图1 交直流混联同步电网等效模型
Fig.1 AC/DC hybrid synchronous grid equivalent model
摘要 在含柔性直流的交直流混联电力系统中，如何利用柔性直流提升交直流混联电力系统稳定性是亟须解决的关键技术问题。传统直流（LCC）进行紧急功率支援时，存在有功功率与无功功率难以独立解耦控制，且需要配置大量的无功补偿装置。针对此问题，将现有交直流混联系统中的常规直流LCC逆变站替换成柔性直流（VSC）换流站，根据LCC-LCC和LCC-VSC各自的优势，提出一种优先级紧急功率支援协调控制策略，即含柔性直流的交直流混联系统需要直流紧急功率支援时优先采用LCC-VSC对系统进行紧急功率支援，若功率缺额超过LCC-VSC的功率调节裕度时，剩余功率由LCC-LCC进行传输。与未采用优先级紧急功率支援协调控制策略相比，极大地缓解了潮流转移时交流输电线路过载负担，进行紧急功率支援后，交流系统的频率稳定性得到较大改善。通过搭建含LCC和VSC的7机39节点的交直流混联系统，验证了所提的控制策略在交流联络线发生N-1、N-2和LCC-LCC双极闭锁故障情况下的有效性。
关键词：交直流混联系统 LCC-LCC LCC-VSC 紧急频率支援 紧急功率支援
传统高压直流输电（Line Commuted Converter, LCC）在远距离、大容量、区域电网互联领域发挥着越来越重要的作用，高压柔性直流输电（Voltage Source Converter, VSC）作为一种新型输电方式广泛应用于构建直流电网和新能源汇集送出及电网受端直流多落点。由LCC和VSC构成的混合直流输电（LCC-VSC）结合了各自的优势[1]，在工程中得到广泛应用，±800 kV乌东德直流输电工程和±800 kV白鹤滩直流输电工程采用的都是混合式直流输电。随着混合直流的发展，多条LCC-VSC和LCC-LCC共同馈入同一受端电网构成复杂交直流混联电力系统成为一种发展趋势[2]。
在复杂交直流混联电力系统中，交流系统频率与有功功率紧密相关，由于故障和扰动造成送受两端系统功率将失衡时，交流系统将会出现较大的频率偏差，严重时导致系统频率崩溃引发大面积停电。直流系统响应速度快，可以通过直流快速调节送受端系统功率缺额来提升频率稳定[3-4]。直流输电系统都有过负荷运行能力，充分发挥直流功率支援能力，快速调节系统的频率安全稳定。
传统直流提升功率输送值时，需要多消耗的无功功率约为所增加有功功率的60%，传统直流在进行紧急功率支援时受系统无功功率限制，但对于柔性直流VSC来说，VSC本身具有独立调节无功的能力，当提升VSC的有功功率时，无需从交流系统吸收无功功率，甚至还能为交流系统提供动态无动支撑[5]。
传统交流进行紧急功率调节时，主要通过汽轮机进气阀门开度的快速调节，电力系统制动、切除发电机和调整负荷等措施来抑制频率波动，但随着传统直流和柔性直流输电技术的快速发展，直流控制技术也参与到电力系统的紧急功率控制之中，直流输电系统通常都具有1.1倍长期过负荷运行能力和灵活迅速的功率调节特性[6-7]。文献[8-10]研究表明，在多条超高压交流和传统直流并联运行的系统中，当交流线路或直流线路故障断开后通过控制潮流转移至正常输电线路中，维持系统送受端系统频率稳定。文献[11]分析了传统直流功率提升对系统稳定性的作用，得出紧急功率控制起止时刻及其有功功率支援量。文献[12]基于扩展等面积法则（Extended Equal Area Criteria, EEAC）分析了在大扰动情况下紧急功率控制的原理，并验证了紧急功率控制提高系统的暂态稳定性。文献[13-14]对通过传统直流异步互联的两个交流网络，研究了在紧急功率支援情况下两侧交流网络动态频率的相关性，利用二分法的策略根据交流电网扰动后频率的变化量计算出直流紧急支援量，更快地恢复系统的稳定性。文献[15]在特高压大容量的传统直流输电发生闭锁故障后，仅靠本区域内的热备用可能无法弥补功率的不足，提出了区域电网紧急功率控制的调度方案，实现了省间备用容量的共享。文献[16]针对±800 kV直流闭锁故障，为避免电力系统第三道防线安稳措施动作，制定了紧急功率支援的协调优化方法。文献[17]对于华中-华东的多回直流，在原有控制的基础上，研究了通过直流功率调制实现故障支路输送的功率转移至与之并联的直流线路中的紧急转移控制器，系统能快速恢复稳定。文献[18]研究了VSC和LCC串联输电网中，对于LCC功率中断的问题，提出了一种VSC和LCC协调控制的功率附加器，解决了LCC在扰动情况下功率不平衡的问题。文献[19]对于传统直流和交流系统并联运行的混联电网，研究了基于功率不平衡估计的自适应紧急功率支援策略，能够根据系统运行状态自适应地实现功率的自动调整，抑制电力系统的振荡。