特高壓多端混合直流輸電系統閥組故障退出控制方法

陳銳，劉靜佳，董華梁，曾杰，張弛

(1. 南方電網電力科技股份有限公司，廣州510680；2. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京100085)

0 引言

送端為常規換流站、受端為柔直換流站、采用雙極雙閥組拓撲結構的特高壓多端混合直流輸電系統[1 - 3]，將常規直流換流站和柔性直流換流站并聯，實現二者的優勢互補[4 - 6]，尤其是可避免換相失敗，并為電網提供動態無功支持；且雙閥組串聯結構可以實現第二個閥組的投退，運行方式更靈活，單一閥組故障對系統的運行影響更小[7 - 8]。

目前兩個閥組串聯僅用于特高壓常規直流輸電工程中，無特高壓柔直應用先例，更無特高壓多端混合直流輸電工程的應用先例。因此特高壓多端混合直流輸電系統在工程實施時，勢必面臨一系列嶄新的技術問題，而某一閥組故障退出的隔離控制方法即是其中之一。

特高壓直流輸電工程肩負著大容量的電能輸送任務，任一閥組的故障、隔離、檢修，都不希望影響與其相連的正常閥組的功率輸送。因此，需要研究適用于特高壓多端混合直流輸電工程的閥組故障退出控制方法，保證在任一閥組故障后，對系統的影響最小。

目前針對特高壓混合多端直流輸電工程的研究較少，且大多集中在拓撲結構、控制策略等方面，偶有閥組的計劃投退控制研究[9 - 16]，尚無專門針對特高壓多端混合直流系統閥組故障退出控制策略。因此，亟須研究適用于特高壓多端混合直流輸電系統的閥組故障退出控制方法，保證閥組故障后控制系統快速反應，平穩進入新的運行模式，避免大量功率傳輸中斷，為工程建設提供一定的借鑒。

針對目前研究現狀，本文提出一種適用于特高壓多端混合直流輸電系統的閥組故障退出控制方法，并在其RTDS硬件閉環測試平臺上驗證了該控制方法的有效性及可行性。

1 柔性直流閥組基本控制策略介紹

一種典型的特高壓多端混合直流輸電系統主回路結構如圖1所示，其中送端采用傳統LCC型換流站，兩個受端采用柔直換流站，其橋臂為混合型模塊化多電平換流器(MMC)結構(每個橋臂由全橋模塊和半橋模塊串聯構成)，在滿足控制功能的同時，又能兼顧經濟性[7]。

圖1 特高壓三端混合直流輸電工程系統結構圖Fig.1 Chart of three-terminal hybrid UHVDC system

該混合橋結構中的半橋型MMC模塊端口電壓Udc與模塊電容電壓Uc存在固定的比例關系Udc=mUc(m為半橋模塊數)；全橋型MMC模塊Udc=knUc(k為直流調制系數，且0≤k≤1；n為全橋模塊數)， 通過改變系統k，保證Udc不隨Uc變化，模塊端口電壓與子模塊電容電壓解耦，完全實現二者的獨立控制[16 - 17]。

兩個受端換流站的混合橋結構中，全橋模塊占70%，閥具有輸出負向電壓的能力，這為柔性直流閥組故障隔離時需要的零電壓大電流運行提供了基礎[7,18 - 20]。

圖1所示特高壓三端混合直流輸電系統有多種運行方式，基于我國產用不均的現狀，一送二的運行方式更為常用。在此運行方式下，容量較大的柔直換流站控制直流電壓其余兩站控制直流功率的控制方法更利于維持系統穩定[13,21 - 22]。本文基于該運行方式及控制模式，研究閥組故障后的退出控制策略。

2 閥組故障退出后運行分析及控制策略

2.1 特高壓三端混合直流輸電系統閥組故障分析

三端混合直流輸電系統中，閥組故障分為常規換流站閥組故障和柔直換流站閥組故障兩大類。

2.1.1 常規換流站閥組故障運行分析

常規換流站的某一閥組故障后，觸發其相應保護動作，立即閉鎖故障閥組，將導致直流電壓和直流電流降低，為維持直流電流，與之串聯的另一個閥組降低觸發角至最小值；因直流電流實際值小于指令值，控直流電壓的柔性直流換流站將迅速切換至定直流電流模式，直流電壓下降至原來的一半，最終柔直站雙閥組半壓運行，而閥組半壓運行并非工程的正常運行狀態。

