基于PSASP的特高壓直流與湖南受端交流系統(tǒng)相互影響研究

游文霞，周子恒，陳磊，王陽光

（1．三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌　443002；2．清華大學電機工程與應用電子技術系，北京　100084；3．湖南省電力公司，湖南長沙　410007）

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基于PSASP的特高壓直流與湖南受端交流系統(tǒng)相互影響研究

游文霞1，周子恒1，陳磊2，王陽光3

（1．三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002；2．清華大學電機工程與應用電子技術系，北京100084；3．湖南省電力公司，湖南長沙410007）

摘要：基于湖南電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，采用電力系統(tǒng)分析綜合程序，從直流閉鎖時湖南電網(wǎng)頻率、潮流、功角和電壓的變化、以及直流受端發(fā)生交流系統(tǒng)接地故障時部分參數(shù)變化等方面，探討了酒泉—湘潭±800 kV直流線路和湖南受端交流系統(tǒng)間可能存在的相互影響。結果表明：若發(fā)生直流閉鎖，湖南電網(wǎng)未超出正常運行條件下頻率偏差限值，湘鄂聯(lián)絡線的崗市—葛換線路出現(xiàn)過載問題，省內發(fā)電機未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，湖南換流站的交流母線出現(xiàn)過電壓；直流線路受端的交流系統(tǒng)若發(fā)生接地故障，由此引起連續(xù)換相失敗并帶來直流閉鎖的可能性不大。

關鍵詞：特高壓直流；單極閉鎖；湖南電網(wǎng)；換相失敗

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51377002）；Science and Technology Projects of State Grid Hunan Electric Power Company（SGHN0000DKJS1300221）.

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，湖南省的電力負荷也隨之迅速增長。為提高電網(wǎng)輸送能力并配合國家電網(wǎng)公司正在實施的特高壓戰(zhàn)略，目前規(guī)劃湖南電網(wǎng)將接入“一交一直”的特高壓線路，因此，研究特高壓線路接入電力系統(tǒng)后的穩(wěn)定問題，具有重要意義。

目前，國內已經(jīng)有許多省份陸續(xù)進行了特高壓直流線路接入后電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，這些省份多從發(fā)生直流閉鎖后，省內電網(wǎng)的頻率、功角、重要斷面的潮流以及省內關鍵電壓4個方面研究特高壓直流對交流系統(tǒng)的影響。錦蘇直流[1]雙極閉鎖時，江蘇電網(wǎng)的最大頻率瞬時偏差為±0.19 Hz，這一偏差不會引起低頻減載的啟動[2]；此時，皖蘇聯(lián)絡線和蘇南500 kV網(wǎng)絡中，當涂—迥峰山單線、石牌—車坊單線功率都即將達到各自的熱穩(wěn)定極限時，需防止線路過載[3]；同時，為了預防換流站交流母線發(fā)生過電壓，換流站需要連續(xù)分組切除交流濾波器[3]。金沙江一期、錦屏任一回發(fā)生直流單極閉鎖時，華中、華東電網(wǎng)不實施其他穩(wěn)控措施，都可使系統(tǒng)電壓滿足要求；向家壩—南匯直流雙極閉鎖時，華東大片區(qū)域出現(xiàn)了機端電壓過低的問題[4]。準東—成都特高壓直流發(fā)生單極閉鎖不會造成四川省內機組發(fā)生功角失穩(wěn)，但雙極閉鎖則會造成功角失穩(wěn)[5]。福建電網(wǎng)在遠期接入大容量直流輸電系統(tǒng)后，發(fā)生單極/雙極閉鎖后主要問題則是引起局部500 kV網(wǎng)架過載[6]。

此外，有的文獻探討了已有交流系統(tǒng)可能對特高壓直流造成的影響。文獻[7-8]基于云廣直流對南方電網(wǎng)所轄區(qū)域送端、通道和受端500 kV交流骨干線路做了三相短路N-1校核，發(fā)現(xiàn)如果在云、貴、桂三省區(qū)換流站周圍的500 kV交流母線發(fā)生此類故障，這將使所在地區(qū)作為始端的單回直流線路發(fā)生短時間閉鎖，但剩余的直流線路仍可正常工作。

