大電網(wǎng)故障下的銀東直流動態(tài)特性研究

郭啟偉，汪希偉，李 超，張 雷，韓 旭，陳 強

(國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118)

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大電網(wǎng)故障下的銀東直流動態(tài)特性研究

郭啟偉，汪希偉，李 超，張 雷，韓 旭，陳 強

(國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118)

〔摘 要〕采用一種基于物理等效的方法對直流系統(tǒng)的受端——山東電網(wǎng)500 kV大電網(wǎng)進(jìn)行等值處理，建立銀東直流PSCAD模型，分析山東電網(wǎng)交流聯(lián)絡(luò)線模擬單相接地故障和三相短路故障對銀東直流動態(tài)特性的影響，為銀東直流輸電工程的穩(wěn)定運行和故障處理提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

〔關(guān)鍵詞〕直流系統(tǒng)；單相接地；三相短路；動態(tài)特性

1　銀東直流系統(tǒng)PSCAD仿真模型介紹

±660 kV銀東直流系統(tǒng)西起寧夏銀川，東至山東青島，線路全長1 333 km，額定輸送電量400 萬kW，為寧夏電力外送山東的重要通道，是國家電網(wǎng)“西電東送”的重點工程。隨著我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜以及直流系統(tǒng)的廣泛接入，需要對系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程進(jìn)行分析研究，為系統(tǒng)運行和故障處理提供參考意見。

為此，采用PSCAD軟件，對銀東直流系統(tǒng)建立PSCAD仿真模型進(jìn)行研究。該模型包括控制系統(tǒng)和主電路，控制系統(tǒng)和主電路的建模框架如圖1所示，其中旁通對為換流橋中連接同一相交流端子的2個換流臂所形成的旁通通路。當(dāng)換流閥故障時，將電流從故障閥轉(zhuǎn)移到旁通對，盡量減少故障閥中流過直流故障電流的時間。

銀東直流系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其等值電路如圖3所示。

圖1　直流系統(tǒng)的總體建?？蚣?/p>

在圖3中，Voi，Voj分別為整流側(cè)和逆變側(cè)換流變壓器直流側(cè)的交流電壓方均根值，α，β分別為整流器的觸發(fā)延遲角和逆變器的超前觸發(fā)角，Rci，Rcj分別為直流平波電抗器和換流變壓器以及整流器、逆變器的損耗對應(yīng)的電阻，Rdc為直流輸電線路的電阻，Vdi，Vdj分別為整流器、逆變器直流平波電抗器出口的直流輸電線側(cè)直流電壓，Id為直流電流。

圖2　銀東±660 kV直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3　銀東直流輸電等值電路

直流輸電的運行方式取決于整流側(cè)和逆變側(cè)換流器的控制方式?？刂葡到y(tǒng)是直流系統(tǒng)的核心，也是模型正確建立的關(guān)鍵。在正常工況下，銀東直流系統(tǒng)整流側(cè)為定電流控制，其控制邏輯模型可采用CIGRE標(biāo)準(zhǔn)定電流控制。由于銀東直流系統(tǒng)采用阿海琺公司的換流閥，無法實測熄弧角大小，所以逆變側(cè)無法采用CIGRE標(biāo)準(zhǔn)定熄弧角控制；結(jié)合許繼電氣股份有限公司的設(shè)計理念，逆變側(cè)采用修正的預(yù)測熄弧角控制。此外， 整流側(cè)和逆變側(cè)都配有低壓限流(VDCOL)控制。

銀東直流輸電系統(tǒng)的控制特性如圖4所示。

在圖4中，曲線a-d為整流側(cè)的控制特性，其中ab為最小觸發(fā)角控制，bc為定電流控制，cd為低壓限流環(huán)節(jié)；曲線e-i為逆變側(cè)的控制特性，其中hi為最小熄弧角控制，gh為修正熄弧角控制，fg為定電流控制，ef為低壓限流環(huán)節(jié)。

圖4　銀東直流控制系統(tǒng)的靜態(tài)伏安特性

2　交流系統(tǒng)等值建模

本文對交流系統(tǒng)進(jìn)行等值建模，包括山東電網(wǎng)500 kV主干網(wǎng)架，建?？蚣苋鐖D5所示。

本文采用一種基于物理等效的系統(tǒng)等值方法，并結(jié)合PSASP軟件進(jìn)行等值建模工作，等值后的主干網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

等值建模的基本步驟如下所述。

(1)將該主干網(wǎng)節(jié)點所在地區(qū)220 kV及其以下電壓等級網(wǎng)絡(luò)中的所有發(fā)電機聚合成1臺等值發(fā)電機，等值發(fā)電機的額定容量和有功出力分別為各臺發(fā)電機額定容量和有功出力之和。

(2） 依據(jù)原系統(tǒng)的潮流數(shù)據(jù)確定等值負(fù)荷，確保等值前后負(fù)荷的靜特性、感應(yīng)電動機負(fù)荷所占比例不變，確保從500 kV網(wǎng)架向該地區(qū)低電壓等級網(wǎng)絡(luò)傳輸功率不變。