2.1.2 柔直換流站閥組故障運行分析

柔直換流站的某一閥組故障后，觸發其相應保護動作，立即閉鎖故障閥組，此時直流線路中儲存的能量繼續涌向該故障換流站，導致閥組子模塊電容電壓立即上升；送端輸出功率全部流入無故障的柔直換流站，迫使無故障柔直站的直流電壓迅速上升，出現過壓風險，可能導致閥組一次設備損壞。

由此可見，如果無對應的閥組故障退出控制，三個站的任何一個閥組故障后，都將進入到不正常運行工況中，因此必須采取協調控制措施，以保證系統繼續運行。

2.2 特高壓三端混合直流輸電系統閥組故障控制

2.2.1 常規換流站閥組故障后控制

為避免出現上述雙閥組、半壓運行的非正常運行狀態，本文提出如下控制策略：利用站間通信在常規換流站閥組故障閉鎖后，迅速通知其余受端換流站，按閥組計劃退出策略退出對應閥組[23]，使各站閥組同步隔離，以降低輸送功率的代價換取系統持續穩定運行。例如常規換流站高閥組故障，具體控制過程如下。

1)送端站高閥組發生故障，相應保護動作觸發閉鎖流程，閉合旁路開關(bypass switch,BPS)、隔離高閥組；

2)送端站低閥組移相至逆變狀態，以降低故障電流，待高閥組BPS閉合后，切換回正?？刂?；

3)兩個受端站收到送端站高閥組的故障閉鎖信號，迅速降低高閥組直流調制系數k，調節高閥組直流電壓至0；待其直流電壓為0后，閉合旁路開關BPS；待收到BPS合位狀態后閉鎖，進入三站單閥組運行狀態。

當站間通信中斷時，送端站故障閥組閉鎖，BPS閉合后，直流電壓將降低一半，兩個受端站可根據半壓、雙閥組運行狀態，自行切除其中一個閥組，使系統進入三站單閥組運行模式。

圖2 RTDS閉環試驗平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of RTDS closed-loop test platform

2.2.2 柔直換流站閥組故障后控制

為避免柔直換流站閥組故障后受端換流站直流過壓，控制系統應在故障后迅速降低送端功率，降低受端過壓程度?；诖?，本文提出如下控制策略：受端站閥組故障后，送端站立即增大觸發角至90 °～180 °，運行在逆變狀態，以迅速降低輸送功率，并泄放掉直流線路中的能量，保護一次設備；待線路上直流電壓、直流電流降低后，各站的故障對應閥組退出，三站轉單閥組運行狀態，將功率損失減小到最小。柔直站高閥組故障的控制過程如下。

1)受端2站高閥組發生故障，立即閉鎖；

2)通知本站低閥組閉鎖，以防止低閥組模塊過壓；

3)送端站收到受端2站高閥組故障閉鎖信號后，高、低閥組均移相至逆變狀態；待直流電流降至0后，高閥組合BPS、低閥組保持逆變狀態；閉合高閥組BPS后，高閥組閉鎖、低閥組恢復正?？刂?；

4)受端2站確認送端站移相后，高閥組開關BPS、隔離故障閥組；待高閥組BPS閉合后，受端2站低閥組重新解鎖，恢復正?？刂?；

5)受端1站高閥組確認送端站移相后立即調節直流調制系數k，將直流電壓降至0，合旁路開關BPS后閉鎖；受端1站低閥組維持正常運行。

當站間通信中斷時，故障后無法通知其他站閉鎖配合，可同時閉鎖本站另一閥組以隔離故障，使故障站退出運行，系統進入兩站雙閥組運行模式。

3 試驗驗證

為驗證本文提出的特高壓多端混合直流輸電系統閥組故障退出控制方法的正確性，本文在特高壓三端混合直流輸電系統的RTDS硬件閉環測試平臺上，測試所提方法的控制效果。圖2為RTDS硬件閉環測試平臺的系統示意圖。

圖2中左側為控制保護裝置，右側為RTDS仿真設備。其中，控制保護裝置包括監控層、雙極控層、極控層、閥組層，各裝置全部采用高性能多核DSP+大容量FPGA集成技術，可對特高壓多端系統所需的大量信號進行高速、高精度的處理；RTDS仿真設備實現圖1所示主回路模型，接收來自控制保護裝置的控制指令，快速完成一次回路的模擬計算，并將實時變量輸出至控制保護裝置和錄波裝置，其中一次回路參數如表1所示。

