網(wǎng)架結構對受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響分析

付聰，張俊峰

(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

網(wǎng)架結構對受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響分析

付聰，張俊峰

(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

八交八直的受電格局下，交直流系統(tǒng)相互影響加劇，作為受端電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題更加突出，所面臨的安全運行局勢更加嚴峻。從交直流聯(lián)網(wǎng)方式、線路出串、斷線和通道電源等四個方面仿真分析網(wǎng)架結構對受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。結果表明：上述四個因素對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性有著重要的影響，需要在電網(wǎng)規(guī)劃階段加以考慮，在系統(tǒng)運行階段合理安排輸變電設備和機組的檢修，以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

網(wǎng)架結構；暫態(tài)電壓穩(wěn)定；交直流聯(lián)網(wǎng)；線路出串；斷線；通道電源

0 引 言

南方電網(wǎng)遠距離大容量電力通過多回直流與并聯(lián)交流線路集中饋入珠三角地區(qū)，直流落點間電氣距離較近，交直流相互作用問題突出，廣東電網(wǎng)多數(shù)500 kV廠站發(fā)生故障后引發(fā)換流站電壓跌落，將導致多個直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，持續(xù)換相失敗可能導致直流閉鎖，大功率轉移，造成受端交直流落點地區(qū)電壓大面積下降，面臨電壓穩(wěn)定問題[1-2]。特別是，普僑直流和牛從直流投產(chǎn)形成八交八直的受電格局，西電東送方式復雜多變，楚穗、普僑、牛從三大直流長期滿負荷運行，交直流相互影響加劇，作為受端電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)其電壓穩(wěn)定問題也變得更加突出，所面臨的安全運行局勢更加嚴峻。研究者主要從直流饋入[3-4]、風電并網(wǎng)[5-7]、負荷模型[8-9]和重合閘時間[10]等方面分析了對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，從網(wǎng)架結構角度分析對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響還鮮有報道。

為此，本文仿真分析了交直流聯(lián)網(wǎng)方式、線路出串、斷線和通道電源等網(wǎng)架結構因素對南方電網(wǎng)受端系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。

1 交直流聯(lián)網(wǎng)方式的影響

南方電網(wǎng)是典型的交直流混聯(lián)電網(wǎng)，區(qū)域之間的聯(lián)網(wǎng)方式對系統(tǒng)穩(wěn)定性有至關重要的影響。同步互聯(lián)雖然可實現(xiàn)區(qū)域之間的實時支援，但將導致故障在互聯(lián)系統(tǒng)中傳播。當直流系統(tǒng)故障時，直流傳輸功率將轉移至交流通道，對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性不利。相反，異步互聯(lián)不僅能隔離故障，在直流故障時不會造成功率轉移，還有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸送能力。為此，南方電網(wǎng)計劃通過兩回直流通道和直流背靠背工程將云南電網(wǎng)與主網(wǎng)異步互聯(lián)，計劃于2016年4月完成異步互聯(lián)。下面分析云南與主網(wǎng)架在同步互聯(lián)和異步互聯(lián)二種方式下，系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定特性的差異。

以南方電網(wǎng)2015年高峰負荷日數(shù)據(jù)為基礎，搭建云南與主網(wǎng)同步互聯(lián)模型，廣東電網(wǎng)西電斷面功率列于表1。根據(jù)2016年云南電網(wǎng)異步互聯(lián)計劃，修改云南電網(wǎng)與廣西、貴州電網(wǎng)的邊界，形成相應的異步互聯(lián)模型。

表1 西電交直流斷面功率(單位：MW)

0.2秒時刻，500 kV北花甲線在北郊站側發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.1秒后切除故障線路，造成楚穗直流雙極閉鎖。同步聯(lián)網(wǎng)與異步聯(lián)網(wǎng)方式下，兩廣交流斷面交流線路的功率分別如圖1(a)和圖1(b)所示。從圖1可知：同步聯(lián)網(wǎng)方式下，由于楚穗直流的功率大量轉移至兩廣交流斷面，造成功率大幅度波動。異步聯(lián)網(wǎng)方式下，兩廣交流斷面功率波動的幅度明顯變小，波動峰峰值約為同步方式下的0.4～0.8倍之間，且以更快的速度衰減。二種方式下，西電交流落點的賢令山站和羅洞站500 kV母線電壓曲線分別如圖2(a)和圖2(b)所示。從圖2可見：同步互聯(lián)方式下，兩廣交流斷面落點電壓恢復更加緩慢，且發(fā)生長時間振蕩，且在振蕩平息后穩(wěn)態(tài)電壓值更低。這是因為同步方式下，直流閉鎖造成的功率缺額轉移至交流通道，造成交流斷面功率大幅上升，兩廣斷面交流線路電壓降增加，從而造成落點穩(wěn)態(tài)電壓更低。

