基于換流站無功 /電壓控制策略的地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定分析

張忠華,吳曉蓉,王 穎

(東北電力設(shè)計院,長春 130021)

近年來,高壓及特高壓直流輸電技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛,包括遠距離、大容量架空輸電工程、背靠背直流聯(lián)網(wǎng)工程等。直流輸電也在我國西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)工程中起著關(guān)鍵作用[1-2]。

對于直流換流站,換流器在運行中要消耗大量的無功功率,額定條件下運行時換流器消耗的無功功率約為直流功率的30%～ 60%[3]。目前,已經(jīng)投運和在建的高壓及特高壓直流換流站中均配置了無功單元,以補償換流器在運行中消耗的無功。換流站無功單元一般包括交流濾波器、并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器等不同類型。

為保證換流器的安全可靠運行,需保證無功功率的供給,但無功功率過?；虿蛔銓⒅苯釉斐山涣鱾?cè)電壓的不穩(wěn)定,嚴重時危及整個交、直流系統(tǒng)的安全運行[4]。實際工程中,換流站通常通過預(yù)先設(shè)定的無功控制策略或過電壓保護策略投切無功單元以保證站內(nèi)的無功交換和交流母線電壓在一定范圍內(nèi)。

文獻[5]～ [8]對于換流站中無功單元的容量配置、控制策略、功能設(shè)計、實現(xiàn)方式等進行了深入研究,但其研究更多關(guān)注于換流站的直流控制和無功系統(tǒng)配置本身。本文則重點從換流站接入系統(tǒng)的角度出發(fā),利用 PSASP仿真軟件研究分析換流站接入某地區(qū)電網(wǎng)后,其無功 /電壓控制策略對地區(qū)電網(wǎng)的影響,特別是對地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響,并針對存在的電壓穩(wěn)定問題,提出有效的安全穩(wěn)定控制措施及建議。

1 換流站無功及電壓控制策略

1．1 換流站無功控制策略

換流站無功功率控制及策略是集成在控制系統(tǒng)內(nèi)的一個功能,由多個子功能組成,每個子功能按照預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級和判據(jù)條件實現(xiàn)其特定的控制功能。某個子功能發(fā)出的投切指令必須在與更高優(yōu)先級的子功能的控制要求不產(chǎn)生沖突時才能被有效執(zhí)行。通過各個子功能的有機配合,達到優(yōu)化的控制效果,并滿足系統(tǒng)運行的基本濾波要求、交流電壓和無功交換限制等邊界條件。

換流站中無功的投切一般按優(yōu)先級排序,按照優(yōu)先級 l最高,優(yōu)先級 5最低的順序,換流站無功控制策略見表1。

表1 無功投切優(yōu)先級及控制策略

1．1．1 絕對最小濾波器組控制

絕對最小濾波器組控制策略在無功控制中處于最高的優(yōu)先級,其功能是保證換流站具備最基本的濾波條件?？刂乒δ馨凑疹A(yù)先確定的濾波器的類型選擇投入絕對最小濾波器組,并對絕對最小濾波器組條件進行監(jiān)視。在判斷其他優(yōu)先級無功控制策略提出切除無功單元的請求,而切除后可能造成絕對最小濾波器組條件不滿足時,控制功能將閉鎖切除操作的執(zhí)行。

1．1．2 最高電壓限制

最高電壓限制功能在絕對最小濾波器組控制之后處于無功控制的第二優(yōu)先級,用以保證在直流系統(tǒng)的運行過程中與換流站相連的交流系統(tǒng)電壓不超過其最大和最小限制值。如果在一段預(yù)定的時間內(nèi)電壓水平超過了最大限制,將在滿足絕對最小濾波器要求的前提下,通過持續(xù)切除濾波器來限制電壓的進一步升高,在保護允許的范圍內(nèi)保持穩(wěn)態(tài)交流電壓水平。

