交直流混合注入节点的低压减载策略

贾树森，李生虎，鲍正杰

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009）

交直流混合注入节点的低压减载策略

贾树森，李生虎，鲍正杰

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009）

基于电压源换流器（VSC）的高压直流输电（HVDC）技术改变了电网结构和电压特性，影响所连交流节点低压减载的整定策略。为了保证交直流注入节点严重过载时的暂态电压安全，当负荷过载超出VSC定交流电压调节能力时，基于交流侧电压特性，将VSC控制方式从恒PV切换为恒PQ方式，以一定电压降落为代价，避免VSC因负荷过载而退出运行。当发生更严重过载时，为避免VSC退出运行，结合VSC过流保护，提出快速低压减载算法，用于保证持续供电和暂态电压安全。仿真结果验证了所提算法的必要性和正确性。

低压减载；电压源换流器；轻型高压直流输电；暂态电压安全；过载保护

低压减载和低频减载是常用的紧急控制电压和频率下降的措施[1，2]。当受电区域电压下降快于频率下降时，会发生低频减载不动作而电压崩溃。基于电压源变流器VSC（voltage source converter）的轻型高压直流输电HVDC light（high voltage directcurrent light）技术，有助于频率和电压的恢复[3，4]。对含VSC系统，目前低频减载研究较多，而低压减载极少。对低压减载算法实现和控制效果的研究价值如下。

首先，VSC逆变侧无论按额定频率运行还是实时追踪系统频率[5～8]，考虑到减载继电器测量时延和暂态频率下降，系统频率和换流器输出频率不稳定，影响低频减载实现。其次，换流阀过流保护和过载保护受发热限制[9～11]。过载后应在换流阀达到发热上限前减载或转换控制方式[12]，避免换流器退出运行。当交流侧发生严重过载时，PQ控制方式更适合保护负荷，但需要以电压跌落为代价。在逆变侧过载时，扰动前无功补偿越大，过载后电压跌落越明显。这要求减载过程简单快速，避免电压跌落过大。最后，与高压系统不同，VSC-HVDC向无源网络供电时，有功负荷变化将引起电压变化[13]。一旦因VSC越限而失去调节作用，逆变器交流侧电压将会下降。对交直流混合注入节点，电压对VSC的影响远大于频率对其的影响，因此有必要设计低压减载算法。

本文在交直流系统中考虑电压安全和阀片过流，提出在VSC逆变侧加入低压减载，维持暂态电压稳定。在定交流母线电压控制达到极限时，切换逆变侧控制方式，由PV方式切换为PQ方式，以稳定该节点电压特性曲线，便于与现有低压减载继电器配合。在逆变侧发生轻微过载时，以一定的电压跌落为代价来维持供电，避免VSC退出运行。当超出VSC输出能力时，进入低压减载环节。并据此提出了具体的低压减载算法。

1 交直流混合节点低压减载

1.1 低压减载与过载保护配合

VSC-HVDC逆变侧一般采用定交流电压控制，即交流侧按恒PV方式运行。达到电压源换流器调制上限后，换流阀将退出运行，但此时可能并未过流。因此在定交流母线电压控制达到极限前有必要改变逆变侧控制方式，由PV控制方式切换为PQ控制方式，以一定的电压跌落维持供电，避免VSC退出运行。在PQ方式下为避免电压下降过多，低压减载有其应用价值，但是需要研究其启动判据，以及与变流器过热条件和线路电流保护的协调配合。

通过连续潮流计算，得到PV曲线，以及定交流母线电压控制能力达到上限时的换流器直流电流IV（小于换流阀电流达到上限时的值Imax），作为逆变器控制策略转换条件。换流器启动或交流系统短路引起过电流时，实现启动闭锁和按电流增长速率闭锁，即d i/d t

换流器过载保护可避免过流积累热量烧坏阀片[14，15]。交流过流动作判据为IGBT中电流有效值越限，并带有一定时延的换流闭锁器；或使用积分环节累计发热条件，当发热量超过限度时，闭锁换流器。负荷过电流和短路过电流，可根据电流增长速率和增加短延时环节予以区分。

交直流混合节点电压降低、电流增大时，若要换流器继续运行并满足阀保护条件，必须躲过交流侧三相短路电流，并且小于换流阀允许发热上限Qset[16]，从而为低压减载留出足够的时间裕度。设发热值为Qt，将Qt

