交直流電力外送通道的協(xié)調(diào)控制分析

邊宏宇,郭崇軍（國家電網(wǎng)公司華中電力調(diào)控分中心,湖北武漢43OO77）

文章編號：lOO7-2322（2Ol5）O6-OO36-O4 文獻標志碼：A 中圖分類號：TM743

交直流電力外送通道的協(xié)調(diào)控制分析

邊宏宇,郭崇軍
（國家電網(wǎng)公司華中電力調(diào)控分中心,湖北武漢43OO77）

0 引 言

隨著近幾年電力資源迅速開發(fā),電力外送需求急劇增大。高壓直流持續(xù)滿功率外送有效緩解了電力富余地區(qū)的外送壓力。高壓直流輸電線路在用電高峰時段滿載、重載逐步成為電網(wǎng)運行的新常態(tài),在我國清潔能源外送、大范圍資源優(yōu)化配置中的重要作用日益凸顯,在電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、電力可靠供應(yīng)方面的重要影響更是牽一發(fā)而動全身。但是,隨著交直流外送通道耦合關(guān)系進一步增強,高壓直流換相失敗、再啟動等故障都可能引起大量不平衡功率在交流電網(wǎng)涌動,造成交流外送斷面等通道的潮流、電壓大幅波動,可能造成送端交流電網(wǎng)解列。某些電力資源富集地區(qū)裝機容量逐年增大,電力外送需求增加與外送通道能力有限的矛盾逐漸顯露。

交流系統(tǒng)承受大功率轉(zhuǎn)移的能力與直流功率及故障形態(tài)、交流斷面初始功率、交流系統(tǒng)電壓支撐等3個因素密切相關(guān)［1-5］。從這3方面入手,基于PSASP仿真程序,分析了高壓直流外送與交流外送通道的協(xié)調(diào)控制特性。分析發(fā)現(xiàn),直流功率越大、換相失敗次數(shù)或 （降壓）再啟動次數(shù)越多,對

交流系統(tǒng)沖擊幅度越大；交流斷面初始功率越大,靜穩(wěn)裕度越?。唤涣麟娋W(wǎng)開機容量越大,交流外送斷面靜穩(wěn)極限越高,承受直流故障后功率轉(zhuǎn)移的能

力越強,交直流協(xié)同外送能力越強。基于此特性,文中在保證虛擬系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,探索了交直流協(xié)調(diào)預(yù)控策略以保證送端的電力外送能力。

1 研究網(wǎng)架聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及外送特性

文中構(gòu)造了一個復雜的交直流外送電網(wǎng)為研究對象（如圖1所示）,其中構(gòu)造了三回直流外送、第一級交流外送斷面（以下簡稱第一級斷面）、第二級交流外送斷面（以下簡稱第二級斷面）及其開機容量對第二級斷面功率轉(zhuǎn)移有重要支撐作用的地區(qū)定義為中間網(wǎng)架,第一級斷面人工配置了無功補償裝置以提高支撐能力,第二級斷面配置了低壓解列裝置；直流外送斷面仿真了三回高壓直流（以下簡稱三回直流）與受端電網(wǎng)相聯(lián)。以下重點分析三回直流與第一級斷面、第二級交流斷面的協(xié)調(diào)控制。

圖1 虛擬電網(wǎng)交直流外送潮流示意圖

2 直流換相失敗、再啟動故障的原因及影響介紹

高壓直流輸電技術(shù)廣泛應(yīng)用于長距離輸電工程,文中所研究虛擬系統(tǒng)的三回直流額定外送功率總和為2 OOO萬kW,且以上直流落點集中在受端電網(wǎng)負荷中心,落點近區(qū)由于暴雨臺風等自然原因造成的較多單、三相永久故障均可能導致三回直流連續(xù)換相失敗、再啟動等故障。另外夏季負荷低谷時段送端交流電網(wǎng)開機水平較低,第一、二級斷面穩(wěn)定水平下降,如三回直流在低谷時段功率滿送,單一直流再啟動或三回直流同時換相失敗轉(zhuǎn)移至第二級交流斷面的富余功率可能達到5OO萬kW及以上,可能超過該斷面靜穩(wěn)極限而解列,威脅系統(tǒng)安全［6-9］。

