華東多直流饋入系統(tǒng)換相失敗仿真研究

李新年，李 濤，劉 耀，王晶芳，龐廣恒，陳樹勇，雷 霄，楊 鵬

(1．北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京市100044;2．中電普瑞科技有限公司，北京市100192;3．中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 引 言

換相失敗［1-2］是采用半控元件晶閘管組成的換流器處于逆變工作狀態(tài)時(shí)一種常見的瞬時(shí)故障過程，逆變站近區(qū)發(fā)生交流系統(tǒng)故障，易造成換流母線電壓大幅跌落，直流系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)換相失敗難以避免。2013年落點(diǎn)華東地區(qū)的直流已有6 回，包括葛洲壩—南橋、龍泉—政平、宜都—華新、團(tuán)林—楓涇4 回三峽電站送出的±500 kV 直流輸電系統(tǒng)，復(fù)龍—奉賢和錦屏—蘇州2 回四川送出的±800 kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)。華東地區(qū)多個(gè)直流逆變站落點(diǎn)密集，各回直流之間以及直流與交流之間的相互作用將更為復(fù)雜，可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)直流同時(shí)換相失敗，給整個(gè)交直流系統(tǒng)帶來沖擊。2012 和2013年出現(xiàn)過交流故障導(dǎo)致華東地區(qū)葛南、宜華、林楓、復(fù)奉4 回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗，引起受端交流系統(tǒng)有功、無功和電壓瞬間大幅度波動(dòng)，對交流系統(tǒng)產(chǎn)生一定沖擊，由于事故發(fā)生時(shí)華東電網(wǎng)正處于迎峰度夏階段，系統(tǒng)短路容量水平較高，隨著故障的消失，交直流系統(tǒng)可以恢復(fù)正常運(yùn)行。多直流饋入系統(tǒng)換相失敗對交直流輸電系統(tǒng)的影響日益成為值得關(guān)注的問題［3-9］。

近年來研究主要針對多直流饋入系統(tǒng)［10-15］，但研究中直流控制大多采用簡化模型［16-23］，導(dǎo)致?lián)Q相失敗及其恢復(fù)過程與實(shí)際工程存在一定差異。近2年雖然利用與工程一致的直流控制保護(hù)仿真模型進(jìn)行換相失敗研究，但均為單饋入直流輸電模型。

本文在電磁暫態(tài)程序中根據(jù)華東電網(wǎng)2013年夏季高峰方式電力系統(tǒng)分析軟件(Bonnevile Power Administration，BPA)動(dòng)態(tài)等值數(shù)據(jù)，建立了華東電網(wǎng)多直流饋入輸電系統(tǒng)研究模型，采用了與直流工程控制保護(hù)一致的詳細(xì)模型，研究了華東地區(qū)交流系統(tǒng)發(fā)生單相和三相故障時(shí)，交直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和相互影響:包括換相失敗持續(xù)時(shí)間，直流恢復(fù)時(shí)間以及逆變站與交流系統(tǒng)交換無功功率在故障及其恢復(fù)期間的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為調(diào)度運(yùn)行提供技術(shù)參考。

1 華東電網(wǎng)動(dòng)態(tài)等值

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，而電磁暫態(tài)仿真程序受到計(jì)算速度的限制，規(guī)模又不能太大，因此進(jìn)行電磁暫態(tài)分析時(shí)一般根據(jù)研究需要對原網(wǎng)進(jìn)行等值，在保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的前提下，簡化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。本文采用PSD_BPA 對華東電網(wǎng)2013年夏大數(shù)據(jù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)等值，等值電網(wǎng)保留了宜都—華新、葛洲壩—南橋、團(tuán)林—楓涇、復(fù)龍—奉賢、錦屏—蘇州、龍泉—政平6 回直流;保留了上海電網(wǎng)的500 kV雙環(huán)網(wǎng)，以及上海至江蘇、上海至安徽的500 kV省際聯(lián)絡(luò)線。等值網(wǎng)節(jié)點(diǎn)約80個(gè)，其中等值機(jī)19 臺(tái)、保留機(jī)組4 臺(tái)、保留線路約110條。

