联于弱交流系统的HVDC故障恢复特性仿真分析

联于弱交流系统的HVDC故障恢复特性仿真分析

周长春，徐政

（浙江大学电机系，浙江省杭州市 310027）

SIMULATION AND ANALYSIS OF RECOVERY CHARACTERISTICS OF HVDC CONNECTED TO AC SYSTEM WITH WEAK STRENGTH

ZHOU Chang-chun，XU Zheng

（Dept. of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang Province，China）

ABSTRACT：The recovery speed of HVDC system is strongly influenced by the strength of AC power system to which the HVDC is connected, however, the influences of different reactive power compensators on the strength of AC power system are not the same. The impacts of the widely used reactive power compensating devices, e.g., fixed capacity (FC), synchronous compensator (SC), static var compensator (SVC) and static var generator (SVG), on the recovery process of HVDC are simulated and analyzed. The research results show that SC and SVG strengthen the AC power system and better recovery characteristics of HVDC system can be obtained after the fault cleared. But with the application of SVC, the recovery process of the whole system will be slowed down due to its negative influence on the strength of AC power system, and the successive commutation failures may even occur.

KEY WORDS：Power system；Short circuit ratio (SCR)　；Reactive power compensation；Fault recovery

摘要：交流系统的强度会影响到高压直流输电（HVDC）的故障恢复速度，而不同的无功补偿方式对交流系统强度有不同的影响程度。文章对目前广泛使用的无功补偿设备，如固定电容（FC）、同步调相机（SC）、静止无功补偿器（SVC）及静止无功电源（SVG）在HVDC故障恢复过程中的作用进行了仿真分析。仿真结果表明SC及SVG能够增强交流系统，因此故障切除后HVDC可以较快地恢复；但SVC在故障恢复期间减弱了交流系统的强度，因此会延缓整个系统的恢复过程，甚至有可能引起后继的换相失败。　

关键词：电力系统；短路比；无功补偿；故障恢复　

1 引言　

高压直流输电（HVDC）对交流系统的故障极其敏感，整流站或逆变站的扰动都可能造成直流功率的传输中断[1]。随着HVDC在我国应用的日益广泛，对其故障恢复特性进行研究将具有重要意义。影响HVDC故障恢复特性的因素很多，如HVDC 落点的交流系统强度、故障及恢复期间交流系统的无功特性及直流控制器的性质等。以往的研究重点都集中在直流控制系统，新型控制策略及改进控制器的应用均加快了HVDC的恢复[2,3]，但交流系统本身的特性对直流系统的影响也不容忽视。

故障期间的无功不平衡直接影响着HVDC的正常换相，换流母线上不同类型的无功补偿装置原理不同，在故障恢复期间的作用也不同。本文在电磁暂态仿真的基础上，重点研究了交流系统强度及不同的无功补偿方式对故障恢复特性的影响。

2 交流系统强度与短路比

交流系统的强弱是相对于直流系统的输送能力而言的，可用交流母线的短路容量

sc

S与直流额

定输送功率

dN

P的比值（即短路比SCR）[4]来表示，SCR3

≤时该系统可视为弱交流系统。如基准电压

为换流母线额定电压，基准功率为

dN

P，则有下式成立

1

pu

dN

sc

Z

P

S

SCR=

= (1)

式中

pu

Z为交流系统等值阻抗的标么值。考虑到交流系统滤波器及无功补偿电容器的作用时，可引入有效短路比ESCR，定义如下

cpu

pu

dN

c

sc

1

B

Z

P

Q

S

ESCR−

=

−

= (2)

式中

c

Q为换流站交流母线电压取额定值时由交

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50277034）；国家重点基础研究专项经费资助项目（G1998020310）。

流滤波器及补偿电容所产生的无功；

cpu

B为交流滤波器及补偿电容的等值电纳标么值。

弱交流系统故障期间通常会发生更为严重的电压降落，且系统无法提供快速恢复所需要的无功，造成其恢复速度较慢，同时在谐波及换流母线的不稳定电压作用下，极易发生逆变器的后继换相失败，这会进一步延缓系统的恢复速度。较强交流系统的无功功率充足，故障期间电压降落幅度相对较小。交流系统等值阻抗Z与频率的关系如图1所示。