文献[20]对于交直流混联系统中负荷扰动引起交流系统频率变化的问题，提出了变结构控制理论和二次型最优控制，设计了针对交流侧的频率控制器，在负荷扰动后有效改善系统的频率特性。文献[21]在大频差扰动下多直流馈入受端电网情况下，提出了频率紧急协调控制的故障识别、功率损失等协调技术，保障系统安全稳定运行。对于异步联网方式下，多条直流送出的问题，文献[22]研究了多条LCC送出情况下，直流功率稳定性与系统有效短路比的联系，对电力系统的规划提供一定的参考意义。文献[23]针对传统直流和柔性直流串联型输电系统，分别设计了有功和无功功率附加控制器，当系统功率提升时，能改善系统频率和电压稳定性。文献[24]针对多条LCC-LCC和VSC-VSC同时馈入交流系统中的拓扑网络，设计了附加无功控制器，利用VSC快速调节无功的能力，稳定电压水平确保功率提升到整定值。文献[25]研究了有多回传统直流同时馈入的负荷中心地区，采用VSC的电网分区，设计了VSC的d轴频率控制器，调整自身功率的输送，有效提升系统频率的稳定。文献[26]研究了传统直流有功功率的增加可能引起电压稳定的问题，提出了采用多回直流之间协调控制的紧急功率支援策略，提高系统频率稳定性。
以上主要是针对传统直流进行紧急功率支援的研究，涉及柔性直流参与紧急功率支援相对较少，因此本文针对含柔性直流的交直流混联电力系统需要紧急功率支援时，如何快速有效地进行紧急功率支援进行研究，利用直流系统的快速功率调节特性重新平衡系统功率缺额。首先，分析了直流参与紧急频率支援实现机理；然后，设计了优先级分级协调控制策略；最后，通过仿真分析验证了所提方案在实现紧急频率支援时的有效性。
图1所示为交直流混联同步电网等效模型，在交流线路发生大扰动短路故障跳闸情况下，优先通过VSC进行紧急功率支援，从而改善交流系统的频率稳定，将送受端电网看作是等值的单机系统。
图1 交直流混联同步电网等效模型
Fig.1 AC/DC hybrid synchronous grid equivalent model
发电机侧的总电磁功率
可表示为
（1）
式中，
、
、
分别为等值发电机发出的LCC-VSC实际输送的有功功率、LCC-LCC实际输送的有功功率、线路损耗；
、
分别为等值发电机的暂态电动势和受端交流母线的电压；
为送受端交流联络线暂态电抗；
为送受端电压相位差。
等值发电机的转子运动方程为
（2）
式中，
为汽轮机的机械功率；
为等值发电机组的惯性时间常数；
为等值发电机组的阻尼系数，一般在大扰动情况下可以忽略阻尼系数的影响。
由式（1）和式（2）可以得到
（3）
式中，
可以看作是与混合直流和传统直流没有电气联系的等值发电机通过交流线路传输的电磁功率；
可当作等值发电机全部的电磁功率，因此对混合直流和传统直流输送功率和的调节，其效果等同于调节原动机的机械功率，通过直流系统的紧急功率控制来平衡系统中的功率缺额，减小发电机组的频率偏离量，提高系统的暂态频率稳定性。
当直流不采用紧急功率控制时，系统的功率特性主要由发电机和负荷的静态频率特性决定，不考虑发电机组的二次调频，系统的有功功率静态频率特性如图2所示。
图2 直流不参与系统有功功率调节的功率-频率静态特性
Fig.2 Power-frequency static characteristics of DC not participating in active power regulation of the system
根据图2所示，交流系统出现的功率缺额为
时，且直流不参与紧急功率支援，系统的有功功率静态频率特性用线性模型来表示，则有
（4）
式中，
为发电机输出功率调节量；
为负荷功率调节量；
和
分别为发电机和负荷的单位调节功率；
为系统频率变化值。
由式（4）可得
（5）
由式（5）可知，直流不参与紧急功率控制时，仅依靠发电机一次调频，系统无法做到频率的无差调节。
直流参与系统有功功率调节的功率-频率静态特性如图3所示。当直流采用紧急功率控制时，系统的有功功率静态频率特性得到改善，假设交流系统的功率缺额仍为，直流收到紧急功率支援指令时，以不超过直流输送功率最大允许值为约束，通过增加直流紧急功率指令值
，增大直流输送功率，达到减小交流系统功率缺额，从而将交流系统频率波动抑制在允许范围内，其效果相当于向上平移了发电机的静态功率-频率特性曲线，如图3中（绿色）虚线所示。
图3 直流参与系统有功功率调节的功率-频率静态特性
Fig.3 Power-frequency static characteristics of DC participating in system active power regulation
根据图3所示，交流系统出现的功率缺额为，且直流参与紧急功率支援时，系统的有功功率-频率静态特性用线性模型来表示，则有
（6）
由式（6）可得
（7）
式中，
为直流参与紧急功率支援时的系统频率变化量；为直流系统功率指令值增加量。
通过式（5）和式（7）对比可知，