1．1．3 最大無功交換限制

最大無功交換限制通過監(jiān)視運行情況,根據(jù)無功交換值限制投入系統(tǒng)的濾波器和并聯(lián)電容器組數(shù),通過限制投入的無功功率來改善系統(tǒng)運行情況變化時的系統(tǒng)電壓。計算出輸出到交流系統(tǒng)的無功功率后,選取下一個要投入的濾波器,與預(yù)先設(shè)定的無功功率限值QN進行比較,如果QN大于要投入的濾波器容量,該濾波器就會被允許投人。如果輸出到交流系統(tǒng)的無功功率大于無功功率限值QN,就會產(chǎn)生一個切除一組濾波器的指令。

1．1．4 最小濾波器組控制

最小濾波器組控制功能以系統(tǒng)是否滿足換流站的濾波特性為判據(jù),對最小濾波器組的投切進行控制。根據(jù)換流站整流 /逆變運行狀態(tài)和直流輸送功率,計算出滿足諧波濾波性能所需投入的濾波器組的最小數(shù)量和類型。當濾波條件不滿足時選擇符合類型要求的濾波器組并發(fā)出投入指令。但濾波器是否能夠投入,是由更高優(yōu)先級的無功控制子功能所設(shè)定的無功與電壓條件限制。同時當?shù)蛢?yōu)先級的無功 /電壓控制判據(jù)對濾波器組的切除將造成不滿足最小濾波器組條件時,最小濾波器組控制功功能將限制切除濾波器的操作。

1．1．5 無功 /電壓判據(jù)的無功控制

無功 /電壓判據(jù)的無功控制模式用來控制與交流電網(wǎng)交換的無功功率,交換功率應(yīng)該盡量接近預(yù)設(shè)的目標值,在目標值附近設(shè)置一個合適的死區(qū)值,死區(qū)值大于最大容量的一組濾波器的一半容量以避免重復(fù)投切,否則會造成頻繁投切濾波器。

最高電壓限制模式的輸入為交流系統(tǒng)的實際電壓U和參考電壓Ur,最高電壓限制對兩者進行比較并發(fā)出無功單元的投切命令,控制換流站交流母線電壓變化處于設(shè)定的Ur±ΔU范圍之內(nèi)。在與換流站相連的交流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較弱的情況下,無功的增減都將顯著引起交流系統(tǒng)的電壓波動,所以弱交流系統(tǒng)一般選擇最高電壓限制模式,以便通過無功單元的投切對系統(tǒng)電壓的波動進行更為直接和有效的限制。

1．2 換流站電壓控制策略

為保持換流站交流側(cè)的電壓穩(wěn)定,防止過電壓對系統(tǒng)和設(shè)備造成沖擊,換流站通常會采取過電壓控制策略,典型換流站中過電壓控制策略如表2所示。隨著過電壓出現(xiàn)幅值的不同,濾波器的切除策略隨之調(diào)整。

一般情況下,直流系統(tǒng)的調(diào)制速率為 0～9999 MW/s連續(xù)可調(diào)。當直流控制系統(tǒng)接收到直流調(diào)制指令時,會在很短的時間內(nèi)完成直流調(diào)制過程。以直流調(diào)制速率3000 MW/s、回降600 MW功率為例,直流控制系統(tǒng)將在200 ms內(nèi)完成直流回降。直流功率在如此短的時間內(nèi)發(fā)生變化,無功單元來不及投切,系統(tǒng)過電壓幅值很高,直流控制系統(tǒng)將依據(jù)表2所示的電壓控制策略投切無功單元,以維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。雖然按表2中的過電壓控制策略能夠保證換流站內(nèi)的電壓保持穩(wěn)定,避免設(shè)備受到高壓損害,但卻對所在地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定帶來較大的影響。

