：a review of currentmethods[C]//IEEEPower Systems Conference and Exposition.Phoenix，USA：2011.

[11]汪洪亮，岳秀梅，裴雪軍，等（Wang Hongliang，Yue Xiumei，PeiXuejun，etal）.組合式三相逆變器軟硬件限流保護策略（A hardwareand software current limitprotection strategy for the combined three-phase inverter）[J].電工技術學報（TransactionsofChina Electrotechnical Society），2008，23（9）：92-97.

[12]莫琦，張堯，武志剛，等（Mo Qi，Zhang Yao，Wu Zhigang，etal）.交直流互聯(lián)系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題仿真分析（Simulation and analysis on transient voltage stability of AC/DC hybrid system）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（6）：87-90，95.

[13]趙成勇，馬國鵬，李廣凱（Zhao Chengyong，Ma Guopeng，LiGuangkai）.向無源網(wǎng)絡供電的VSC-HVDC調(diào)節(jié)特性研究（Research on characteristicsof regulation of VSCHVDC supplying power to passive network）[J].華北電力大學學報（Journalof North China Electric Power University），2008，35（6）：39-43.

[14]羅湘，湯廣福，溫家良，等（Luo Xiang，Tang Guangfu，Wen Jialiang，etal）.電壓源換流器高壓直流輸電裝置中IGBT的過電流失效機制（Over-current failuremechanism of IGBTwithin voltage source converter based high voltage direct current）[J].中國電機工程學報（Proceedingsof the CSEE），2009，29（33）：1-7.

[15]解婷，查鯤鵬，湯廣福，等（Xie Ting，Zha Kunpeng，Tang Guangfu，etal）.過電流導致的HVDC換流閥失效機制研究（Study on failuremechanism of HVDC valves caused by overcurrent in UHVDC power transmission devices）[J].電網(wǎng)技術（Power System Technology），2010，34（10）：71-75.

[16]楊杰，鄭健超，湯廣福，等（Yang Jie，Zheng Jianchao，TangGuangfu，etal）.電壓源換相HVDC站內(nèi)交流母線故障特性及保護配合（Internal ACbus fault characteristics of VSC-HVDC system and protection coordination）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2010，30（16）：6-11.

[17]余文杰，方勇杰（YuWenjie，F(xiàn)ang Yongjie）.一種基于SMARTDevice的低壓切負荷算法（An undervoltage load sheddingmethod based on SMARTDevice）[J].電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2006，30（21）：57-60.

[18]李來福，柳進，于繼來，等（Li Laifu，Liu Jin，Yu Jilai，et al）.節(jié)點戴維南等值參數(shù)在線跟蹤簡捷算法（A simple and directmethod ofon-line tracking Thevenin equivalent parameters of load node）[J].中國電機工程學報（Proceedingsof the CSEE），2006，26（10）：40-44.

Undervoltage Load Shedding Strategy of Hybrid AC/DC

JIA Shu-sen，LISheng-hu，BAOZheng-jie
（SchoolofElectricalEngineeringand Automation，HefeiUniversity of Technology，Hefei230009，China）

High voltage direct current（HVDC）transmission based on voltage-source-converter（VSC）changes configuration and voltage characteristicsofpower system，leading to new undervoltage load shedding strategy for the adjacentAC buses.Tomaintain the transientvoltage security at the AC bus，when the constantvoltage controlobject is violated by the load surge，the control strategy is converted from constant PV to constant PQ.With the expense of small voltage drop，the VSC outage is avoided.When the VSC is suffered from more severe load surge，to avoid itswithdraw from continuous operation，the fastundervoltage load shedding strategy integrated with the over-current protection of the valves is proposed，thus tomaintain the power supply and the transientvoltage security.Numerical results are provided to validate the necessity and correctnessof the proposed algorithm.

undervoltage load shedding；voltage source converter；HVDC light；transientvoltage security；overload protection

TM712

A

1003-8930（2013）05-0045-05

賈樹森（1986—），男，碩士研究生，研究方向為交直流系統(tǒng)運行和控制。Email：jiasen105@163.com

2012-05-03；

2012-06-03

國家自然科學基金項目（51277049）

李生虎（1974—），男，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)可靠性、風電系統(tǒng)穩(wěn)定性、柔性輸電技術。Email：shenghuli@hfut. edu.cn

鮑正杰（1990—），男，碩士研究生，研究方向為交直流系統(tǒng)運行和控制。Email：bzj15403@163.com