，直流参与紧急功率支援进一步提高了交流系统频率稳定。当
时，
，因此可实现交流系统频率无差调节，直流控制响应速度是ms级，紧急频率支援速度快。
正常运行时，LCC-VSC整流侧采用定有功功率控制模式，根据送受端系统功率缺额情况，LCC- VSC的附加有功功率整定值为
（8）
式中，
为整定后的LCC-VSC附加功率参考值；
为LCC-VSC的直流输送功率额定值；为LCC-VSC的直流输送功率实际值，取1.1倍考虑的是直流输电长期过负荷能力；
为在±0.2 Hz波动范围内的有功功率波动量。
由式（8）可知，交流系统频率波动在允许范围内时，LCC-VSC不参与紧急频率支援，此时送受端系统功率基本处于平衡状态；系统功率缺额高于且在LCC-VSC的紧急功率支援能力范围内时，LCC-VSC紧急频率支援控制启动，附加有功功率整定值取系统功率缺额值；系统功率缺额超出LCC- VSC的紧急功率支援最大值时，附加有功功率整定值取紧急功率支援最大值。
图4所示为整流侧定有功功率控制框图，其中，
为LCC-VSC正常运行时系统级控制给定的指令值，
为实际功率值，
为整流侧LCC的触发延迟角。
图4 LCC-VSC整流侧有功功率控制框图
Fig.4 LCC-VSC rectifier-side active power control block diagram
图5所示为LCC-VSC逆变侧定直流电压控制框图，采用dq解耦控制，系统级控制给定的直流电压参考值UdcI1set与实际的直流电压UdcI1作差，通过比例积分控制器生成内环电流控制所需要的d轴电流参考值id，最后内环电流控制生成阀控调制波所需要的电压参考值。由于逆变侧为柔性直流系统换流站，不需要交流系统提供换相电压和无功功率支撑，紧急频率支援时，通过调节整流侧LCC的触发角和逆变侧VSC的d轴电流参考值，使得LCC- VSC快速参与紧急频率支援，快速恢复系统出现功率缺额时的频率稳定。
图5 LCC-VSC逆变侧定直流电压控制
Fig.5 Constant DC voltage control of LCC-VSC inverter side
当需要LCC-VSC紧急功率控制，在传统控制基础上增加附加有功功率整定值，实时调整整流侧LCC的触发角。根据附录式（A11）和式（A18）可知，当触发角降低时，直流电流
将变大，逆变侧VSC采用定直流电压控制，直流电压稳定，保证了LCC-VSC正常运行。
图6所示为LCC-LCC参与紧急频率支援的控制框图，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制。LCC-LCC逆变侧根据系统稳定的需求，设计了低压限流控制器（Voltage Dependent Current Order Limiter, VDCOL）辅助控制策略。当LCC-LCC参与紧急频率支援时，参考式（8）可计算出整定后的LCC-LCC附加功率参考值
，根据附加功率参考值计算出紧急功率电流指令值
，并与经过VDCOL环节后的电流参考值比较取最小值后生成LCC-LCC整流侧电流指令
，经PI环节生成LCC-LCC整流侧触发角
。LCC-LCC逆变侧通过电流偏差控制（Current Error Control, CEC）提高熄弧角
整定值，防止熄弧角低于最小值时无法参与紧急频率支援。图6中，
、
分别表示LCC- LCC逆变侧高低压阀组的熄弧角，和
分别表示LCC-LCC整流器和逆变器的触发延迟角，
和
分别表示LCC-LCC整流器和逆变器的触发超前角，UdcI2和Idc2分别表示逆变侧直流出口电压和电流，其数学模型见附录。
根据附录式（A1）、式（A5）和式（A10）可得，当整流侧触发角和逆变侧熄弧角降低时，LCC-LCC的直流输送功率得到提升，紧急频率支援作用明显。
图6 LCC-LCC参与紧急频率支援的控制框图
Fig.6 Control block diagram of LCC-LCC participating in emergency frequency support
由于LCC-VSC逆变侧对于有功功率的调整响应速度快且不受系统无功功率的限制，因此当系统出现有功功率缺额时，优先采用LCC-VSC进行紧急功率控制，当功率缺额超过LCC-VSC的最大允许输送功率时，剩余功率采用LCC-LCC输送。图7所示的LCC-VSC和LCC-LCC紧急功率协调制策略，当系统出现有功功率失衡时，依据电力系统的功率-频率静态特性，计算出系统有功功率缺额
，优先选择LCC-VSC进行紧急功率控制，当有功功率缺额与调度给定的混合直流有功指令值之和超过LCC-VSC允许输送的功率最大值
时，剩余功率将由传统直流LCC-LCC进行紧急支援。LCC-LCC的逆变侧为定熄弧角控制，通过调节熄弧角可以稳定直流电压，LCC-LCC紧急功率指令可计算出如图7所示中的电流指令