圖1 二種聯(lián)網(wǎng)方式下兩廣交流斷面功率曲線圖

圖2 500 kV母線電壓曲線

對比圖2(a)和圖2(b)還可知：賢令山站的電壓跌落量大于羅洞站。這是由于金中直流的投產(chǎn)，兩廣交流斷面北通道(桂山甲乙線)的潮流顯著加重，且桂山甲乙線長達306 km，長于250 km的賀羅甲乙線，以及204 km的梧羅甲乙線，使桂山甲乙線上的電壓降更大，導致賢令山站的電壓跌落量更大。

異步互聯(lián)方式可以避免直流閉鎖時功率大量轉移至交流通道，能提高交流落點，尤其是長距離、重負荷交流落點的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

2 線路出串的影響

為控制日益增長的短路電流，采取線路出串增加電氣距離，以削弱電網(wǎng)結構。暫態(tài)電壓穩(wěn)定常發(fā)生在負荷重、輸電線路長的地區(qū)，珠三角地區(qū)負荷密集、線路往往也較短，因此線路出串給暫態(tài)電壓穩(wěn)定帶來的影響并不顯著。為更有效地揭示問題，人為地增大送入線路的阻抗。以佛山地區(qū)的500 kV羅洞站與西江站片區(qū)為研究對象，斷開江西甲乙線；羅西甲乙線，以及羅北甲乙線的阻抗在原來的基礎上放大5倍，而西電送入的梧羅甲乙線，以及賀羅甲乙線的阻抗則放大1倍，其余線路的阻抗均保持不變。羅西乙線與硯西乙線在西江站出串如圖3所示。

圖3 500 kV網(wǎng)架

圖4 出串前后西江站500 kV母線電壓

0.2秒時刻，500 kV硯西甲線在西江站側發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.1秒后切除故障線路，出串前后西江站500 kV母線電壓對比如圖4所示。

從圖4可見：故障切除后出串時西江站500 kV母線的電壓更低，恢復得更慢。這是因為原本通過低阻抗的硯西甲線送至西江站的功率，改經(jīng)出串線路，以及高阻抗的羅西甲線送至西江站，西江站與系統(tǒng)的電氣距離更大，從而在故障切除后，母線電壓更低，且恢復更慢。

羅洞-西江片的220 kV網(wǎng)架如圖5所示。

圖5 220 kV網(wǎng)架

定義“持續(xù)1秒電壓低于0.75 pu”為暫態(tài)電壓失穩(wěn)的判據(jù)。出串前暫態(tài)電壓失穩(wěn)的站點數(shù)為0，出串后則上升至8個。相關220 kV站點的最低電壓，以及低于0.75秒的持續(xù)時間如表2所示。出串前后，代表性220 kV站點母線電壓曲線分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

表2 相關220 kV站點母線最低電壓及低于0.75持續(xù)時間

圖6 出串前后220 kV站母線電壓曲線

對比圖6(a)和圖6(b)可知：出串方式削弱了主網(wǎng)的結構，增大了負荷站點與主網(wǎng)的電氣距離，給負荷站點的暫態(tài)電壓穩(wěn)定帶來負面的影響。

3 斷線的影響

線路檢修不可避免需要斷開線路，削弱網(wǎng)架結構聯(lián)系的同時，還影響暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。因清遠地區(qū)面積大，500 kV站點比較少，220 kV陽山站、旗勝站、康樂站以及三水站呈鏈式結構，且220 kV線路比較長，山陽甲乙線、陽旗甲乙線，以及旗康甲乙線的長度分別達39、77和93 km。

若康樂至三水的雙回線路N-2，則康樂與旗勝站的416 MW負荷全部經(jīng)由陽旗雙回線供給。假定0.2 s時刻，康三甲線在康樂站側發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.12 s后保護切除康三甲乙線。三個場景下康樂站220 kV母線電壓曲線如圖7所示。

場景1：陽旗雙回線運行；

場景2：陽旗單回線檢修；

場景3：陽旗單回線檢修，康樂站增加30 MW負荷。

圖7 康樂站220 kV母線電壓曲線

由圖7所示：當陽旗雙回線運行時，故障線路切除，康樂站的電壓能夠迅速恢復；當陽旗單回線檢修時，由于線路較長，供電通道的阻抗大大增加，加上負荷較重，康樂站的電壓恢復較慢，且穩(wěn)態(tài)電壓跌至0.9 pu；若康樂站負荷再增加30 MW，康樂站的電壓恢復更加緩慢，發(fā)生暫態(tài)電壓失穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)電壓更低。