等值網(wǎng)與原網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)母線電壓偏差不超過0.5%，線路潮流誤差不超過3%;另外，通過保留線路的三相永久故障，比較了等值網(wǎng)與原始網(wǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。圖1 給出了亭衛(wèi)—遠(yuǎn)東交流三相永久性線路故障下原網(wǎng)和等值網(wǎng)的BPA 有功功率響應(yīng)曲線。由圖1 可以看出，等值網(wǎng)故障后的動(dòng)態(tài)性能與原網(wǎng)基本一致。

圖1 亭衛(wèi)—遠(yuǎn)東500 kV 交流線路三相永久性故障BPA 波形Fig.1 BPA wave of Tingwei-Yuandong 500 kV three-phase AC line faults

2 仿真建模

根據(jù)等值后的華東2013年夏季高峰方式，在EMTDC 程序［21］上建立了華東多直流饋入系統(tǒng)研究模型。其中錦屏—蘇州、葛洲壩—南橋、團(tuán)林—楓涇、復(fù)龍—奉賢采用了與實(shí)際工程一致的直流控制保護(hù)模型，首次實(shí)現(xiàn)了南瑞、許繼和ABB 公司多種技術(shù)路線直流控制保護(hù)詳細(xì)模型的有效結(jié)合，而受電網(wǎng)規(guī)模限制宜都—華新和龍泉—政平采用相對簡化的控制保護(hù)模型，但直流模型中均包含與工程一致的換相失敗預(yù)測邏輯，可以進(jìn)行換相失敗過程的詳細(xì)研究。

發(fā)電機(jī)采用詳細(xì)電磁暫態(tài)模型，包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilization，PSS);交流負(fù)荷由恒阻抗、恒電流和恒功率負(fù)荷組成;輸電線路采用Bergeron 模型。

為驗(yàn)證模型的有效性，選取了8月8 日上海外高橋三廠出線路橋5138 線C 相故障，導(dǎo)致復(fù)奉、林楓、宜華、葛南4 回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗的案例，在電磁暫態(tài)模型上進(jìn)行了故障再現(xiàn)。

從圖2 給出顧路—外高橋C 相故障葛洲壩—南橋仿真和現(xiàn)場的對比波形上看，直流電壓、直流電流以及觸發(fā)角在故障和恢復(fù)過程中仿真與現(xiàn)場波形基本一致，仿真模型可以精確反映換相失敗及其恢復(fù)的動(dòng)態(tài)過程。

圖2 顧路—外高橋單相故障葛洲壩—南橋直流波形(圖中Ud 為直流電壓，Id 為直流電流，α 為觸發(fā)角)Fig.2 Wave of Gezhouba-Nanqiao HVDC in Gulu-Waigaoqiao single-phase AC line faults

3 仿真研究

基于研究模型，對復(fù)奉、宜華、林楓、葛南、錦蘇、龍政6 回直流落點(diǎn)華東電網(wǎng)情況下，發(fā)生交直流系統(tǒng)故障時(shí)的各回直流換相失敗及恢復(fù)情況進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容包括:(1)受端交流線路單相故障;(2)受端交流線路三相故障;(3)逆變站丟失脈沖故障。最后根據(jù)研究結(jié)果給出了單相和三相交流線路故障可能導(dǎo)致華東6 回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗的區(qū)域。

3.1 交流線路單相故障

華東地區(qū)換流站出線、上海環(huán)網(wǎng)和江蘇地區(qū)500 kV交流線路上進(jìn)行單相永久性接地故障試驗(yàn)。計(jì)算中葛南、宜華、林楓、復(fù)奉、龍政、錦蘇直流均采用整流側(cè)定電流控制、逆變側(cè)預(yù)測型關(guān)斷角控制，采用文［15］提出的利用換流變閥側(cè)電流判別是否發(fā)生換相失敗，研究結(jié)果見表1 ～3。

表1 華東地區(qū)單相交流故障時(shí)直流換相失敗持續(xù)時(shí)間Table 1 DC commutation failure duration caused by single-phase AC fault in the East China Power Grid ms

表2 華東地區(qū)單相故障時(shí)逆變側(cè)換流母線最低電壓Table 2 Inverter bus minimum voltage during single-phase fault in the East China Power Grid pu

表3 華東地區(qū)單相故障時(shí)直流恢復(fù)時(shí)間Table 3 DC power recovery time for single-phase fault in the East China Power Grid ms