1.2 基于在线监测的低压减载

图1中外部系统等效阻抗和本地负荷阻抗分别为|ZT|＜φT和|ZL|＜φL，等效电源为E＜φE，节点电压为V＜φV，负荷电流IL＜φI。当|ZT|=|ZL|时静态电压失稳，正常运行时|ZT|＜|ZL|。假设前一时刻母线电压与负荷电流分别为V0＜φV0和IL0＜φI0，当前时刻母线电压和负荷电流分别为V1＜φV1和IL1＜φI1。基于本地测量，在线计算戴维南等效阻抗[17，18]为

图1 交直流注入节点系统戴维南等效电路Fig.1 Thevenin equivalent circuit in AC/DC system

图2 切负荷前后瞬间的戴维南等效电路Fig.2 Thevenin equivalent circuitbefore and after load shedding

定义阈值ηset=|ZT/ZL|（0<ηset<1），并假定计算值大于ηset时开始减载。确定最大保留负荷Zres的公式为

为保持功率因数不变，等比例切除的负荷为

结合VSC控制方式切换和过热保护，提出的低压减载算法如图3所示，其中I为流过换流站电流，Q和Qset为换流阀累计发热量及其上限；Us和Uset为换流站交流母线电压及其下限值；k为减载次数。完成第一次减载后，若交流电压仍不能稳定，减小ηset值继续减载，直到交流电压稳定。首轮减载加短时延（0.2 s），以躲过母线短路。切换VSC控制方式时，躲开交流侧短路时直流电流Ids，即IV＜I＜Ids。

图3 低压减载算法流程Fig.3 Flow chartof undervoltage load shedding

2 算例分析

算例采用WSCC系统，如图4所示。整流侧（REC）采用定直流电压和定无功功率控制，逆变侧（INV）采用定交流母线电压控制。换流站额定功率75MVA，直流线路额定电压110 kV，A、B、C为负荷节点。令节点8为交流侧过载点。从启动到稳定运行，交流母线电压如图5所示。整流侧电压稳定值为1.15 p.u.，逆变侧电压稳定值为1.0 p.u.。

图4 WSCC系统Fig.4 WSCC system

图5 VSC启动过程中的节点电压趋势Fig.5 Voltage responsewith VSC start-up

令节点8处的负荷等比例增加，每递增18%计算1次，当调制度M达到1时停止计算，结果见表1，表1中数据均为标么值。当逆变侧调制度达到极限时，直流电流Id并未越界，该值作为控制方式切换时的电流参考值IV。

表1 调制度和直流电流随负荷增长变化Tab.1 Changeof M and Idw ith load increase

较轻过载时的仿真条件1：节点8有功无功增大1倍，该节点未发生过载，但却超过了定交流母线电压控制的电流上限，即I＞IV。VSC将同时转为定无功功率控制。仿真结果如图6和图7所示，注入电流增大，稳态电压略有下降，此时未发生减负荷，VSC接近满额定功率输出。

图6 条件1下节点8的电压Fig.6 Voltage atbus8 under condition 1

较重过载时的仿真条件2：节点8有功无功负荷增大1.5倍，该节点发生过载，电压不能维持，达到切换条件I＞IV，控制方式切换为定无功控制，并启动低压减载（注入无功Qsref=0.15 p.u.）。节点电压和VSC注入交流母线电流有效值如图8和图9所示。当负荷激增时，交流节点电压下降，VSC注入电流上升，低压减载启动。减载量与ηset值有关。设定ηset=0.6，减载85MVA，随后电压开始回升，注入电流减小。当电压值恢复到一定值后，重新切换为定交流母线电压控制，经过一段时间电压、电流相对稳定。电流和电压重新稳定后，VSC注入节点的功率有所增加。

图7 条件1下VSC注入节点8的电流Fig.7 Current injected to bus8 from VSC under condition 1

图8 条件2下节点8的电压Fig.8 Voltageatbus8 under condition 2

图9 条件2下VSC注入节点8的电流Fig.9 Current injected to bus8 from VSC under condition 2

3 结论

（1）随着负荷增加，当交流侧轻微过载，超出VSC定交流母线电压调节能力时，由PV控制方式切换为PQ控制方式，并允许少量电压跌落，可以避免VSC退出运行。

（2）当交流侧发生严重过载时，为避免VSC退出运行，结合交流侧低压减载与VSC过载保护，减载后节点电压可以恢复到额定值。

[1]林舜江，李欣然，刘杨华（Lin Shunjiang，Li Xinran，Liu Yanghua）.电力系统电压稳定性及负荷对其影响研究现状（Present investigation of voltage stability and composite load’s influenceon it）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedingsof the CSU-EPSA），2008，20（1）：66-74.