。在LCC-VSC和LCC-LCC的直流系统紧急功率控制协调配合下，平衡系统功率缺额，最终实现对系统频率进行紧急支援。
图7 LCC-VSC与LCC-LCC紧急功率优先级控制策略
Fig.7 LCC-VSC and LCC-LCC emergency power priority coordinated control strategy
对于如图1所示的含有交流线路、LCC-VSC和LCC-LCC的交直流混联电力系统，其紧急功率控制的目标为：当交流线路1或交流线路2出现过负荷运行时，通过LCC-VSC或LCC-LCC及其协调配合提升直流输送功率来平衡系统功率缺额，使系统频率快速恢复稳定。系统正常运行时，电气设备的运行参数需满足如式（9）所示的不等式约束。在我国频率偏移允许范围为±0.2 Hz，根据实际工程运行要求，其中500 kV交流线路存在一个最大安全稳定运行功率为Pst=1 000 MW，若超过以上规定的技术范围，电力系统可能将进入紧急状态，提出了如图8所示的紧急频率支援协调控制策略流程。
（9）
式中，
、、
、
、
分别为系统频率、节点电压、发电机有功功率、发电机无功功率、负荷功率。
为了验证所提LCC-VSC与LCC-LCC的紧急频率支援协调控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建含LCC和VSC的复杂交直流混联电力系统模型，系统结构如图9所示，其中送受端电网通过电压等级为±800 kV一条LCC-VSC和一条LCC- LCC及电压等级为500 kV两条交流线路并联连接构成一个复杂的交直流混联同步电网。LCC-VSC和LCC-LCC的额定容量分别为5 000 MW和8 000 MW。7台发电机组和与其单元接线的变压器详细参数见附表1和附表2。500 kV交流系统包括14个交流负荷，功率大小见附表3，LCC-LCC和LCC-VSC整流、逆变侧换流变的技术参数见附表4和附表5，VSC桥臂拓扑参数见附表6。LCC-LCC和LCC-VSC的各站控制模式分别采用第2节所提控制策略。
图9所示的交直流混联电力系统仿真模型，设500 kV交流线路1在仿真10 s时刻发生断线故障跳闸，交流线路1功率输送中断，潮流发生转移，直流未启动紧急功率控制时，N-1故障下无直流紧急功率支援控制时的传输功率如图10所示。如图10a所示，500 kV交流线路1输送的功率转移至500 kV交流线路2，输送功率接近1 600 MW，超过了其稳定运行功率阈值1 000 MW，导致500 kV交流线路2过载严重。如图10b所示，±800 kV LCC-LCC和LCC-VSC输送功率不变化，不参与系统的紧急功率控制，仍然按照原来设定的功率值进行传输。
图8 交直流混联电力系统紧急频率支援协调控制流程
Fig.8 Coordinated control flow chart of emergency power support for AC-DC hybrid power system
根据图7所示的优先级紧急功率支援协调控制策略，优先增加LCC-VSC功率输送指令值，提升其输送功率，500 kV交流线路1断线后损失的功率由LCC-VSC和交流线路分担。LCC-VSC进行功率紧急控制前后的功率变化如图11所示。如图11a所示，实施LCC-VSC紧急功率控制后，500 kV交流线路2输送的功率迅速稳定在安全阈值范围内。如图11b所示，在10 s时刻LCC-VSC的输送功率提升至3 300 MW，LCC-LCC输送功率保持不变。
500 kV交流系统N-1故障系统频率如图12所示。当500 kV交流线路1断开后，±800 kV LCC-VSC系统未参与功率控制时，受端系统的频率特性曲线如图12中（蓝色）实线所示，受端系统频率最低降至49.548 Hz，频率跌落严重。当通过±800 kV LCC- VSC紧急功率控制时，使得系统频率可以快速恢复稳定至50 Hz，可以实现系统频率的无差调节，如图12中（红色）虚线所示。可以看出，LCC-VSC参与紧急功率控制时，系统频率波动较小，提高了系统的频率稳定性，验证了所提出控制策略的有效性。
图9 含LCC和VSC的复杂交直流混联电力系统仿真模型
Fig.9 Simulation model of complex AC-DC hybrid power system with LCC and VSC
图10 N-1故障下无直流紧急功率支援控制时的传输功率
Fig.10 Transmission power without DC emergency powersupport control under N-1 fault
图11 LCC-VSC进行功率紧急控制前后的功率变化
Fig.11 Power changes before and after emergency power control by LCC-VSC