從研究結(jié)果可見，在上海和江蘇地區(qū)主要保留線路上發(fā)生單相永久性故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致葛南、宜華、林楓、復(fù)奉、錦蘇5 回直流逆變器發(fā)生換相失敗，部分線路會(huì)導(dǎo)致6 回直流同時(shí)換相失敗。一般交流故障后，換相失敗預(yù)防功能(commutation failure prediction，CFPREV)迅速啟動(dòng)(見圖3)，立即減小逆變站觸發(fā)角，從而增大換相裕度，避免發(fā)生連續(xù)換相失敗。換相失敗持續(xù)時(shí)間根據(jù)逆變站與故障點(diǎn)的電氣距離遠(yuǎn)近不同，換流母線電壓的跌落情況不同而不同，為10 ～103 ms，政平站與其他5 回直流的落點(diǎn)距離相對較遠(yuǎn)，因此在上海環(huán)網(wǎng)發(fā)生交流線路故障時(shí)，龍政直流發(fā)生換相失敗的次數(shù)較少。在換相失敗期間，直流電流上升，直流電壓下降甚至反向，導(dǎo)致直流輸送功率瞬時(shí)下降至0，甚至有時(shí)反向最低可降至－1.0 pu，直流功率為0 的時(shí)間一般不超過100 ms。從故障清除算起，恢復(fù)到故障前輸送功率90%的時(shí)間為27 ～220 ms。

圖3 熟南—石牌500 kV 交流線路單相永久性故障錦屏—蘇州特高壓直流的仿真波形Fig.3 Jinping-Suzhou UHVDC simulation waveform during Shunan-Shipai single-phase AC line faults

重合于故障時(shí)，直流一般會(huì)再次發(fā)生換相失敗，對系統(tǒng)的擾動(dòng)比發(fā)生單相瞬時(shí)故障時(shí)要強(qiáng)烈，表現(xiàn)在換相失敗的時(shí)間和故障后恢復(fù)的時(shí)間要略長一些。發(fā)生單相永久故障后，交直流系統(tǒng)都能保持穩(wěn)定。圖3 給出了熟南—石牌交流線路單相永久性故障錦屏—蘇州特高壓直流的仿真波形。

為掌握華東地區(qū)交流線路發(fā)生單相故障導(dǎo)致華東地區(qū)6 回直流同時(shí)換相失敗的區(qū)域(用粗線標(biāo)記)，為調(diào)度運(yùn)行提供參考，對華東地區(qū)主要的交流線路進(jìn)行仿真計(jì)算，并給出華東地區(qū)單相故障導(dǎo)致華東地區(qū)6 回直流同時(shí)換相失敗的線路(見圖4)。從圖4 中可以看出:導(dǎo)致華東地區(qū)6 回直流同時(shí)換相失敗的線路有茅山—斗山、斗山—熟南、熟南—石牌、石牌—黃渡、徐行—黃渡、泗涇—黃渡、黃渡—宜華、晉陵—張家港、張家港—熟北、惠泉—梅里、梅里—木瀆、木瀆—同里。

圖4 華東地區(qū)單相故障導(dǎo)致6 回直流同時(shí)換相失敗的區(qū)域Fig.4 Simultaneous commutation failure region of DC systems in six circuits caused by single-phase fault in the East China Power Grid

3.2 交流線路三相故障

在華東地區(qū)換流站出線、上海環(huán)網(wǎng)和江蘇地區(qū)500 kV 交流線路上進(jìn)行三相永久性接地故障試驗(yàn)，研究結(jié)果見表4 ～6。

表4 華東地區(qū)三相故障時(shí)直流換相失敗持續(xù)時(shí)間Table 4 Commutation failure duration during three-phase AC fault in the East China Power Grid ms

從研究結(jié)果可見，在上海地區(qū)保留線路上發(fā)生三相故障時(shí)，部分線路會(huì)導(dǎo)致6 回直流同時(shí)換相失敗，換相失敗持續(xù)時(shí)間為10 ～108 ms，在逆變器換相失敗期間，直流電流上升，直流電壓下降甚至反向，導(dǎo)致直流的輸送功率瞬時(shí)下降至0?；謴?fù)到故障前輸送功率90%的時(shí)間，從故障清除算起，為7 ～245 ms，從研究結(jié)果上看:500 kV 交流線路三相永久故障，交直流系統(tǒng)均保持穩(wěn)定。三相永久性故障典型波形見圖5。

表5 華東地區(qū)三相故障時(shí)逆變側(cè)換流母線最低電壓Table 5 The minimum converter voltage during three-phase AC fault in the East China Power Grid pu