本文依據(jù)湖南電網(wǎng)規(guī)劃的±800 kV酒泉—湘潭特高壓直流單極投運后夏季大負荷方式數(shù)據(jù)，將電力系統(tǒng)分析綜合程序（power system analysis software package，PSASP 6.28）作為工具，研究了甘湘直流（酒泉—湘潭線路）和湖南電網(wǎng)之間在安全穩(wěn)定性上的相互影響。

1　酒泉—湘潭直流輸電線路模型

1.1直流輸電系統(tǒng)

直流輸電系統(tǒng)由換流站（即整流站和逆變站）、直流線路、交流側和直流側的電力濾波器、無功補償裝置、換流變壓器、直流電抗器以及其他保護和控制裝置共同組成。其中換流站在直流輸電系統(tǒng)里最為重要，因為其功能是讓電能在交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)之間相互變換。本文中的直流線路選用的是PSASP 6.28中的1型直流線模型。該模型沒有考慮整流器和逆變器的暫態(tài)過程，不能詳細模擬快速變化的電磁暫態(tài)過程，但考慮了直流輸電系統(tǒng)中調節(jié)器的相關動態(tài)特性。圖1所示為本文所選用直流系統(tǒng)模型的穩(wěn)態(tài)運行等值電路，該模型的暫態(tài)等值電路見圖2。

1.2直流輸電調節(jié)器

PSASP 6.28所提供的直流線路調節(jié)器分布于直流線路2側的換流站。其中整流站的模型中有電流調節(jié)器和功率調節(jié)器2種調節(jié)器，可選擇其一單獨工作，本文選擇的是電流調節(jié)器；而逆變站模型共包含3種調節(jié)器，分別是電流調節(jié)器、電壓調節(jié)器和熄弧角調節(jié)器。

圖1　直流線路模型的穩(wěn)態(tài)運行等值電路Fig. 1 Steady state operation equivalent circuit of the DC line

圖2　直流線路模型的暫態(tài)運行等值電路Fig. 2 Transient operation equivalent circuit of the DC line

整流站中的電流調節(jié)器通過調節(jié)α角使得Id為恒定值，整流站中的功率調節(jié)器則通過調節(jié)α角使得Pd為恒定值。逆變站中的電流調節(jié)器通過調節(jié)β角使得直流電流Id－Im保持恒定值，其中Im為電流余裕值。逆變站中的電壓調節(jié)器通過改變β角使得整流側直流電壓保持恒定值。此外，逆變站中的熄弧角調節(jié)器通過改變β角使得γ角保持恒定值。

逆變站中的電流調節(jié)器僅在整流站α=αmin時工作。當α≠αmin時，需要電壓調節(jié)器和熄弧角調節(jié)器工作，但通過比較后，選取兩者中能使β角更大者參與β控制。圖3所示展現(xiàn)了本文所采用1型直流線路調節(jié)器的配置。圖3中每種調節(jié)器由動態(tài)傳遞函數(shù)框圖和限幅器構成。該處PSASP 6.28中的動態(tài)傳遞函數(shù)有4種不同的形式可供選擇，本文選擇2型即比例積分控制，其框圖如圖4所示。

2　電網(wǎng)結構概況

2.1湖南電網(wǎng)與外界聯(lián)系的規(guī)劃情況

根據(jù)特高壓直流（落點湘南）單極投運后的湖南夏大方式的PSASP規(guī)劃數(shù)據(jù)，湖南省內發(fā)電機的出力總和為16 143 MW，甘湘特高壓直流線酒泉側輸出有功4 000 MW，湘潭側輸入湖南省內的有功為3 656.25 MW，鄂、桂、黔3省區(qū)交流聯(lián)絡線輸入湖南省內的總有功為6 095.225 MW。這3部分供給湖南省的總有功為25 894.475 MW。此外，湖南省內總有功負荷為25 198.55 MW。