图12 500 kV交流系统N-1故障系统频率
Fig.12 Frequency of N-1 fault system in 500 kV AC system
N-2故障下无直流紧急功率支援控制时的传输功率如图13所示。如图13a所示，500 kV交流线路1和500 kV交流线路2在仿真10 s时刻发生断线故障，两条线路功率输送瞬间降为零。N-2故障情况下，如图13b所示，直流未参与紧急功率支援时，直流输送功率值基本不变。
图13 N-2故障下无直流紧急功率支援控制时的传输功率
Fig.13 Transmission power without DC emergency power support control under N-2 fault
采用LCC-VSC和LCC-LCC紧急功率分级协调控制策略时，LCC-LCC和LCC-VSC紧急功率支援功率如图14所示，LCC-VSC输送的功率提升至2 360 MW，此时为额定功率运行，系统剩余的有功功率将由LCC-LCC承担，功率提升量为665 MW。因此验证了图7提出的LCC-VSC和LCC-LCC紧急功率分级协调控制策略的有效性。
图14 LCC-LCC和LCC-VSC紧急功率支援功率
Fig.14 Emergency power support power of LCC-LCC and LCC-VSC
当500 kV交流线路1和交流线路2断开后，两端电网处于异步互联状态，受端系统因功率缺额较大导致频率大幅度跌落，如图15所示。
图15 交流系统N-2故障下紧急功率支援效果对比
Fig.15 Comparison of emergency power support effect under N-2 fault of AC system
根据图15所示，通过LCC-VSC和LCC-LCC的紧急功率协调控制，系统频率快速恢复稳定，如红色点划线所示，紧急功率协调控制启动后，系统频率60 ms后基本恢复至50 Hz，仅通过LCC-LCC进行紧急功率控制时，相比于LCC-VSC和LCC- LCC的紧急功率协调控制，系统频率恢复时间明显较长。
假设LCC-LCC在仿真10 s时刻发生双极闭锁故障，LCC-LCC输送功率瞬时降为零，导致整流侧交流系统功率过剩而逆变侧交流系统功率严重缺额，此时受端电网损失的功率为4 000 MW。传统直流双极闭锁下无紧急功率支援的系统功率如图16所示。当LCC-VSC未进行紧急功率控制时，原LCC-LCC输送的功率将转移至500 kV交流联络线1和线路2，导致交流线路严重过载，交流线路传输功率最大达到2 268 MW，500 kV交流系统1和交流线路2的输送功率分别是安全稳定运行功率的2.268倍和1.716倍，如图16a所示，远远超过交流系统安全稳定运行功率1 000 MW。由于此时LCC- VSC未进行紧急功率支援控制，LCC-VSC仍然按照原来设定的功率值进行输送，如图16b中红色曲线所示。
图16 传统直流双极闭锁下无紧急功率支援的系统功率
Fig.16 System power without emergency power support under traditional DC bipolar blocking
当LCC-VSC进行紧急功率支援时，传统直流双极闭锁下LCC-VSC进行紧急功率支援时的系统功率如图17所示。如图17b所示，LCC-VSC的功率提升至5 350 MW，功率增加值为2 820 MW，此时两条交流输电线路的功率值均低于安全运行功率1 000 MW，交流线路过载得到缓解。
图17 传统直流双极闭锁下LCC-VSC进行紧急功率支援时的系统功率
Fig.17 System power of LCC-VSC for emergency power support under traditional DC bipolar blocking
LCC-LCC直流闭锁故障前后频率变化如图18所示。LCC-LCC双极闭锁后，LCC-VSC采取LCC- VSC进行紧急功率控制时，系统频率可在60 ms后恢复至50 Hz，实现系统频率无差调节，如（红色）实线所示；而未采用LCC-VSC进行紧急功率控制时，其频率波动幅度的稳定值达到50.12 Hz，已超出系统频率允许范围。
图18 LCC-LCC直流闭锁故障前后频率变化
Fig.18 Frequency change before and after LCC-LCC DC blocking fault
根据传统直流和柔性直流在紧急功率支援时各自优势，提出了一种优先级紧急功率支援协调控制策略，对于含柔性直流的交直流混联电力系统中分别发生交流系统N-1、N-2故障及传统直流双极闭锁三种故障工况，优先选择柔性直流进行紧急功率支援控制，得出结论如下：
