一、引子
大家知道，长期以来我们国家的电网结构一直是交流电传输一统天下，庞大的交流输电网络犹如一条巨龙，将电能源源不断的送往祖国各行各业的四面八方。随着科学技术的发展，直流输电以其能够节省输电成本和提高输电效率等优势受到人们的青睐，近些年来发展速度非常快，目前我国包括“西电东输”工程在内已经建成了几十条高压直流输电工程，并与交流输电网络一起形成国家电力输送的双龙齐飞的态势。同时，随着国家对新能源领域的投入和大力建设，光伏风电产生的大量可再生能源也被接入到大电网中，多网融合已经成为目前乃至将来我国电网传输的主要特征。那么，直流电融入交流大电网后对电网的控制保护会带来哪些不利影响，我国的科技人员又是如何攻克这些难关的？下面让小编为你们介绍一下。
二、直流入网带来的影响有哪些？
在大容量直流输电和分布式新能源发电馈入交流电网后，打破了原本非常稳定的交流电网平衡态势，对电力系统的稳态和暂态特性均产生了巨大的影响。除了增大的电力系统规模，同时也带来了很多新的运行特性和复杂的运行模式，如故障对电网冲击加大、电源结构发生变化、能量潮流发生变化、电网调节能力下降、电网运行安全风险加大、电力系统趋向电力电子化等。特别是在有多个直流馈入的交直流混联电网中，虽然直流能较好解决电能的长距离传输和电力短缺问题，但多路直流与交流系统的混合大大增加了电网结构的复杂性，直流与直流、交流与直流之间的相互耦合作用很有可能造成连锁故障，扩大故障范围和加重故障后果。最典型的故障现象有：1、受端交流系统或直流系统发生故障时可能导致多回路直流连锁换相失败，使得直流电压降低、电流增大、直流传输功率波动，对电网造成一定冲击。2、连锁换相失败还可能引发更为严重的直流闭锁故障，出现直流功率中断、潮流大范围转移，危及受端电网的电压稳定性、功角稳定性以及频率稳定性。3、直流低功率运行时注入大量无功容易造成部分站点电压升高，接近或超过预警值，从而对用户设备造成很大的伤害风险。
因此掌握交直流电网交互影响过程及机理，提高对交直流电网的驾驭能力，进一步优化提升直流控制保护性能，降低导致直流闭锁事故发生的几率，减少直流低负荷时段向交流系统的无功注入，促进直流馈入时有效控制保护并与交流电网的协调配合，保障直流正常送电以及交直流电网安全稳定运行，成为当今世界各国科研人员们重点关注和攻克的难题。
三、我国科技人员做的工作
针对直流馈入交流网带来的影响和风险，我国各大院校、研究院所以及知名电力企业都对此关键技术一直进行了深入研究，力图尽快克服这一困扰喊行业多年的顽症。从2019年上海市科技大会上我们获知，上海电力公司的崔勇科研团队历时多年，不断创新和探索，成功攻克了直流馈入交流电网的关键技术难题，《直流控制保护与受端电网配合性能提升技术及应用》项目取得了众多技术成果并完成了多项工程应用。项目共获得授权发明专利22项，授权实用新型专利8项，受理发明专利9项，发表EI、核心期刊等论文21篇。中国电机工程学会组织的鉴定委员会认为，该项目在直流关键元件非电量保护建模仿真技术和预防交流故障导致直流闭锁的直流控保协调优化技术方面达到国际领先水平。由此项目获得了2019年上海市科技进步三等奖。下面为大家介绍一下该项目研发取得的成果。
1、该项目总体思路：首先开展直流馈入交流电网时的大规模交直流机电-电磁暂态混合仿真建模，在此基础上深入研究交直流系统故障交互影响特性和稳态无功交换特性,提出预防交流故障引发直流闭锁策略和减小交直流电网无功交换的策略，并基于南瑞和许继直流控保装置进行功能开发和试验验证。项目总体思路如图1所示。
图1 项目总体思路
2、创新成果：在整个研发过程中，团队根据对复杂交直流混联电网运行特性的独特认知，进行深入的分析和探索，并不断创新开拓，成功取得了多项突破。
创新点1：建立了平波电抗器瓦斯保护和水冷变频器保护等电气-非电量传导模型，他们具体的做法是：
基于ANSYS软件建立了油浸式平波电抗器三维模型，通过振动分析获取了换相失败电流大小与振动加速度之间的近似定量关系，基于高阶非线性差分建模技术建立了平波电抗器瓦斯保护数字仿真模型，通过与直流ADPSS电磁暂态模型进行闭环连接，准确模拟了交流系统故障后引发平波电抗器保护动作进而引发直流闭锁的全过程。
基于高阶非线性差分建模技术建立了含过压和欠压保护的水冷变频器保护数字仿真模型，通过与直流ADPSS电磁暂态模型进行闭环连接，准确模拟了交流系统故障后导致直流系统水冷变频器保护动作进而引发直流闭锁的全过程。仿真全过程如图2所示。