表6 華東地區(qū)單相故障時(shí)直流恢復(fù)時(shí)間Table 6 DC power recovery time during three-phase AC fault in the East China Power Grid ms

逆變站與交流系統(tǒng)交換無功功率在故障及其恢復(fù)期間的變化，可分為3 種情況:

第1 類為換流站出口交流線路故障。由于換流母線三相電壓降至0 附近，所以在故障期間交換無功功率在0 附近;由于故障期間直流換相失敗，在電流調(diào)節(jié)器和低壓限流環(huán)節(jié)(voltage dependent current order limiter，VDCOL)作用下，直流電流大幅下降甚至降至0 附近;當(dāng)故障清除后，直流電流在VDCOL 的作用下，隨著直流電壓的恢復(fù)逐漸上升，而換流母線電壓在故障清除后可快速恢復(fù)，此時(shí)逆變站交流濾波器發(fā)出無功功率一般會(huì)大于換流器消耗無功功率，短時(shí)向交流系統(tǒng)注入大量無功功率，持續(xù)時(shí)間大于50 ms。直流額定功率下，特高壓直流向交流系統(tǒng)注入無功功率為3 000 Mvar，常規(guī)直流注入無功功率為1 400 Mvar。

圖5 亭衛(wèi)—遠(yuǎn)東交流三相故障復(fù)龍—奉賢特高壓直流的仿真波形Fig.5 Fulong-Fengxian UHVDC simulation waveform during Tingwei-Yuandong three-phase AC line faults

第2 類為逆變站附近交流線路故障。換流母線電壓跌落導(dǎo)致直流逆變器發(fā)生換相失敗，換相失敗期間直流消耗無功功率增加，持續(xù)時(shí)間約50 ms，特高壓直流從交流系統(tǒng)吸收無功功率為2 500 Mvar，常規(guī)直流一般從交流系統(tǒng)吸收無功功率為1 200 Mvar，隨后在直流電流調(diào)節(jié)器和VDCOL 的作用下，直流電流下降，換流器消耗無功功率大幅下降。故障清除后，直流電流在VDCOL 的作用下隨著直流電壓的恢復(fù)逐漸上升，此時(shí)逆變站交流濾波器發(fā)出無功功率大于換流器消耗無功功率，短時(shí)向交流系統(tǒng)注入大量無功功率，持續(xù)時(shí)間大于50 ms，直流額定功率下，特高壓直流最大注入無功功率為2 500 Mvar，常規(guī)直流最大注入無功功率為1 100 Mvar，一般比第1 類向交流系統(tǒng)注入的無功功率略小。

第3 類為逆變側(cè)遠(yuǎn)端交流線路故障。若交流故障引起換流母線電壓下降幅度較大導(dǎo)致直流發(fā)生換相失敗，此種情況與第2 類相似。若交流故障沒有導(dǎo)致直流發(fā)生換相失敗，則在交流故障期間，由于交流擾動(dòng)引起換相失敗預(yù)防功能啟動(dòng)，瞬時(shí)減小逆變側(cè)觸發(fā)角，引起直流電壓下降，導(dǎo)致逆變站觸發(fā)角增大，直流電流上升，導(dǎo)致?lián)Q流器消耗的無功功率上升;直流額定功率下，交流擾動(dòng)期間，特高壓直流最大吸收無功功率為2 700 Mvar，常規(guī)500 kV 直流吸收的無功功率最大為1 500 Mvar。圖6 給出華東地區(qū)三相故障導(dǎo)致華東地區(qū)6 回直流同時(shí)換相失敗的區(qū)域(用粗線標(biāo)記)，從圖6 中可以看出:導(dǎo)致華東地區(qū)6 回直流同時(shí)換相失敗的線路主要集中在上海雙環(huán)網(wǎng)和上海至江蘇的聯(lián)絡(luò)線上。由于受端地區(qū)交流線路發(fā)生三相故障，導(dǎo)致各換流站換流母線電壓下降幅度更大，因此三相故障導(dǎo)致6 回直流同時(shí)換相失敗的范圍明顯大于單相故障。

圖6 華東地區(qū)三相故障導(dǎo)致6 回直流同時(shí)換相失敗的區(qū)域Fig.6 Simultaneous commutation failure region of DC systems in six circuits caused by three-phase fault in the East China Power Grid