3 三回直流同時換相失敗、再啟動仿真對比

3.1 計算條件

計算程序:機電暫態(tài)仿真程序。

故障設(shè)置,線路三永故障切除時間設(shè)置:近故障側(cè)O.O9s、遠故障側(cè)O.lOs；線路單相故障設(shè)置:O.lOs跳單相,1.ls重合,若為永久故障重合不成功1.2s跳三相。

計算邊界:第二級斷面配置了低壓解列裝置,振蕩時若振蕩中心最低電壓低于低壓解列定值,低壓解列裝置即啟動切除該斷面。

3.2 受端交流故障引起直流故障與人工設(shè)置直流故障對比

遍歷受端主網(wǎng)線路及主變的三相永久N-1、N-2故障和單相永久N-1故障。三回直流滿功率運行時,受端某些嚴重故障可能引發(fā)三回直流同時換相失敗2次,故障后三回直流功率仿真曲線如圖2所示。

直流換相失敗的人工設(shè)置:ls換相失敗模擬受端單永故障引起的直流第一次換相失敗,2s再次換相失敗模擬受端單永故障重合閘引起的直流第二次換相失敗,故障后直流功率仿真曲線如圖3所示。

圖3 三回直流功率仿真曲線二

單一直流再啟動失敗的人工設(shè)置:單極2次全壓再啟動失敗切機、另一極直接閉鎖切機。計算分析中發(fā)現(xiàn):直流再啟動失敗后安控切機比直流再啟動成功對系統(tǒng)沖擊大。因此,文中均基于單一直流故障極Ⅰ兩次全壓重啟失敗閉鎖切機后極II直接閉鎖切機校核對第二級斷面的功率沖擊。

以上3種故障對第二級斷面的功率沖擊仿真結(jié)果對比如表1所示。由表1可見,就三回直流滿功率運行時對第二級斷面的沖擊程度而言,“人工設(shè)置三回直流兩次同時換相失敗”略大于 “受端交流故障引起的三回直流兩次同時換相失敗”大于 “人工設(shè)置單一直流再啟動失敗切機”,因此文中分析計算均采用 “人工設(shè)置三回直流兩次同時換相失敗”代替掃描受端交流故障,可兼顧安全性和可操作性。仿真分析同時發(fā)現(xiàn),直流滿功率運行時,受端單永交流故障引起三回直流兩次同時換相失敗對第二級斷面的沖擊較單一直流再啟動失敗更嚴重；隨著三回直流功率之和降低,受端交流故障引起直流換相失敗的情況減弱（如單永故障不會引起直流換相失敗）,單一直流再啟動失敗對系統(tǒng)沖擊可能較嚴重。大約降低三回直流功率總和至1 5OO萬kW（即2OOO萬kW的75％）時,單一直流再啟動失敗對第二級斷面的功率沖擊超過三回直流兩次同時換相失敗。

表1 3種故障的仿真結(jié)果對比 萬kW

3.3 定功率總和情況下三回直流不同功率組合比較

以三回直流送電功率之和為1 5OO萬kW（額定功率之和2OOO萬kW的75％）為例,考慮三回直流功率組合為以下3種方式,方式1:三回直流均勻送電；方式2:一回直流滿功率送電,其余二回直流均勻降低；方式3:二回直流滿功率送電,另外一回直流降低功率。比較3種組合方式下三回直流一次同時換相失敗對第二級斷面的功率沖擊,結(jié)果如圖4所示,3種組合方式對斷面的沖擊功率基本一致,因此分析三回直流同時換相失敗對第一、二級斷面沖擊時可以用三回直流功率之和作為分檔標準。