1）N-1故障时：与未进行直流紧急功率支援相比，优先采用LCC-VSC进行紧急功率支援，极大地缓解了健全极交流线路2的输送功率负担，交流频率波动率降低了40%，且系统频率快速恢复稳定至50 Hz。
2）N-2故障时：未进行直流紧急功率支援时，系统频率偏移超过0.5 Hz。而优先采用LCC-VSC进行紧急功率支援，剩余功率缺额再由LCC-LCC进行输送，系统频率波动率降低了65.9%，且LCC- LCC和LCC-VSC输送功率值都允许范围内。
3）LCC-LCC双极闭锁时：此时优先采用LCC- VSC进行紧急功率支援，剩余功率再由交流线路1和2进行输送，系统频率波动率降低了20%。
附 录
附表1 发电机组技术参数
App.Tab.1 Technical parameters of generator set
发电机组额定电压/kV额定电流/kA额定容量/ (MV·A)惯性时间常数/s额定转速/ (rad/s) G12072.1692 5004314.15 G22072.1692 5004314.15 G320288.67510 0004314.15 G42072.1692 5004314.15 G520129.1954 4754314.15 G620129.9154 4754314.15 G720129.9154 4754314.15
附表2 500 kV交流变压器技术参数
App.Tab.2 500 kV AC transformer technical parameters
变压器组一次绕组电压/kV二次绕组电压/kV额定容量/ (MV·A)短路电抗百分值(%)空载电流百分值(%) T1525205 00050.2 T2525205 00050.2
（续）
变压器组一次绕组电压/kV二次绕组电压/kV额定容量/ (MV·A)短路电抗百分值(%)空载电流百分值(%) T35252010 00050.2 T4525205 00050.2 T5525205 00050.2 T6525205 00050.2 T7525205 00050.2
附表3 负荷节点有功功率
App.Tab.3 Active power of load node
负荷名称有功功率/MW Load11 200 Load2300 Load31 200 Load4300 Load5300 Load61 200 Load71 200 Load81 200 Load91 200 Load101 200 Load111 200 Load121 200 Load131 200 Load14900
附表4 LCC-LCC换流变压器技术参数
App.Tab.4 Technical parameters of LCC-LCC converter transformer
参数整流侧逆变侧 Y/YY/DY/YY/D 额定容量/(MV·A)1 5001 5001 5001 500 电压等级/kV510/170510/170510/180510/180 短路阻抗(%)18181818
附表5 LCC-VSC换流变压器关键技术参数
App.Tab.5 Key technical parameters of LCC-VSC converter transformer
参数整流侧逆变侧 Y/YY/DY/DY/D 额定容量/(MV·A)1 2501 2501 2501 250 电压等级/kV525/175525/175525/230525/230 短路阻抗(%)12121010
附表6 VSC换流器单桥臂技术参数
App.Tab.6 Technical parameters of single bridge arm of VSC converter
参 数数 值 子模块个数200 子模块电容/mF18 桥臂电感值/mH180 平波电抗器(高压端)/mH100 平波电抗器(低压端)/mH75 子模块电容电压/kV4
对于交直流混合电网的暂态稳定分析，换流站的整流和逆变侧通常采用准稳态模型，因此LCC-LCC输电系统数学模型如附图1所示。
（A1）
（A2）
（A3）
附图1 LCC-LCC输电系统等效电路
App.Fig.1 LCC-LCC equivalent circuit of transmission system
（A4）
（A5）
（A6）
（A7）
（A8）
（A9）
（A10）
式中，
和
分别为整流和逆变侧直流出口处的电压；
和
分别为整流侧注入到直流系统中的有功和无功功率；
和
分别为逆变侧注入到交流系统中的有功和无功功率；
为逆变侧交流滤波器提供的无功功率；
为功率因数角；
为整流器的延迟触发角；
为整流器的超前触发角；
为整流器和逆变器的换相重叠角；
和
分别为整流器和逆变器的等值换相电抗；
为直流线路的电阻；
为换流站内无功补偿的等值电纳；
为换流站逆变侧消耗的无功功率。
