直流闭锁后系统暂态稳定紧急协同控制策略研究_胡加伟.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220630 直流闭锁后系统暂态稳定紧急协同控制策略研究 胡加伟，王 彤，王增平(新能源电力系统国家重点实验室华(华北电力大学)，北京 102206)摘要：交流故障引发的电网换相换流器型高压直流输电在短时间内多次换相失败将导致直流闭锁，严重威胁故障后系统的安全稳定运行。提出了考虑直流闭锁过程的多直流功率支援和送端切机的紧急协同控制策略，以保障故障后系统的暂态稳定。首先，基于相轨迹首摆过程中斜率变化特性，定义了紧急控制投入判据，并推导出所需控制量与控制投入时刻、系统惯性等参数的解析表达式。其次，建立了可提供控制量与直流参与功率支援条数和送端切机台数的数学关系，并基于故障后稳定平衡点变化特性，确定了直流参与功率支援顺序以及送端切机顺序。最后，搭建了改进的 IEEE 68 节点交直流混联系统机电-电磁混合仿真模型，验证了所提策略的正确性和有效性。关键词：换相失败；直流闭锁；多直流功率支援；送端切机；协同控制策略 Collaborative emergency control strategy of system transient stability after DC blocking HU Jiawei,WANG Tong,WANG Zengping(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University),Beijing 102206,China)Abstract:Continuous commutation failures of line-commutated converter-high voltage direct current(LCC-HVDC)caused by AC faults over a short period will lead to DC blocking,which seriously threatens the safe and stable operation of the post-fault power system.A collaborative emergency control strategy of multi-DC power support and generator-tripping at the sending-end,one which considers the DC blocking process,is presented to ensure the transient stability of the post-fault power system.First,a control enabling criterion is defined based on the variation characteristics of phase trajectory slope during the first swing.Then the analytical equation between needed control quantity,control enabling time and system inertia is derived.Second,the mathematical relations between the supplied control quantity and the number of DC lines participating in power support and generators participating in generator-tripping at the sending-end are deduced.The participation sequence and generator-tripping sequence are determined on the basis of the variation characteristics of the post-fault stable equilibrium points.Finally,an electromechanical-electromagnetic simulation model of the improved IEEE 68-bus AC/DC hybrid power system is employed to verify the correctness and effectiveness of the proposed collaborative emergency control strategy.This work is supported by the Integration Project of National Natural Science Foundation of China(No.u22B6006).Key words:commutation failure;DC blocking;multi-DC power support;generator-tripping at sending-end;collaborative control strategy 0 引言 我国能源基地与负荷中心逆向分布，并随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，如何解决区域电力发展不平衡，促进新能源消纳，已成为一项举足轻重的任务1-2。直流输电技术凭借其远距离、大容量、基金项目：国家自然科学基金集成项目资助(U22B6006)；国家电网公司总部科技项目资助(5100-202199530A-0-5-ZN)低损耗等特点，已在我国电力传输领域获得了广泛应用3-4。