圖3　1型直流輸電系統(tǒng)調節(jié)器的配置Fig. 3 Configuration of DC transmission system regulator（type 1）

圖4　比例積分控制框圖Fig. 4 Block diagram of PI controller

按照規(guī)劃，即將有2條特高壓線路接入湖南電網(wǎng)，其中一條為甘肅酒泉—湖南湘潭±800 kV特高壓直流線路，另一條為湖北荊門—湖南長沙1 000 kV雙回特高壓交流線路。除此之外，湖南與湖北間現(xiàn)有2處交流聯(lián)絡線，分別為湖北葛換—湖南崗市的500 kV單回交流線和湖北江陵—湖南常德的500 kV雙回交流線。圖5所示為2015年湖南主干網(wǎng)架結構簡圖。

2.2湖南省內電網(wǎng)的其他主要結構特點

1）電源分布和負荷分布不均衡。湖南資源的不均衡分布導致了電廠位置的不均衡分布。湖南省利用西部的水力資源修建了水電站，利用北部運煤通道運抵湖南的煤礦資源修建了火電廠。而東部和南部由于自然資源相對缺乏，電廠數(shù)量不多，總裝機容量也不大。截止2014年，湖南西部地區(qū)電源在全省裝機容量的比重約為44%，但西部負荷在全省負荷中只占約22%；湖南東部地區(qū)負荷在全省負荷的比重約為78%，而東部電源在全省裝機容量中只占約56%。湖南西部地區(qū)所發(fā)電力需要輸送至湖南其他地區(qū)[9]。

2）湖南電網(wǎng)500kV網(wǎng)絡維持“三橫”、“兩縱”、“兩環(huán)網(wǎng)”主體架構?！叭龣M”線路即湘西牌樓—邵陽長陽鋪（雙回）；湘西艷山紅—永州宗元（單回）和益陽復興-長沙沙坪（雙回）。“兩縱”線路即長沙艾家沖—湘潭鶴嶺（雙回）和長沙沙坪—長沙星城（雙回）?！皟森h(huán)網(wǎng)”線路中的第一環(huán)即益陽復興—長沙沙坪—長沙星城—株洲云田—湘潭鶴嶺—長沙艾家沖—益陽復興，其中長沙星城—株洲云田為單回線，其余各段均為雙回線；第二環(huán)為邵陽長陽鋪—衡陽船山—郴州蘇耽—永州紫霞—永州宗元-邵陽長陽鋪，各段均為單回線[9]。

圖5　湖南電網(wǎng)特高壓直流單極投運規(guī)劃骨干線路簡圖Fig. 5 Backbone transmission lines after the commissioning of monopole UHVDC in Hunan

3　酒泉—湘潭直流閉鎖對電網(wǎng)的影響

3.1對湖南電網(wǎng)頻率的影響

直流閉鎖后會導致有功功率缺額，這時作用在發(fā)電機轉子上的負載阻力矩大于轉動力矩，發(fā)電機轉子就會減速，從而使得頻率降低。

此處選定如圖6所示長沙周圍的一處母線為代表，研究湖南電網(wǎng)頻率的變化。酒泉—湘潭單極直流閉鎖后，該母線頻率最低下降到49.947 Hz左右，而當直流閉鎖7 s后，隨著系統(tǒng)內發(fā)電機組調速器的作用，該母線頻率趨于穩(wěn)定在49.975 Hz左右。

文獻[10]規(guī)定，在正常運行時，標稱頻率為50 Hz的電力系統(tǒng)頻率偏差限值為±0.2 Hz。根據(jù)仿真結果，發(fā)生直流閉鎖后，系統(tǒng)頻率未超出正常運行條件下頻率偏差限值±0.2 Hz，符合國標要求。

圖6　母線湘T長沙1000的頻率在直流閉鎖前后的變化Fig. 6 Frequency of a bus in Changsha before and after DC blocking