當直流本身故障導(dǎo)致?lián)Q流器閉鎖或收到其他系統(tǒng)(如安全控制系統(tǒng))的閉鎖信號時,直流控制保護系統(tǒng)判斷故障類型,完成閉鎖并切除濾波器。對于直流閉鎖后切除濾波器的方式,可按照過電壓控制策略逐步予以切除,也可以采取閉鎖后快切全部濾波器的措施,即直流控制系統(tǒng)在完成閉鎖的同時切除投入運行的全部濾波器,全部過程約 100 ms。

表2 換流站過電壓控制策略

2 仿真分析

根據(jù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定相關(guān)導(dǎo)則[9-11]的要求,對某地區(qū)換流站接入系統(tǒng)后的電壓穩(wěn)定情況進行仿真計算。仿真計算采用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP 6．28),電壓穩(wěn)定仿真過程采用前述的無功及電壓控制策略。

2．1 系統(tǒng)條件

某地區(qū)新建 500 kV直流背靠背換流站,各自經(jīng)1回500kV線路連接 A、B電網(wǎng)。換流站 A網(wǎng)側(cè)裝設(shè)1組聯(lián)絡(luò)變壓器與地區(qū) 220 kV系統(tǒng)相連,地區(qū) 220 kV電網(wǎng)為長約 1100 km的單線大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),且無大電源接入。

2．2 換流站無功配置

換流站 A網(wǎng)側(cè)交流濾波器及并聯(lián)電容器分為 2大組,每個大組包括 5小組,每小組額定容量為50 Mvar。換流站聯(lián)變35 kV側(cè)裝設(shè)1組靜止無功補償裝置 (SVC),調(diào)節(jié)范圍為-64 Mvar(感性)～100 Mvar(容性),SVC控制目標為換流站 220 kV母線電壓,控制目標值為(225± 1)kV。換流站A網(wǎng)側(cè)無功補償系統(tǒng)接線示意圖如圖 1所示。圖中HP12/24為12次和24次諧波濾波器,HP3為3次諧波濾波器,SC為并聯(lián)電容器。該換流站中絕對最小濾波器組數(shù)與直流輸送功率之間的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

圖1 換流站A網(wǎng)側(cè)無功補償系統(tǒng)示意圖

表3 絕對最小濾波器組數(shù)與直流輸送功率之間對應(yīng)關(guān)系

2．3 穩(wěn)態(tài)分析

表4是在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)條件下,當換流站輸送不同直流功率時,通過站內(nèi)無功單元的投切和 SVC出力的調(diào)整,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓變化情況。

從表4可以看出,隨著直流輸送功率的下降,投入運行的無功單元逐步達到直流運行的最小濾波器組。當直流輸送功率達到200 MW時,在直流運行最小濾波器組(2組)的條件限制下,盡管 SVC已經(jīng)提供了最大的感性無功,但換流站500 kV母線電壓已達到549．1 kV。如果直流功率進一步降低,則換流站500 kV母線電壓將超過550 kV,超出電氣設(shè)備的電壓耐受水平。

出現(xiàn)上述狀況的主要原因是由于地區(qū) 220 kV系統(tǒng)網(wǎng)架為長距離大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),比較薄弱,缺乏大電源提供無功支撐,地區(qū)電壓無功調(diào)整較為困難。同時由于直流運行對最小濾波器組數(shù)提出要求,使得換流站的最小直流輸送功率受到一定的限制。

2．4 暫態(tài)分析

在換流站直流功率滿輸送的方式下,不同元件故障時的系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定情況以及相應(yīng)控制措施和效果如表5所示,主要結(jié)論如下：