（3） 得到等值發(fā)電機與等值負(fù)荷的詳細(xì)參數(shù)后，建立發(fā)電機、感應(yīng)電動機等元件的簡化模型。通過對等值后主干網(wǎng)節(jié)點穩(wěn)態(tài)運行以及短路電流計算的分析，確定等值母線電壓、等值變壓器電抗等參數(shù)，以保證等值前后該500 kV節(jié)點的電壓、短路電流不變。

圖5　交流系統(tǒng)的總體建模框架

圖6　主干網(wǎng)節(jié)點等值結(jié)構(gòu)

3　 電網(wǎng)故障仿真分析

針對山東電網(wǎng)500 kV聯(lián)絡(luò)線采用故障仿真技術(shù)，考慮500 kV交流線在實際中采用故障重合閘技術(shù)，但由于其電壓等級較高，從發(fā)生故障到斷開斷路器和完全熄弧斷開的時間約1 s，相對于直流毫秒級的響應(yīng)時間過長，因此，在研究500 kV交流線故障直流系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性時，暫不考慮重合閘問題。

(1)對與銀東直流系統(tǒng)電氣距離較近的交流聯(lián)絡(luò)線故障仿真，現(xiàn)以膠東(青島換流站)-瑯琊聯(lián)絡(luò)線為例。在交流聯(lián)絡(luò)線的瑯琊側(cè)分別設(shè)置單相接地故障和三相短路故障，0.4 s接入故障，持續(xù)0.05 s消除，仿真1 s，數(shù)據(jù)均從正極測得。

由于整流側(cè)和逆變側(cè)的電流電壓變化一致，故對輸出逆變側(cè)的電流電壓進(jìn)行分析，仿真圖形如圖7，8所示。

圖7　膠東-瑯琊單相接地故障下的直流波形

圖8　膠東-瑯琊三相短路故障下的直流波形

由圖7，8得知，離銀東直流系統(tǒng)電氣距離較近的交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障和三相短路故障，都會對直流系統(tǒng)造成較大影響，發(fā)生換相失敗。電網(wǎng)發(fā)生故障時，直流線路電壓驟降，電流升高，熄弧角降為0，傳送的有功功率大幅降低。

(2)對與銀東直流系統(tǒng)電氣距離較遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線故障仿真，現(xiàn)以棗莊-鄒縣電廠聯(lián)絡(luò)線為例。在鄒縣電廠側(cè)分別設(shè)置單相接地和三相短路故障，該交流線路單相接地故障和三相短路故障下的直流波形分別如圖9，10所示。

圖9　棗莊-鄒縣電廠單相接地故障下的直流波形

由圖9，10得知，離銀東直流系統(tǒng)電氣距離較遠(yuǎn)的交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，對直流系統(tǒng)影響較小，電壓電流和熄弧角以及傳輸?shù)挠泄β示兓^小，未發(fā)生換相失?。欢l(fā)生三相短路故障時，會對直流系統(tǒng)造成較大影響，直流線路電壓驟降，電流升高，熄弧角降低為0，傳送的有功功率大幅降低。

圖10　棗莊-鄒縣電廠三相短路故障下的直流波形

(3)對與銀東直流系統(tǒng)電氣距離相對很遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線故障仿真，現(xiàn)以聊城-辛安聯(lián)絡(luò)線為例。在辛安側(cè)分別設(shè)置單相接地和三相短路故障，其直流波形分別如圖11，12所示。

圖11　聊城-辛安單相接地故障下的直流波形

由圖11，12得知，離銀東直流系統(tǒng)電氣距離很遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線發(fā)生單相短路故障和三相接地故障時，對直流系統(tǒng)影響都較小，電壓電流和熄弧角以及傳輸?shù)挠泄β示兓^小，未發(fā)生換相失敗。

4　 結(jié)論

對交流大電網(wǎng)500 kV交流線路進(jìn)行故障仿真，隨著離銀東直流系統(tǒng)電氣距離的增大，交流聯(lián)絡(luò)線故障對直流系統(tǒng)的影響減小。

圖12　聊城-辛安三相接地故障下的直流波形

對于同一條聯(lián)絡(luò)線而言，在相同條件下，發(fā)生單相接地故障比發(fā)生三相短路故障對直流系統(tǒng)的影響要小，與逆變站聯(lián)系比較緊密的青島、濰坊等地區(qū)發(fā)生三相短路還會引起直流閉鎖。為減小直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的概率，要對電氣距離近的交流線路做好監(jiān)測，防止單相接地故障和三相短路故障的發(fā)生；對于電氣距離遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線，盡量避免三相短路故障的發(fā)生。因此可繼續(xù)細(xì)化山東電網(wǎng)，對其進(jìn)行故障仿真，為銀東直流輸電工程的穩(wěn)定運行和故障處理提供新視角。

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郭啟偉(1985-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作，email：276964876@qq.com。

汪希偉(1981-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

李 超(1981-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

張 雷(1982-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

韓 旭(1989-)，女，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

陳 強(1986-)，男，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

作者簡介：

收稿日期：2015-09-13。