由文獻[11]異常運行時大多數(shù)機組允許長期運行的頻率范圍在48.5～50.5 Hz，仿真所得的頻率波動仍在該范圍內，故不會引起發(fā)電機頻率異常保護的動作。

由文獻[12]可知，最高一輪低頻整定值一般選為49.1～49.2 Hz，仿真所得的頻率仍高于此值，故無需安排整定，按頻率降低自動減負荷。

由此可知，發(fā)生直流閉鎖后，湖南電網(wǎng)的頻率變化未越過國標標準，沒有引發(fā)繼電保護動作，無需要安排低頻減負荷。因此，特高壓交直流入湘并沒有給湖南電網(wǎng)帶來重大的頻率問題。

3.2對湘鄂交流聯(lián)絡線潮流變化的影響

直流閉鎖可能引起湘鄂交流聯(lián)絡線的過載問題。當酒泉—湘潭直流線路發(fā)生直流閉鎖時，由于整個受端同步電網(wǎng)的頻率下降，整個系統(tǒng)內的發(fā)電機在調速器作用下都會增加出力，其中湖南省內的發(fā)電機組會自動增發(fā)一小部分功率，三華同步電網(wǎng)中湖南省外的發(fā)電機同時也會增發(fā)一部分功率，后者增發(fā)的功率經(jīng)由湘鄂交流聯(lián)絡線流入湖南電網(wǎng)，使得湖南電網(wǎng)的出力和負荷再次達到平衡。在這一過程中，湘鄂交流聯(lián)絡線上的潮流可能超過對應線路的熱穩(wěn)定極限，導致過載問題的發(fā)生。

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生直流閉鎖時，會導致湘鄂斷面的潮流大幅增加。在發(fā)生直流閉鎖前后，華中電網(wǎng)通過湘鄂交流聯(lián)絡線向湖南輸送的功率變化如圖7所示。將圖7中的數(shù)據(jù)進行整理，可以得到如表1所示的湘鄂交流聯(lián)絡線在直流閉鎖前后的功率變化值。

目前湖南電網(wǎng)實際運行中設定的崗市—葛換線熱穩(wěn)定極限為1 628 MW[13]，常德—江陵線（單回）的熱穩(wěn)定極限為1 918 MW。荊門—長沙特高壓線路（單回）的熱穩(wěn)定極限由于正處規(guī)劃階段，未查找到相關數(shù)據(jù)，而南陽—荊門特高壓線路投產(chǎn)后單回傳輸功率最高達5 000 MW[14]，荊門—長沙特高壓線路的熱穩(wěn)定極限應該和該值相近。

圖7　直流閉鎖前后的湘鄂聯(lián)絡線潮流變化Fig. 7 Power variation of tie lines between Hunan and Hubei before and after DC blocking

表1　湘鄂交流聯(lián)絡線在直流閉鎖前后的潮流變化值Tab. 1 Power variation of tie lines between Hunan and Hubei before and after DC blocking

在直流閉鎖后，省外發(fā)電機組增加的出力通過湖南和湖北的這3處共5回的聯(lián)絡線由湖北送入湖南。在這5回線路中，崗市—葛換線會發(fā)生功率越限的現(xiàn)象。對此，需要為湖南省內的發(fā)電機組安排合理的運行方式，并且一旦發(fā)生直流閉鎖，還需要安排合理的切負荷緊急控制措施。

3.3對湖南省內發(fā)電機功角的影響

直流閉鎖將會帶來受端大范圍的潮流轉移，尤其在湘鄂聯(lián)絡線全部為鄂送湘方式下，大量潮流將涌入湖南電網(wǎng)，可能導致某交流聯(lián)絡線上功率頭擺超過靜穩(wěn)極限，引起聯(lián)絡線兩端系統(tǒng)功角失穩(wěn)[15]。