图1交流系统等值阻抗与频率的关系

Fig. 1 The relationship between AC equivalent

impedance and frequency

由图1可见，随着交流系统的增强（即SCR增大），并联谐振点的位置向高频范围内偏移，高频范围内系统的阻尼较强，因此强系统更容易从故障中恢复。

3 无功补偿设备与有效短路比

稳态运行下HVDC的无功特性与直流线路参数无关，由换流器无功需求及无功补偿容量共同决定。直流系统的无功补偿原则是：无论联于强交流系统还是弱交流系统，直流系统所需无功均由补偿装置提供，即要求直流系统与交流系统之间基本上没有无功交换，称为“零无功交换原则”。一般而言，交流侧无功由滤波器及电容器组共同提供，只有当系统无功裕度较小或必须考虑电压稳定问题时，才采用静止无功补偿装置，很少采用同步补偿装置。

固定电容（Fixed Capacitor，FC）补偿越大，有效短路比ESCR越小；在过激或欠激的情况下，同步调相机（Synchronous Compensator，SC）可分别发出不同大小的容性无功或感性无功，且其无功输出不受系统电压的影响[5]，故障恢复期间SC可等效为一电压源与阻抗的串联组合，该阻抗可取为SC的暂态电抗或次暂态电抗。SC的接入使得交流系统的短路容量明显增大，系统得到明显增强。SC 虽在实际工程中很少应用，但它在联于弱交流系统的HVDC换流站中仍发挥着重要作用[6]。

静止无功补偿器（SVC）是一种被广泛应用的快速无功补偿设备，晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）与晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）型SVC的电压–电流特性曲线如图2所示[5]。

图2 SVC电压–电流特性

Fig. 2 The voltage-current characteristic of SVC

图中0－1－1′、0－2－2′、0－3－3′和0－4－4′分别为SVC中TCR并联1组、2组、3组和4组电容器时的电压–电流特性曲线。SVC正常运行于O1、O2之间的线性可控范围内时，SVC可等效为电压源

ref

V与阻抗

SL

X串联以后再并联到交流电网；如交流故障使得母线电压下降很大，TSC投入全部电容使SVC运行在容性的范围内时，SV C应视为大电容与变压器漏感（SVC一般经变压器与交流母线联接）的串联组合，这在很大程度上增大了交流系统的等值阻抗，且无法改变交流系统短路容量，ESCR变得很小，使得直流系统的恢复更加困难，且很可能发生后继换相失败。相反地，当SVC运行在感性范围时，SVC可视为电感与变压器漏感的组合，在此状态下SVC对系统有增强的作用。

目前广泛采用的静止无功电源（SVG）是电压型桥式电路，由可关断晶闸管（GTO）与二极管反向并联构成逆变器，通过电抗器或直接并联

于电压为

S

V&的交流母线，其基本原理如图3所示。

适当调节SVG交流侧输出电压

A

V&的幅值和相角，

或直接控制其交流侧电流

G

I&，即可以使该电路发出或吸收无功，从而实现无功功率的动态补偿。SVG与SVC相比，直流侧电容很小。交流系统故障期间SVG的运行特性与SC相似，可视为电压源与阻抗（变压器漏抗）的串联[7]，因此SVG不会增加交流系统的强度，且由于其不是旋转设备，也不会在恢复过程中引起振荡。

20

Power System Technology

Vol. 27 No. 11

V .

Fig. 3 The equivalent circuit of SVG

4 电磁暂态仿真及分析

4.1 仿真系统模型

本文采用Cigre Benchmark Model [8]仿真模型。逆变侧短路)7091SCR (7552o o ∠=∠=.E .SCR ， 交流额定电压为kV 230。分别采用SC 、SVC 及SVG 代替FC 进行补偿时，它们在故障恢复期间的特性在很大程度上决定于其励磁或控制系统，本文的各种补偿装置均采用PSCAD/EMTDC [9]（Power System CAD/Electromagnetic Transient in DC ）的标准控制系统。

4.2 仿真结果及分析

采用FC 进行补偿时，仿真过程中SCR 的变化会引起换相电压的变化，可相应改变交流等值电势的大小来维持换流站交流母线电压的恒定。逆变交流侧分别施加相同的三相短路故障（接地电阻相同）时，不同强度交流系统条件下的HVDC 恢复特性如图4所示。