圖4 第二級斷面功率沖擊仿真曲線對比

3.4 中間網(wǎng)架開機位置及容量對直流沖擊的影響

中間網(wǎng)架開機位置及容量對直流故障后大量功率轉(zhuǎn)移提供重要電壓支持,針對中間網(wǎng)架不同開機位置、開機容量進行對比,結(jié)果如表2所示。

表2 第二級斷面靜穩(wěn)極限和靜穩(wěn)裕度 萬kW

通過對中間網(wǎng)架開機位置及容量對比,發(fā)現(xiàn)3種方式對提高第二級斷面靜穩(wěn)極限效果較明顯。

①通過提高中間網(wǎng)架正旋備容量可以同時提高電壓支持且降低第二級斷面初始潮流以提高該斷面靜穩(wěn)裕度,為直流故障預(yù)留功率沖擊空間,但該方法會導致中間網(wǎng)架受電比例高,不利于機組經(jīng)濟運行。

②通過同時降低第一級、第二級斷面初始功率以提高靜穩(wěn)裕度,該方法可以提高中間網(wǎng)架機組經(jīng)濟運行效益,但會導致送端電力外送減少。

③通過增加中間網(wǎng)架東部開機容量可以提高第二級斷面的靜穩(wěn)極限及靜穩(wěn)裕度,因為中間網(wǎng)架東部機組距離第二級斷面電氣距離近,但若中間網(wǎng)架負荷中心不在東部,與東部電氣距離較遠,該方法也有一定局限性。

鑒于以上3種方法的優(yōu)缺點,分析中可綜合應(yīng)用,在電網(wǎng)安全前提下盡量提高送端電力外送能力。

3.5 第一、二級斷面外送能力預(yù)控分析

第一、二級斷面的初始功率與三回直流故障后潮流轉(zhuǎn)移是否引起第二級斷面低壓解列裝置動作密切相關(guān)。第二級斷面初始功率越高,直流故障后越容易引起第二級斷面低壓解列裝置動作。以下分別就三回直流滿功率運行對第一、二級斷面外送的約束以及保證第一、二級斷面外送能力對三回直流功率的需求進行分析。

計算要點:①三回直流兩次同時換相失敗后第二級斷面不解列；②任一直流一極再啟動成功或失敗切機另一極閉鎖后第二級斷面不解列；③中間網(wǎng)架電網(wǎng)開機容量對直流故障后功率轉(zhuǎn)移的支持效果明顯,以中間網(wǎng)架電網(wǎng)開機容量為5OO萬kW、8OO萬kW分檔進行計算分析。

3.5.1 三回直流滿功率運行

計算分析中保證三回直流滿功率,標準為三回直流兩次同時換相失敗后第二級斷面低壓解列裝置不動作,計算結(jié)果如表3所示。

表3 第一、二級斷面的功率限制 萬kW

由表3可見,通過對第一、二級斷面進行預(yù)控,三回直流可以在送端電網(wǎng)低谷負荷方式下滿功率輸送,但需要限制第一、二級斷面初始功率及中間網(wǎng)架開機容量；通過優(yōu)化中間網(wǎng)架開機方式,當其開機容量由5OO萬kW提高至8OO萬kW時,可

分別提高第一、二級斷面外送功率約lOO萬kW、4O萬kW,若中間網(wǎng)架開機容量繼續(xù)增大,送端電力外送能力進一步增大。

3.5.2 保證第一、二級斷面外送能力分析

為保證第一、二級斷面外送能力,需降低三回直流功率。計算結(jié)果表明,當三回直流功率和降低至1 2OO萬kW左右且其中任一直流功率降低至5OO萬kW左右時,直流故障后第二級斷面穩(wěn)定運行。由此可見,三回直流功率均勻安排可避免單回直流功率過大時再啟動故障影響系統(tǒng)安全。