利用該規(guī)劃數(shù)據(jù)潮流計算時，可見省內有出力數(shù)據(jù)的發(fā)電機共113臺。發(fā)生直流閉鎖時，以機組“湘白市01”為基準，其他112臺機組的相對功角如圖8所示。在全部112條曲線中，湘白市01—湘三江口05的相對功角振蕩幅度最大，最大的相對功角差超過了60°。可以看到，省內的發(fā)電機組均沒有出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。盡管部分機組發(fā)生直流閉鎖后的功角仍然處于振蕩狀態(tài)，但仍未失穩(wěn)。

3.4對湖南省落點處交流母線電壓的影響

利用該規(guī)劃數(shù)據(jù)對直流閉鎖進行仿真時發(fā)現(xiàn)，酒泉—湘潭單極直流閉鎖不會引起湖南的機端電壓發(fā)生大幅度下降。

圖8　直流閉鎖前后湖南省內發(fā)電機組的功角波形Fig. 8 Power angle variation of generators in Hunan before and after DC blocking

查看元件數(shù)據(jù)可知，位于直流受端湘潭逆變站的無功補償設備容量為2 300 Mvar。通過仿真可知，發(fā)生直流閉鎖時，若未及時切除無功補償裝置，特高壓直流線路在湖南一側的交流母線電壓變化如圖9所示。顯然，無論從故障瞬間還是從穩(wěn)定后的角度來看，直流閉鎖后，湖南換流站的交流母線電壓偏高，超過了1.05 pu，即出現(xiàn)了過電壓的情況。這是由于直流線路工作于穩(wěn)態(tài)時，換流器消耗的無功大概是直流系統(tǒng)所傳輸有功的50%[16]，而當直流系統(tǒng)由于故障等原因突然閉鎖停運時，如果不能及時跳開補償電容和濾波器，換流器無功消耗大幅下降，無功補償裝置和空載長線路產(chǎn)生的過剩無功必將在交流系統(tǒng)中造成短時過電壓。

圖9　直流閉鎖時湖南側換流站的交流母線電壓Fig. 9 Voltage variation of an AC bus around the converter station in Hunan when DC blocking

目前，直流閉鎖后都會聯(lián)切相應的無功補償裝置，因此一般不會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，但如果無功補償切除時間晚于直流閉鎖的時間，就會出現(xiàn)短時間過電壓，故需快速斷開相應的無功補償裝置。

4　受端交流系統(tǒng)接地故障對直流線路的影響

受端交流的接地故障可能導致直流逆變側換相失敗。換相失敗的后果是直流電壓突降、直流電流陡增和直流送電功率陡降[17]。

換相失敗是直流線路常常發(fā)生的事件，會導致直流線路的輸送功率瞬間變化，但在把故障切除后，直流線路能較快恢復運行，通常不會帶來嚴重后果；僅長期換相失敗可能造成直流閉鎖，嚴重時會使電力系統(tǒng)失穩(wěn)[18]。為了研究特高壓直流引入之后，換流站交流母線附近的接地故障是否會帶來換相失敗，甚至是否會導致直流閉鎖和讓系統(tǒng)失去穩(wěn)定，本文對酒泉—湘潭特高壓直流線路在湘潭側換流站交流母線附近的三相接地短路故障進行了仿真。

根據(jù)規(guī)劃數(shù)據(jù)，可繪制出如圖10所示直流2端換流站附近線路的連接情況。本文設定的故障發(fā)生在如圖10所示的箭頭位置。該處有三回線路，本文選擇第一回進行了仿真。該故障的時序設置為：5 s時湘衡陽換500—湘船山500線路一回2%處發(fā)生三相接地短路；5.09時該線路1%處三相斷線；5.1 s時該線路99%處三相斷線。該故障仿真結果如圖11所示，其中圖11（a）為直流線路湖南落點的有功功率；圖11（b）為直流線路湖南落點交流側的母線電壓。

圖10　三相接地短路的位置Fig. 10 Position of the three phase grounding short circuit fault

通過仿真，可以看到該處發(fā)生三相短路接地故障的瞬間，湖南側換流站的交流母線電壓下降，但故障線路被清除后，電壓很快便恢復了。此外，特高壓直流在湖南側的注入功率也在故障瞬間下降，但故障線路被清除后，功率很快恢復了。本例中，特高壓直流可能出現(xiàn)了短時的直流閉鎖，但沒有影響到該特高壓直流線路的運行。