截至 2021 年 6 月，我国已建成并投运 17条特高压直流输电线路，形成了全世界规模最大、电压等级最高的交直流混联电网5-6。由交流故障引发的直流换相失败无法避免，且在短时间内连续换相失败将进一步导致直流闭锁，严重威胁到故障后系统的安全稳定运行7-8。因此研究直流闭锁后暂态稳定紧急控制策略具有重要意义。交直流混联系统可采取的暂态稳定紧急控制措-44-电力系统保护与控制 施主要有两类：1)直流紧急功率支援9-11；2)切机12-14。在直流紧急功率支援方面，文献9-11分别将距离闭锁直流整流站与逆变站电气距离最近的机组、直流闭锁后最先失去稳定的机组以及闭锁直流后累积暂态能量最高的机组定义为关键机组，并基于不同健全直流参与功率支援后关键机组的响应情况建立了直流支援顺序，最后选取优先级最高的一条直流参与功率支援，且文献11所提直流支援顺序表在故障后可动态更新。但由于上述文献并未建立故障后系统所需紧急控制量与直流参与功率支援条数的数学关系，无法为计及直流从换相失败到闭锁动态过程的控制方案提供依据。在切机方面，文献12基于系统故障期间累积的加速能量，建立了故障后系统所需切机量与加速能量的数学关系，并计及了紧急控制投入时刻的影响。文献13通过分析故障后系统相轨迹斜率变化特性，建立了系统所需控制量与相轨迹斜率变化特性的数学关系，实现了切机控制。然而，文献12-13中未考虑实际切机后系统惯量、阻尼等相关参数变化的影响，可能造成控制方案过于保守。文献14从能量的角度出发，建立了故障后系统的暂态能量函数，得到了暂态稳定裕度，确定了故障后所需切机量，而由于所需控制量与紧急控制投入时刻有关，可能造成所制定的切机方案无法保障故障后系统安全。在交直流混联系统中，连锁故障15或重合闸于永久性故障16等交流故障将导致直流连续换相失败甚至闭锁。随着直流换相失败到闭锁过程的故障严重程度增大，为降低紧急控制代价，提高经济效益，故障后系统可协同健全直流参与功率支援与送端切机，以确保其暂态功角的稳定性，目前关于计及直流闭锁过程的暂态稳定紧急协同控制策略鲜有文献报道。因此，本文针对含多直流的交直流混联系统，提出了计及直流闭锁过程的紧急协同控制策略。首先基于相轨迹首摆过程中斜率变化特性，建立了紧急控制投入判据和所需控制量与系统实时状态的解析表达式；其次推导了可提供控制量与健全直流参与功率支援条数和送端切机台数的数学关系，并基于故障后稳定平衡点变化特性，确定了直流参与功率支援顺序以及送端切机顺序，从而形成了候选紧急控制方案；最后搭建了改进的 IEEE 68 节点交直流混联系统机电-电磁混合仿真模型，通过仿真验证了所提协同控制策略的正确性和有效性。1 紧急控制理论推导 1.1 紧急控制投入判据 对于单机无穷大系统，考虑阻尼效应的同步发电机的动态特性如式(1)表示。me=MPPD=|-|?(1)式中：mP为机械输入功率；eP为电磁输出功率；M为惯性系数；?为相对功角的导数；?为相对角速度的导数；D 为阻尼系数。对于由功角和相对角速度构成的相平面轨迹，其轨迹斜率可以写成式(2)13。metdd/ddd/dPPDtktM-=(2)进一步，对于故障后稳定系统满足式(3)。batbaadk=-=-(3)式中：a和a分别为故障后任一时刻的功角和相对角速度；b和b为故障后首摆最大功角和角速度。对于故障后稳定系统，b0=。若采用常数ck代替式(3)中变化的tk，可得 baccbaaacbad()kkk=-=-|=-|(4)图 1 分别给出了在故障后系统处于稳定与不稳定场景下，首摆过程中相轨迹斜率tk与常数ck变化特性曲线。定义tckk=-，由图 1 可知，在首摆过程中，若故障后系统处于稳定状态，将逐渐减小；而处于不稳定状态时，将先减小后增大。图 1 相轨迹斜率变化特性 Fig.1 Variation characteristics of phase trajectory slope 基于首摆过程中tk与ck的变化特性曲线，定义暂态稳定紧急控制的投入判据如式(5)所示。d0 for 5dTt.(5)式中，e1/Tf=，其中e50 Hzf=，为系统频率。1.2 紧急控制量 当满足式(5)时，需要采取紧急控制措施保障故障后系统的暂态功角稳定。基于式(2)和式(3)可知，采取紧急控制后电磁功率enP应满足：胡加伟，等 直流闭锁后系统暂态稳定紧急协同控制策略研究 -45-bbbaaamentadddttPPDktMM-=-=-(6)式中，abtt和分别为ab和对应时刻。为降低紧急控制的保守性，将采取紧急控制措施后系统网络拓扑的不稳定平衡点u代替b17，此时enu()0P=。假设ena()Pt到enu()Pt线性变化，可得()enauauam2()DPMttPM=-+|(7)进一步，根据的变化特性，采用三角函数进行拟合可得 uaaauaua1sin d2()ttttttt(-)-=-|-(8)可得 uauaa()(2)tt-=-(9)综合式(7)和式(9)可得故障后系统所需控制量anP应满足：uaaaanenemeua()2(2)DMMPPPPP-|=-=+-(-)(10)式中，a和a此时分别代表采取紧急控制时系统的相对功角和相对角速度。2 暂态稳定紧急协同控制策略 交直流混联系统中连锁故障或重合闸于永久性故障等交流故障将引发直流连续换相失败，进而导致直流闭锁，严重威胁到故障后系统的安全稳定运行。实际工程换相失败计数策略如图2所示，若直流在短时间内连续换相失败3次，则将被闭锁18。图 2 直流换相失败计数策略 Fig.2 Counting strategy of commutation failure 直流闭锁后，若故障后系统满足式(5)，紧急控制将被投入。根据从直流连续换相失败到闭锁过程的故障严重程度不同，故障后紧急控制采取的控制措施也将有所