對于雙電源長鏈式、遠距離、重負荷的供電系統(tǒng)，如果通道上的長線路檢修，將大幅度增加供電通道的阻抗。若系統(tǒng)發(fā)生故障，雙向電源供電結構變?yōu)閱蜗螂娫垂╇娊Y構，則可能造成末端站點發(fā)生電壓失穩(wěn)。若末端站點的負荷加重，暫態(tài)電壓失穩(wěn)的風險將進一步增加。

4 通道電源的影響

廣東電網(wǎng)處于沿海地帶，臺風、龍卷風等自然災害頻發(fā)，自然災害可能給電網(wǎng)帶來變電站全失、多回線路同時跳閘等嚴重故障，使得原來多向電源供電的結構變?yōu)閱蜗螂娫垂╇姷慕Y構，極大地削弱了電網(wǎng)的結構，可能帶來電壓穩(wěn)定的問題。在此背景下，鏈式通道上的電源開機情況對通道的電壓穩(wěn)定有著重要的影響。

500 kV羅洞站和西江站通過220 kV坑田、三水、恒益廠、洲邊，以及光孝等長鏈式結構握手運行。福能電廠尚未經(jīng)省發(fā)改委核準，正常情況下無法開機。0.2秒時刻，西江站兩條220 kV母線發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.12秒后切除母線所有出線。以通道上的紅星站作為研究對象，在恒益廠分別開機一臺，以及二臺的情況下，紅星站220 kV母線的電壓曲線如圖8所示。

圖8 紅星站220 kV母線電壓曲線

從圖8可知：在西江站兩條220 kV母線全失的嚴重故障下，供電通道上站點的電壓恢復比較緩慢。尤其是在恒益廠只開一臺機的情況下，紅星站的電壓無法恢復。恒益廠開二臺機的情況下，電壓恢復情況有大幅度的好轉。說明單向長鏈式供電通道上的支撐電源，對末端站點的電壓穩(wěn)定性有顯著的改善作用。

將研究對象推廣到通道上的其他站點，并在以下四種場景下進行分析，相關站點的電壓曲線如圖9所示。

圖9 通道220 kV站點的電壓曲線

場景1：恒益廠開一臺，福能廠全停；

場景2：恒益廠開二臺，福能廠全停；

場景3：恒益廠開二臺，福能廠開一臺；

場景4：恒益廠開二臺，福能廠開二臺。

分析9可知：隨著鏈式通道上支撐電源的增加，各站點在故障后的電壓恢復特性明顯好轉。因此單向長鏈式供電通道上的電源對站點的暫態(tài)電壓穩(wěn)定特性有明顯的改善作用。

5 結束語

本文從交直流聯(lián)網(wǎng)方式、線路出串、斷線，以及通道電源等四個方面仿真分析網(wǎng)架結構對受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。結果表明：上述四個因素對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性有著重要的影響，需要在電網(wǎng)規(guī)劃階段加以考慮，在系統(tǒng)運行階段合理安排輸變電設備和機組的檢修，以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

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An Analysis on the Affection of Grid Structure upon Transient Voltage Stability of Receiving-end Grid

Fu Cong, Zhang Junfeng

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou Guangdong 510080, China)

In the 8 AC/8 DC receiving mode, the AC/DC systems have aggravated interaction. Guangdong power grid, as a receiving-end grid, has even more difficulty in maintaining stable transient voltage and is faced with severe situation with regards to safe operation. In the four respects of AC/DC interconnection mode, line crossing, line disconnection and power source in the channel, this paper analyzes the affection of grid structure upon the stability of transient voltage at the receiving-end grid. The result shows that the above-mentioned four factors have great influence on the stability of transient voltage of the system, which must be taken into account at the grid planning stage. Furthermore, reasonable arrangement of inspection of electric transmission and transformation equipment and machine sets is required at the stage of system operation so as to ensure safe and steady operation of the system.

grid structure;transient voltage stability; AC/DC interconnection; line crossing; line disconnection; power source in the channel

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.023

TM712

A

1000-3886(2016)06-0073-04

付聰(1988-)，男，湖北仙桃人，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、大電網(wǎng)可靠性。 張俊峰(1978-)，男，湖北襄樊人，碩士，高級工程師，主要研究方向為發(fā)電機勵磁系統(tǒng)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器控制技術。

定稿日期: 2016-07-05