图4 交流系统强度对故障恢复的影响 Fig.4 Impacts of AC system strength on

fault recovery of HVDC

由图4可见，SCR =5.0时，故障期间直流传输功率始终保持在0.95pu 以上；SCR =2.5时，直流输送功率由于故障而有较大下降，恢复时间也增长；SCR =1.7时，故障将引起换相失败而使得传输功率暂时中断，HVDC 恢复也需要更长的时间。 SCR ＝2.5时，保持整流侧结构及补偿方式不变，只改变逆变侧交流系统无功补偿方式，在额定

运行方式下，Cigre Benchmark Model 逆变侧交流系统需要补偿的无功功率为Mvar 625，其中交流滤波器负担Mvar 500，并联电容器组负担Mvar 125。仿真中保持交流滤波器的数目和参数不变，而将并联电容器组分别用SC 、SVC 及SVG 代替，并保持补偿容量一致。在逆变交流侧施加不同类型的故障，如三相直接接地、三相远端接地、单相接地及单相远端接地，远端接地故障通过改变接地电阻的阻值来模拟。所有故障在t =0.1s 时施加，持续s 1.0后切除。图5为SCR =2.5时，逆变侧交流系统三相直接接地故障分别采用FC 、SC 、SVC 及SVG 进行补偿时的故障恢复特性。

_0.2

0.20.61.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t /s

_

0.2

0.2

0.61.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t /s

_

0.2

0.2

0.61.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t /s

_0.2

0.20.61.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t /s

P dc /pu

P dc /pu

P dc /pu

P dc /pu

(a) FC

(b) SC

(c) SVC (d) SVG

图5 三相接地故障时无功补偿方式对HVDC 故障恢复

特性的影响

Fig. 5 Effect of reactive power compensation method on fault recovery of HVDC with three phase grounding fault

由图5可见，采用FC 进行补偿时，HVDC 恢复最慢，t =0.60s 时直流输送功率从0恢复到0.90pu ；采用SC 进行补偿时，恢复时间明显缩短，t =0.48s 时即可恢复到相应的功率水平；SVC 与SVG 分别在t =0.55s 和0.52s 时恢复到相同的输送功率水平。虽然在直流控制系统，尤其是在低电压电流环节(Voltage Dependent Current Limits ，VDCL)的作用下，不同补偿方式下恢复特性的差别不是很大，但SC 、SVC 及SVG 的恢复特性仍然优于FC 。

增大故障的接地电阻R （Ω=240R ）来模拟三相远端接地短路故障，使其在FC 补偿时恰好不至于引起逆变器换相失败，图6(a)为三相远端接地短路故障时不同无功补偿方式下HVDC 恢复特性。由图6(a)可见， FC 补偿时HVDC 恢复速度依然最慢，SC 及SVG 补偿时HVDC 表现出了良好的恢复特性，SVC 补偿方式下TSC 电容器的反复投切使得换流母线电压在故障恢复期间出现振荡，在图中表现为直流输送功率的振荡，它极有可能在恢复过程中诱发连续的换相失败从而使得恢复时间增长。减小接地电阻（Ω=20R ），即发现由SVC 引起的后

第27卷 第11期 电 网 技 术 21

继换相失败使得直流功率的输送再次中断，如图6(b)所示，这对系统运行是极为不利的。

0.75

0.80

0.850.900.951.001.05

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t /s FC

SVC

SVG SC

0.00.20.40.6

0.81.01.2

0.0

0.2

0.40.60.8

1.0

SC

SVG

SVC

FC

P dc /pu P dc /pu t /s

(a)R =240

Ω(b)R =20

Ω

图6 三相远端接地故障、不同接地电阻时无功补偿方式对

HVDC 故障恢复特性的影响

Fig. 6 Effect of reactive power compensation method on fault recovery of HVDC with three phase remote grounding

fault under different grounding resistance

逆变侧交流系统单相接地故障时，换流站交流母线电压的幅值降落及相角偏移的双重作用也会引起换相失败从而中断功率的输送，不同无功补偿方式对故障恢复特性的影响与图5所示的三相直接接地故障类似。当交流系统故障相经Ω=151R 的电阻接地且系统采用FC 补偿时，恰好不会引起换流器的换相失败，HVDC 故障恢复速度较快。图7为单相远端接地故障时不同无功补偿方式对HVDC 故障恢复特性的影响。