[2]余贻鑫，杨涛，刘辉（Yu Yixin，Yang Tao，Liu Hui）.一种暂态稳定紧急控制策略筛选法（Filteringmethod for transient stability emergency control strategy）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（5）：1-4，88.

[3]李生虎，贾树森，孙莎莎（LiShenghu，Jia Shusen，Sun Shasha）.交直流系统中低频减载与负荷恢复的静态优化算法（A static optimization algorithm ofunderfrequency load shedding and load recovery for AC/DC power systems）[J].电网技术（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，France：2006.

[5]张静（Zhang Jing）.VSC-HVDC控制策略研究（On Control Strategies for VSC-HVDC）[D].杭州：浙江大学电气工程学院（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]郭进龙（Guo Jinlong）.新型高压直流输电系统中频率控制问题研究（Research on the Frequency Control Problem of VSC-HVDCSystem）[D].南京：东南大学自动化学院（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，裴雪军，等（Wang Hongliang，Yue Xiumei，PeiXuejun，etal）.组合式三相逆变器软硬件限流保护策略（A hardwareand software current limitprotection strategy for the combined three-phase inverter）[J].电工技术学报（TransactionsofChina Electrotechnical Society），2008，23（9）：92-97.

[12]莫琦，张尧，武志刚，等（Mo Qi，Zhang Yao，Wu Zhigang，etal）.交直流互联系统暂态电压稳定问题仿真分析（Simulation and analysis on transient voltage stability of AC/DC hybrid system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（6）：87-90，95.

[13]赵成勇，马国鹏，李广凯（Zhao Chengyong，Ma Guopeng，LiGuangkai）.向无源网络供电的VSC-HVDC调节特性研究（Research on characteristicsof regulation of VSCHVDC supplying power to passive network）[J].华北电力大学学报（Journalof North China Electric Power University），2008，35（6）：39-43.

[14]罗湘，汤广福，温家良，等（Luo Xiang，Tang Guangfu，Wen Jialiang，etal）.电压源换流器高压直流输电装置中IGBT的过电流失效机制（Over-current failuremechanism of IGBTwithin voltage source converter based high voltage direct current）[J].中国电机工程学报（Proceedingsof the CSEE），2009，29（33）：1-7.

[15]解婷，查鲲鹏，汤广福，等（Xie Ting，Zha Kunpeng，Tang Guangfu，etal）.过电流导致的HVDC换流阀失效机制研究（Study on failuremechanism of HVDC valves caused by overcurrent in UHVDC power transmission devices）[J].电网技术（Power System Technology），2010，34（10）：71-75.

[16]杨杰，郑健超，汤广福，等（Yang Jie，Zheng Jianchao，TangGuangfu，etal）.电压源换相HVDC站内交流母线故障特性及保护配合（Internal ACbus fault characteristics of VSC-HVDC system and protection coordination）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2010，30（16）：6-11.

[17]余文杰，方勇杰（YuWenjie，Fang Yongjie）.一种基于SMARTDevice的低压切负荷算法（An undervoltage load sheddingmethod based on SMARTDevice）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2006，30（21）：57-60.

[18]李来福，柳进，于继来，等（Li Laifu，Liu Jin，Yu Jilai，et al）.节点戴维南等值参数在线跟踪简捷算法（A simple and directmethod ofon-line tracking Thevenin equivalent parameters of load node）[J].中国电机工程学报（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

贾树森（1986—），男，硕士研究生，研究方向为交直流系统运行和控制。Email：jiasen105@163.com

2012-05-03；

2012-06-03

国家自然科学基金项目（51277049）

李生虎（1974—），男，博士，教授，研究方向为电力系统可靠性、风电系统稳定性、柔性输电技术。Email：shenghuli@hfut. edu.cn

鲍正杰（1990—），男，硕士研究生，研究方向为交直流系统运行和控制。Email：bzj15403@163.com