4 結(jié)束語

本文介紹了高壓直流在緩解電力富余地區(qū)外送壓力所起的作用,以及直流受端交流故障引起直流連續(xù)換相失敗、再啟動等故障可能引起大量不平衡功率在送端交流電網(wǎng)涌動,造成交流送出斷面等通道的潮流、電壓發(fā)生大幅波動,可能造成交流電網(wǎng)解列的情況,虛擬了一個交直流協(xié)調(diào)外送的送受端電網(wǎng),進行了受端交流故障引起的直流故障與人工設(shè)置直流故障對比,發(fā)現(xiàn)用 “人工設(shè)置三回直流兩次同時換相失敗”代替掃描受端交流故障可兼顧安全性和可操作性；進行了定功率總和情況下三回直流不同功率組合比較,提出了用三回直流功率之和作為分檔標準；進行了中間網(wǎng)架電網(wǎng)開機位置及容量對直流沖擊的影響,對中間網(wǎng)架開機位置及容量提出了建議,同時提出了對其開機容量分檔控制,以盡可能提高送端的電力外送能力。

文中最后分析了三回直流滿功率運行對第一、二級斷面外送的約束以及保證第一、二級斷面外送能力對三回直流功率的需求,發(fā)現(xiàn)均勻安排直流功率有利于實現(xiàn)交直流外送通道協(xié)同運行,提高送端電網(wǎng)外送能力。

［1］ 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析 ［M］.北京:中國電力出版社,2OO7.

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（責任編輯:林海文）

Coordinated Control Analysis on AC/DC Power Transmission Channel

BIAN Hongyu,GUO Chongjun
（Central China Electric Power Control Center of the State Grid Corporation of China,Wuhan 43OO77,China）

針對高壓直流大功率運行時發(fā)生換相失敗、再啟動等故障可能引起大量不平衡功率在送端交流電網(wǎng)涌動甚至造成交流電網(wǎng)解列的問題，對比了受端故障引起的直流故障與人工設(shè)置直流故障的影響，發(fā)現(xiàn)用人工設(shè)置直流兩次同時換相失敗代替掃描受端交流故障可兼顧安全性和可操作性。比較了定功率總和情況下直流不同功率組合故障時對送端交流斷面的功率沖擊，提出了用直流功率之和作為分檔標準。分析了送端電網(wǎng)開機位置及容量對直流沖擊的支持作用，提出了送端交流電網(wǎng)開機容量分檔控制策略。應(yīng)用PSASP軟件分析了滿足直流滿功率運行對交流外送斷面的約束以及保證交流外送斷面能力對直流功率的需求。提出了交流斷面的預(yù)控策略，在保證電網(wǎng)安全的基礎(chǔ)上可提高交直流協(xié)調(diào)外送能力。

交直流耦合；協(xié)調(diào)控制；高壓直流；直流換相失敗；直流再啟動

In view of the problem that lots of surplus power surges in the sending Grid and the AC Grid splitting caused by the commutation failure or restart of HVDC system,influences between the DC faults caused by the sending Grid fault and artificially setting DC faults are compared,and it is found that safety and operability can both be gained by twice artificially setting DCand scanning AC fault at sending grid substituted by the commutation failure.The power impact of different power combination faults under total constant power on the AC section at sending grid is also compared,so the sum of DC power can be used as a grading standard.The impact of location and capacity of plants at sending grid on DC surge is analyzed,and grading control strategy of the capacity of plants at sending AC grid is put forward.In this paper,PSASP software is used to analyze the constraint of AC transmission section when the high voltage DCsystem operates with full power and the demand of the high voltage DC system to ensure the current transmission limit of AC section.Pre-control strategy is put forward for AC section to improve the coordinated AC/DC transmission capability based on the security of power grid.

AC and DC coupling；coordinated control；high voltage direct current；commutation failure；DC restart

2Ol5-O3-ll

邊宏宇（l983—）,男,碩士,工程師,主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算及管理工作,E-mail:bianhongyul@l63.com。