对于交直流混合电网暂态稳定分析，换流站的整流和逆变侧通常采用准稳态模型，可以得出LCC-VSC系统数学模型等效电路如附图2所示。整流侧采用LCC换流器，逆变侧采用VSC换流器，选择箭头方向为参考正方向。
LCC整流器在正常运行时双极之间的直流输出电压大小为
（A11）
附图2 LCC-VSC输电系统等效电路
App.Fig.2 LCC-LCC equivalent circuit of transmission system
不考虑换流器的功率损耗，整流侧送端电网输入到直流侧的有功和无功功率为
（A12）
（A13）
（A14）
VSC逆变侧忽略换流器的损耗，可以得到功率的表达式为
（A15）
（A16）
（A17）
（A18）
式中，
和
分别为整流侧LCC和逆变侧VSC直流出口处的电压；
和
分别为送端电网注入到直流系统中的有功和无功功率；
和
分别为VSC逆变侧直流系统注入到交流系统中的有功和无功功率；
为送端电网换流器的换相电抗；
为受端电网换流器的换相电抗；
为VSC逆变器交流侧出口与交流系统之间的电压相位差；m为VSC换流器的输出电压调制比；
为直流线路的电阻。
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Abstract The emergency power control of the DC system is used to balance the power shortage in the system, reduce the frequency deviation of the generator set, and improve the transient frequency stability of the system. In the AC/DC hybrid power system with flexible DC, using the flexible DC to improve the stability of the AC/DC hybrid power system becomes a pressing technical challenge. Traditional DC systems (line commuted converter, LCC) face difficulties in independently controlling active and reactive power during emergency power support, often necessitating the addition of numerous reactive power compensation devices. Therefore, the conventional DC inverter station LCC in the existing AC/DC hybrid system is replaced with a flexible DC converter station (voltage source converter, VSC). Based on the respective advantages of LCC-LCC and LCC-VSC, a prioritized coordination control strategy for emergency power support is proposed. When the AC/DC hybrid system with flexible DC needs DC emergency power support, the LCC-VSC is preferentially used to provide emergency power support to the system. If the power shortage exceeds the power regulation margin of LCC-VSC, the remaining power is transmitted by LCC-LCC.
The fast power regulation characteristics of the DC system are used to rebalance the system power shortage. Firstly, the theory of DC participation in emergency frequency support is analyzed. Then, a priority hierarchical coordinated control strategy is designed. Finally, simulation results verify the effectiveness of the proposed scheme in realizing emergency frequency support.
