国网智能电网研究院有限公司 贺之渊 等：多馈入高压直流输电系统换相失败防御技术研究综述
科技
科学
2024-07-31 17:00
北京
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贺之渊, 高冲, 丁骁, 王成昊, 李婷婷, 吴凌锋DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20240550我国拥有世界范围内落点最为密集的多馈入直流系统。多馈入直流系统内多个换流站间电气距离近，耦合作用强，系统中单一交流故障就能引发多回直流同时换相失败，故障期间多个换流站同时吸收大量无功，拉低受端电网交流电压，可引发区域性电压凹陷甚至失稳，对系统造成千万千瓦的功率冲击，严重威胁电网安全稳定运行。换相失败造成的危害随着直流馈入数量和容量的增加越来越严重。实际工程中主要采取的换相失败防御措施包括：(1)改善直流系统控制；(2)限制直流输送功率水平；(3)改进换流器拓扑；(4)系统电压支撑等。这些措施并未从源头有效遏制换相失败的产生，也无法有效阻断换相失败的网内传播。多馈入高压直流输电系统是一个复杂系统。多馈入高压直流输电系统换相失败是一个在交流与直流系统间反复交替传播，并导致故障影响范围逐渐扩展的复杂多因素非线性动态过程。目前，单一工程和技术方法已不足以明显降低换相失败风险，未来主要是提出系统性解决方案。为了解决多馈入高压直流输电系统换相失败防御问题，需要从3个方面展开：首先是揭示多馈入高压直流输电系统换相失败传播规律，然后突破多馈入直流换相失败综合性防御技术，包括换流站级、换流器级和系统级防御，最后是通过具有标准性的仿真平台对协同防御技术效果进行准确评价。1）反映多馈入高压直流输电系统换相失败传播规律的标准场景
实际系统中换相失败案例分析固然有助于了解真实电网的换相失败过程，但孤立和偶然的案例无法用于归纳出可重复验证的理论机制，也无法用于换相失败防御技术的标准化评价。在多馈入高压直流输电系统标准场景方面，亟需参考国内典型直流落点密集区域电网网架，提取多馈入高压直流输电系统特征参数。通过对电网拓扑内重要站点进行全面故障分析，统计并分析电网拓扑内不同故障时全网直流换相失败严重程度，并量化可反映换相失败严重程度的影响因子，最后构建多馈入高压直流输电系统标准场景，提出能对标国内实际受端大电网的系统规模与运行特性的标准模型。多馈入高压直流输电系统标准模型研究的主要目标是：(1)完成不同系统参数和运行状态下单一类型换相失败的系统性分析；(2)实现不同防御技术在同一场景下的对比验证。
2）换流站级防御技术
外部支撑方面，面向未来大规模新能源接入的多馈入直流系统场景，可以利用换流站近区新能源站配置的电力电子装置参与换流站级控制，强化新型电源与受端电网交互作用，通过快速响应实现电力电子装置对直流系统的紧急功率支援，用于降低连续换相失败的发生概率。内部防御方面，基于对系统换相及恢复过程特定影响因子的特征，提出抵御直流输电系统换相失败的多维优化控制及功率快速恢复方法，减少单直流换相失败对交流系统有功无功冲击的持续时间与幅度，减少换相失败对系统带来的影响，进一步降低连续换相失败的发生概率。
3） 换流器级防御技术
换相失败归根结底是换流器这种装置的固有缺陷，通过提出可控换相的新型换流器拓扑，研制出适用于高压及特高压工程并兼容新建和在运工程的新型换流阀，彻底解决由交流系统故障或多馈入直流耦合引发的换相失败问题，提高多馈入系统高比例新能源接纳能力。
4）系统级防御技术
从整个系统的角度寻找具备工程可行性的换相失败防御方法，主要分为系统规划设计和协调稳定控制两条技术路线。第1条技术路线，是从电网架构设计层面，提出防御多直流换相失败的交直流混联电网结构设计优化方法，形成防御受端电网多直流换相失败的常规直流升级改造和分区互联方案，缩小交流故障导致常规直流发生连续换相失败的范围；第2条技术路线，是从系统整体控制层面，提出基于多直流系统功率协调及混联电网安全稳定优化控制的换相失败防御方法，提升交直流混联电网的换相失败抵御能力。按照控制层级，第2条技术路线又分两种切入点：一个是以多馈入直流控保系统协调为切入点，充分考虑多馈入直流系统中不同直流间的电气耦合作用，研究通过对故障线路与非故障线路的直流传输功率进行协调控制以降低系统换相失败发生风险，进而提出基于多直流系统功率协调控制的换相失败防御方法。另一个是以系统稳定控制措施为切入点，以典型拓扑中各类故障量化分析结果为基础，研究多直流换相安全与电压安全的协调优化控制方法、多直流换相安全与功角暂态及振荡稳定的协调优化控制方法，建立多馈入交直流混联电网安全稳定综合量化评估体系与协调优化控制决策机制。
5）换相失败防御技术效果评价方法
基于多馈入高压直流输电系统标准场景，建立用于换相失败防御技术效果验证的仿真平台，才能对重要站点进行全面故障分析，模拟不同交直流故障时标准模型全域换相失败严重程度，研究换相失败过程特征评估指标。并针对不同的换相失败防御技术，提出归一化的效果评价方法，形成换相失败抵御效果测试方案，这样才能实现多种换相失败防御技术效果在统一物理场景下的可校验。
本文主要从换流站级、换流器级及系统级3个层面对现有的换相失败防御技术进行了综述，并分5个方面对未来换相失败防御技术进行了展望，得到结论如下：（1）在运和新建直流工程大量采用LCC换流器形成了多馈入直流输电系统，单一防御技术已经不足以明显降低系统换相失败风险，未来的研究方向是提出综合性防御方案。（2）多馈入直流系统换相失败综合性防御方案以换流器级、换流站级、系统级3个层级的防御技术为主要架构，3者互为嵌合又相互统一。（3）多馈入直流系统换相失败综合性防御方案效果的验证需要基于统一物理场景，通过归一化的效果评价方法，在具备标准意义的仿真平台进行可重复的校检。
贺之渊, 高冲, 丁骁, 等. 多馈入高压直流输电系统换相失败防御技术研究综述[J]. 高电压技术, 2024, 50(7): 2735-2746.
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贺之渊，博士，国网智能电网研究院总工程师，教授级高级工程师，博士生导师，主要从事柔性直流输电和大功率电力电子试验等方面的研究工作。国家“万人计划”科技创新领军人才，享受国务院政府特殊津贴专家，中央企业十大青年先锋，CIGRE B4中国国家委员、CIGRE工作组召集人，主持国家重点研发计划项目2项，制订IEC国际标准3项、CIGRE导则2项、国家标准3项，获国家技术发明二等奖2项、中国专利金奖1项、省部级科技进步一等奖5项，带队中标德国BorWin6海上风电柔性直流工程。
责编：陈蔓
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