可見，湖南側換流站交流母線附近因三相短路接地故障發(fā)生換相失敗并造成直流閉鎖的幾率不大。

圖11　直流受端交流系統(tǒng)接地故障對直流的影響Fig. 11 Influence of the fault in AC system near the receiving-end to the DC line

5　結論

本文依據(jù)湖南電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，利用PSASP研究了±800 kV的酒泉—湘潭直流線路單極投運后對湖南電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。通過對該單極直流發(fā)生直流閉鎖以及直流受端交流接地故障的仿真可知：

1）在直流閉鎖過程中，湖南電網(wǎng)的頻率最低降到49.94 Hz附近，未超出正常運行條件下頻率偏差限值±0.2 Hz，不會引起發(fā)電機頻率異常保護的動作，也無需安排整定按頻率降低自動減負荷。

2）在直流閉鎖發(fā)生后，省外發(fā)電機組增發(fā)出力由湘鄂交流聯(lián)絡線，崗市—葛換線發(fā)生了潮流越限的現(xiàn)象。對此，需要為湖南省內的發(fā)電機組安排合理的運行方式，并且一旦發(fā)生直流閉鎖，還需要安排合理的切負荷緊急控制措施。

3）在直流閉鎖發(fā)生后，湖南電網(wǎng)內發(fā)電機組沒有發(fā)生功角失穩(wěn)的現(xiàn)象。

4）直流閉鎖后如果不能及時切除換流站的無功補償設備，湖南換流站的交流母線會出現(xiàn)短時過電壓，故直流閉鎖后應快速斷開相應無功補償設備。

5）直流受端交流線路發(fā)生接地故障并清除故障線路后，湖南換流站的交流母線電壓很快恢復，直流線路在湖南側的注入功率也很快恢復，這說明湖南側換流站交流母線附近因接地故障發(fā)生換相失敗并導致直流閉鎖的幾率不大。

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游文霞（1978—），女，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)運行、新能源發(fā)電技術等；

周子恒（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制；

陳磊（1982—），男，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)動態(tài)分析與控制；

王陽光（1982—），男，博士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制等。

（編輯董小兵）

Study on Mutual Influences between UHVDC and the Receiving-End AC System in Hunan Based on PSASP

YOU Wenxia1，ZHOU Ziheng1，CHEN Lei2，WANG Yangguang3
（1. College of Electrical Engineering and New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China；2. Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3. State Grid Hunan Electric Power Company，Changsha 410007，Hunan，China）

ABSTRACT：To figure out the mutual impacts the±800 kV Jiuquan-Xiangtan UHVDC power transmission system and the receiving-end system in Hunan) have on each other，the frequency of the Hunan power grid，the load flow of tie lines between Hunan and Hubei，the voltage of the AC bus near the end of UHVDC transmission line in Hunan，and the power angle of every generator in Hunan after the block happens have been studied together with the working condition of the UHVDC when grounding faults occur in AC system near the end of UHVDC system in Hunan. The results of the study suggest that the frequency stability and rotor-angle stability of the Hunan power grid can still be maintained. However，the tie line between Gangshi in Hunan and Gezhouba in Hubei suffers from an overload problem，and the AC bus of the converter station in Hunan suffers from an over-voltage problem. If grounding faults occur in the AC system near the end of UHVDC transmission line in Hunan，the chances that continuous commutation failures lead to the block of the DC line is not high.

KEY WORDS：ultra-high voltage direct current（UHVDC）；mono-polar blocking；Hunan power grid；commutation failure

作者簡介：

收稿日期：2015-09-16。

基金項目：國家自然科學基金項目（51377002）；國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目（SGHN0000DKJS1300221）。

文章編號：1674- 3814（2016）03- 0018- 07

中圖分類號：TM712

文獻標志碼：A