For the AC system N-1, N-2 fault, and LCC bipolar blocking three fault conditions in the AC/DC hybrid power system with flexible DC, the flexible DC is preferentially selected for emergency power support control. When an N-1 fault occurs, compared to situations without DC emergency power support, LCC-VSC is preferred for emergency power support. The transmission power burden of non-fault pole AC line 2 is greatly alleviated, the AC frequency fluctuation rate is reduced by 40%, and the system frequency is quickly restored and stabilized to 50 Hz. When an N-2 fault occurs, the system frequency offset exceeds 0.5 Hz without DC emergency power support. However, using the LCC-VSC as the primary emergency power support and LCC-LCC for additional support, the system frequency fluctuation rate is reduced by 65.9%, and the LCC-LCC and LCC-VSC transmission power values are within the allowable range. When LCC-LCC bipolar blocking, LCC-LCC VSC is preferred for emergency power support, and the remaining power is transmitted by AC lines 1 and 2. The system frequency fluctuation rate is reduced by 20%. Through the emergency power coordinated control of LCC-VSC and LCC-LCC, the system frequency is quickly restored to stability. After the emergency power coordinated control starts, the system frequency is basically restored to 50 Hz after 60 ms. When relying solely on LCC-LCC for emergency power control, the system frequency recovery time is significantly longer than the coordinated control of LCC-VSC and LCC-LCC.
keywords：AC/DC hybrid system, LCC-LCC, LCC-VSC, emergency frequency support, emergency DC power support
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221842
中图分类号：TM721.1
国家自然科学基金重点项目（52037003）和云南省重大科技专项计划项目（202002AF080001）资助。
收稿日期 2022-09-30
改稿日期 2023-01-09
束洪春 男，1961年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为新型继电保护与故障测距、数字信号处理及其应用、电力系统CTI技术等。E-mail: kmshc@sina.com
邵宗学 男，1994年生，博士研究生，研究方向为柔性直流输电技术。E-mail: 2971537463@qq.com（通信作者）
（编辑 郭丽军）