3.3 丟失脈沖故障

引起直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的原因除了受端交流系統(tǒng)故障外，還有直流系統(tǒng)自身的原因，如逆變站控制系統(tǒng)觸發(fā)異常［22-24］。為掌握華東地區(qū)多回直流集中落點(diǎn)的情況下，某一直流逆變器發(fā)生丟失脈沖故障是否會(huì)導(dǎo)致多回直流同時(shí)換相失敗，為多直流饋入系統(tǒng)的運(yùn)行提供技術(shù)支持。在模型中分別研究了葛南、龍政、宜華、林楓、復(fù)奉、錦蘇直流逆變側(cè)單極發(fā)生丟失單次和丟失多次脈沖故障后，是否會(huì)引發(fā)其他直流發(fā)生換相失敗。由于葛南與林楓直流線路采用同塔架設(shè)，根據(jù)文獻(xiàn)［24］關(guān)于同塔架設(shè)直流線路對換相失敗的影響，同塔直流輸電系統(tǒng)某一極發(fā)生丟失脈沖故障可能會(huì)導(dǎo)致同塔的另一回直流發(fā)生換相失敗，因此葛南和林楓直流分別考慮了極1 和極2 丟失脈沖的情況，其他直流僅考慮了極1 丟失脈沖的情況。

從表7 研究結(jié)果看:林楓極I、極II 逆變器Y 橋分別發(fā)生丟脈沖故障，林楓雙極雙橋均發(fā)生換相失敗。葛南雙極雙橋均發(fā)生換相失敗。其余4 回直流均未發(fā)生換相失敗，典型波形如圖7 所示。葛南極I、極II 逆變器Y 橋分別發(fā)生丟脈沖故障，葛南故障橋換相失敗，其余橋未發(fā)生換相失敗，林楓未發(fā)生換相失敗，其余4 回直流均未發(fā)生換相失敗。由此可以看出雖然林楓和葛南直流線路同塔架設(shè)，由于葛南直流額定輸送電流1 200 A 遠(yuǎn)小于林楓直流的3 000 A，因此在故障過程中，林楓直流對葛南直流的影響更大。

表7 逆變站發(fā)生丟失多次脈沖故障對華東地區(qū)其他直流的影響Table 7 Influence of multiple misfire faults in the inverter on other HVDC in East China Power Grid

圖7 楓涇站極1 丟失脈沖故障華東地區(qū)6 回直流仿真波形Fig.7 DC simulation waveform of six circuits in the East China Power Grid after misfire fault of pole 1 in Fengjing Station

4 結(jié) 論

基于華東2013年夏季高峰方式電磁暫態(tài)模型，對復(fù)奉、宜華、林楓、葛南、錦蘇、龍政6 回直流落點(diǎn)華東電網(wǎng)的情況下，發(fā)生交直流系統(tǒng)故障時(shí)的各回直流換相失敗及恢復(fù)情況進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。

(1)在上海、江蘇地區(qū)保留線路上發(fā)生單相和三相故障時(shí)，一般均會(huì)導(dǎo)致多回直流逆變器發(fā)生換相失敗，部分線路會(huì)導(dǎo)致6 回直流同時(shí)換相失敗。換相失敗的時(shí)間根據(jù)直流與故障點(diǎn)的電氣距離遠(yuǎn)近不同，換流母線電壓的跌落情況不同而不同，為10 ～108 ms，直流恢復(fù)時(shí)間為7 ～245 ms。計(jì)算中的任意一回500 kV 交流線路故障，保護(hù)正確動(dòng)作，交直流系統(tǒng)均保持穩(wěn)定。

(2)通過上海和江蘇主要保留線路的仿真研究，對交流故障導(dǎo)致華東直流發(fā)生換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，給出了可能導(dǎo)致華東地區(qū)6 回直流同時(shí)換相失敗的區(qū)域，研究分析了換相失敗及其恢復(fù)期間逆變站與交流系統(tǒng)交換無功功率的變化規(guī)律。

(3)林楓極I 或極II 逆變器發(fā)生丟失脈沖故障時(shí)，林楓雙極均發(fā)生換相失敗，葛南雙極均發(fā)生換相失敗，其余4 回直流均未發(fā)生換相失敗。而南橋和其他4 回直流發(fā)生丟失脈沖故障時(shí)，僅導(dǎo)致本回直流發(fā)生換相失敗，不會(huì)引起華東其他5 回直流發(fā)生換相失敗。

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