通过仿真模拟分析研究，实现了对交流系统故障导致直流关键元件非电量保护动作进而引发直流闭锁的全过程仿真模拟，团队由此提出并验证了保护优化方案，已在实际直流工程得到应用，避免了类似事故发生。
图2 交流电网故障引发直流水冷变频器保护动作全过程仿真
创新点2：建立了集成厂家直流控制保护程序的大规模交直流混联电网机电-电磁暂态混合仿真模型，他们的具体做法是：
建立了大规模交直流混联电网机电-电磁暂态混合仿真模型，其中直流以及近区交流电网采用电磁暂态详细模型，并集成了厂家直流控制保护程序，其余部分采用机电暂态模型，兼顾仿真准确度和仿真规模，为开展复杂交直流电网运行特性研究创造了条件。仿真结果如图3、图4所示。
图3 直流单极闭锁后其余直流紧急功率支援后的频率变化情况
图4 直流增大熄弧角后交直流无功交换情况
通过该仿真研究，团队研究掌握了在复杂交直流混联电网背景下，受端交流系统故障后直流控制保护动作行为以及引发直流闭锁的机理和条件；掌握了直流闭锁故障对受端交流电网的影响；提出并验证了多回直流紧急功率支援对改善受端电网频率和电压特性的作用；提出并验证了直流增大熄弧角以及换流站投切低抗等措施对减小交直流无功交换，缓解受端电网电压偏高问题的效果。从而提升了对大规模交直流混联电网运行特性的认知水平。
创新点3：提出基于电压和直流电流变化率修正和基于交流电网谐波的换相失败预测判据，提出低压限流、换相失败保护和谐波保护等关键环节的优化策略，有效降低交流故障或操作导致直流闭锁发生的几率。他们的具体做法是：
针对现有电压型换相失败预防策略的作用效果与故障时刻以及直流系统功率大小有很大关系等特点和不足，提出了基于直流电流变化率和基于交流电网谐波的换相失败预测判据并进行功能开发，根据直流电流的变化率或交流电网二次谐波含量来增大熄弧角参考值，提供阀更大的换相裕度来达到预测换相失败故障的目的，有效预防直流发生换相失败。
针对实际运行中空充变压器容易造成直流闭锁的问题，提出了通过设置单独的150Hz保护和在50Hz谐波保护增加闭锁判据等优化措施。根据变压器充电引起50Hz保护动作时，其交流网侧二次谐波正序含量超过3%，采用3%作为门槛值从而避免空充主变导致谐波保护误动作。
创新点4：提出换流器低负荷无功控制与换流变分接头档位调节的协调配合方法，实现直流送、受端换流站无功功率独立、平滑调节，减少低功率运行时向交流系统的无功注入。他们的具体做法是：
根据交换无功值与无功参考值之间的偏差来调节附加角的大小，整流侧将附加角与触发角参考值求和后得到用于分接头档位控制的触发角参考值，逆变侧将附加角与熄弧角参考值求和后得到用于熄弧角控制的熄弧角参考值。逆变站与整流站QPC相互独立，之间无相互影响，在QPC投入条件下，两站能正常解闭锁，并且两站QPC能平滑退出，不会对系统产生影响，具有很好的工程实用性。控制前后参数对比如表1所示。
表1 换流器低负荷无功控制功能投入前后直流运行参数比较
|
投入状态 |
g/(°) |
Tc_owsi |
Udi0i/kV |
Idi/A |
Udi/kV |
Qdi/ Mvar |
Qex /Mvar |
|
投入前 |
19.1 |
18 |
212.0 |
481.4 |
800.0 |
298.0 |
319 |
|
投入后 |
36.3 |
22 |
222.6 |
544.3 |
708.3 |
608.0 |
9 |
四、结 语
目前上海电力公司崔健科研团队的研究成果已经在上海、江苏等受端电网多个直流工程的控制保护程序优化、华东交直流电网交互影响评估分析以及复奉直流闭锁事故复现仿真中得到了应用，效果良好。
通过该项目实施，近几年上海电网直流换流站实现 “零闭锁”，未引发精准负荷控制系统动作切除用电负荷，单回特高压直流低功率运行时向交流电网无功注入减少了200~300Mvar，从而持续保障了上海跨区直流正常送电和特高压交直流电网安全稳定运行，避免了因交直流系统连锁反应导致的大停电事故的发生，促进了上海经济社会的正常运转。三年来上海电网通过直流累计受入清洁能源1398.6亿千瓦时，有力支撑了上海“生态城市”建设。
写到这里，想必大家已经了解了直流电能安全接入到交流电网的关键核心技术以及我国科研人员所做出的贡献。我们相信该项目将有利于促进我国特高压直流工程的推广应用，使我国的电网更坚强、更安全， 我们期待着我国科研人员能够创造出更多的佳绩。期待下次科普时与大家再见!