表4 不同直流功率條件下系統(tǒng)電壓情況

表5 不同元件故障方式下系統(tǒng)電壓穩(wěn)定情況

圖2 直流閉鎖、分級切除濾波器

圖3 直流閉鎖、快切全部濾波器

圖4 500kV出線故障

圖5 500kV出線故障、回降直流

圖6 500kV出線故障、閉鎖直流

圖7 500kV聯(lián)絡(luò)變壓器故障

圖8 500kV聯(lián)絡(luò)變壓器故障、回降直流

圖9 220kV單回出線故障

圖10 220kV雙回出線跨線故障

圖11 220kV雙回出線跨線故障、回降直流

a．當直流換流器本身發(fā)生故障閉鎖時,無論采取何種切除濾波器的控制措施,系統(tǒng)電壓均能夠保持穩(wěn)定運行;但分級切除濾波器電壓回降較慢,而快切全部濾波器則能夠在最短的時間內(nèi)降低交流系統(tǒng)電壓。

b．當 500 kV出線發(fā)生故障時,對系統(tǒng)沖擊較大,采取回降直流功率、分級切除濾波器的措施,不能使系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定運行,必須采取閉鎖直流、快切全部濾波器的控制措施。

c．當500 kV聯(lián)絡(luò)變壓器發(fā)生故障時,對系統(tǒng)沖擊相對較小,通過采取回降直流功率、分級切除濾波器或閉鎖直流、快切全部濾波器的措施,均能夠使系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定運行。

d．當220 kV單回出線發(fā)生故障時,不需要采取控制措施,系統(tǒng)電壓能夠保持穩(wěn)定;但當220 kV雙回出線發(fā)生跨線故障時,需要采取回降直流功率、分級切除濾波器的措施以保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

3 建議采取的控制措施

結(jié)合前述安全穩(wěn)定計算分析結(jié)論,由于換流站所接入的地區(qū)電網(wǎng)較為特殊,無功調(diào)整較為困難,在換流站既定的無功和電壓控制策略條件下,某些方式下系統(tǒng)仍存在電壓穩(wěn)定問題。針對換流站接入地區(qū)電網(wǎng)后存在的安全穩(wěn)定問題,建議從運行方式、安全穩(wěn)定控制裝置配置、系統(tǒng)強化等多方面入手來保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行,主要措施及建議如下：

a．由于地區(qū) 220 kV交流系統(tǒng)與換流站聯(lián)系較弱,無功變化對地區(qū)電網(wǎng)電壓波動影響較大,因此,建議換流站無功控制選擇最高電壓控制模式。

b．運行方式上應(yīng)保證直流輸送的最小功率,避免因直流最小濾波器組數(shù)的限制而造成交流側(cè)電壓過高。

c．配置雙重化的安全穩(wěn)定控制裝置,作為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的緊急控制措施,主要功能包括：檢測直流輸送功率及運行狀態(tài);檢測 500 kV出線、聯(lián)絡(luò)變壓器及220 kV出線的運行工況及故障信息(包括跨線故障);根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障信息及預(yù)先制定的控制策略實現(xiàn)回降直流和閉鎖直流。

d．當直流系統(tǒng)本身故障發(fā)生閉鎖或者接收到安全穩(wěn)定控制裝置發(fā)出的閉鎖信號時,建議采取快切全部濾波器的措施,以盡快降低交流系統(tǒng)電壓。

e．為抑制直流小方式下交流系統(tǒng)母線電壓過高,建議在換流站內(nèi)增加配置一定容量的感性無功補償裝置,降低交流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓。

f．由于 500 kV出線和聯(lián)絡(luò)變壓器均為單一元件,故障后造成地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化較大,從而加重了對地區(qū)電網(wǎng)的沖擊,建議通過擴建500 kV出線和聯(lián)絡(luò)變壓器等措施,加強系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),減輕由于單一元件故障造成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化。

4 結(jié)束語

目前直流換流站建設(shè)過程中,往往重點關(guān)注對換流站本身直流設(shè)備、無功設(shè)備等方面的設(shè)計及研究,而忽略了換流站接入系統(tǒng)后對地區(qū)電網(wǎng)的影響,特別是直流輸送功率、無功電壓控制策略等。深入研究直流換流站無功配置及控制策略對地區(qū)電網(wǎng)的影響,有利于換流站接入系統(tǒng)后與地區(qū)電網(wǎng)相互適應(yīng)和運行安全,對系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行具有重要的現(xiàn)實意義。

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