表1 RTDS測試平臺參數Tab.1 Parameter of RTDS test platform

本文在上述測試平臺上，分別對三端混合特高壓直流輸電系統的三個站極1高閥組進行故障退出測試，并在站間通信中斷時，測試受端2站高閥組故障退出。因特高壓直流工程中，兩個極相互獨立，以下測試過程僅在極1進行，極2不受影響。

3.1 常規直流閥組故障退出試驗

三端極1雙閥組穩定運行，設定功率目標值為送端至受端1站1 500 MW、送端至受端2站2 500 MW，觸發送端站極1高閥組故障閉鎖。

圖3為送端站極1高閥組故障退出試驗波形。送端站高閥組發生故障，閉鎖、合BPS開關；兩個受端站收到送端站高閥組故障閉鎖信號，迅速降低調制系數，將高閥組直流電壓降至0，然后閉合BPS開關，收到BPS合位狀態后閉鎖。

圖3 送端站高閥組故障退出試驗波形Fig.3 Test waveforms of high-valve group fault exit test of sending-end station

送站高閥組故障后，各站密切配合，隔離對應閥組，在300 ms內其余閥組恢復穩定輸送功率。

3.2 控直流電壓受端換流站閥組故障退出試驗

三端極1雙閥組穩定運行，設定功率目標值為送端至受端1站1 500 MW、送端至受端2站2 500 MW，觸發受端2站極1高閥組故障閉鎖。

圖4為受端2站極1高閥組故障退出試驗波形。受端2站高閥組故障閉鎖后，通知低閥組閉鎖，及其他兩站；送端站雙閥組移相至120 °，高閥組合BPS，低閥組待直流電流降低至0后，移相至164 °，待高閥組BPS閉合后，高閥組閉鎖，低閥組恢復正?？刂?；受端2站確認送端站移相后，高閥組合BPS旁路，低閥組待高閥組旁路開關BPS閉合后，解鎖恢復正常運行；受端1站確認送端站移相后，將直流電壓降至0，合BPS后閉鎖，退出高閥組。受端2站高閥組故障后，各站密切配合，隔離對應閥組，在300 ms內其余閥組恢復穩定輸送功率。

圖4 受端2站高閥組故障退出試驗波形Fig.4 Test waveforms of high-valve group fault exit test of receiving-end station2

3.3 控直流功率受端換流站閥組故障退出試驗

三端極1雙閥組穩定運行，設定功率目標值為送端至受端1站1 500 MW、送端至受端2站2 500 MW，觸發受端1站極1高閥組故障閉鎖。

圖5為受端1站極1高閥組故障退出試驗波形。受端1站高閥組故障后立即閉鎖，通知低閥組閉鎖，及送端站、受端2站；送端站高、低閥組觸發角移相至120 °，高閥組合BPS，低閥組待直流電流降低0后，移相至164，待高閥組BPS閉合后，高閥組閉鎖，低閥組恢復正?？刂?；受端2站高閥組確認送端站移相后快速退閥組，將直流電壓降0，合BPS后閉鎖，低閥組保持正常運行；受端1站高閥組確認送端站移相后，合BPS旁路閥組，低閥組待高閥組旁路開關BPS閉合后，解鎖恢復運行。受端1站高閥組故障后，各站密切配合，隔離對應閥組，在300 ms內其余閥組恢復穩定輸送功率。

圖5 受端1站高閥組故障退出試驗波形Fig.5 Test waveforms of high-valve group fault exit test of receiving-end station1

3.4 站間通信中斷時，控直流電壓受端換流站閥組故障退出試驗

三端極1雙閥組穩定運行，設定功率目標值為送端至受端1站1 500 MW、送端至受端2站2 500 MW，站間通信中斷時觸發受端2站極1高閥組故障閉鎖。

圖6為站間通信中斷時，受端2站極1高閥組故障退出試驗波形。受端2站高閥組故障閉鎖后，通知低閥組閉鎖；因站間通信中斷，低閥組收到高閥組故障閉鎖信號后，直接閉鎖，受端2站本極退出運行，進入送端至受端1站的兩站運行方式。

4 結論

本文提出了一種適用于特高壓多端混合直流輸電工程的閥組故障退出控制方法，并詳細分析和介紹了某一閥組故障退出時，各站的協調配合關系、執行操作順序，以最大程度保證系統穩定、保護閥組安全、并將損失功率降至最小。

該控制方法在RTDS硬件閉環測試平臺上進行了驗證。結果證明，該控制方法能快速隔離故障閥組，最大程度減小功率損失，并快速恢復正常閥組的功率輸送，為工程建設奠定基礎。