特高壓直流故障對交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析

哈麗曼·合孜爾，樊艷芳

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

特高壓直流故障對交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析

哈麗曼·合孜爾，樊艷芳

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

基于2016年新疆特高壓交直流混聯(lián)送端電網(wǎng)不同的運(yùn)行方式，仿真分析±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生不同類型的故障時對哈密地區(qū)與近區(qū)交流系統(tǒng)電壓的影響；并且針對不同的故障形式采取不同的控制策略，分析不同控制策略對于交直流混聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行電壓的影響。研究結(jié)果表明，在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，從故障類型來看，直流單極閉鎖故障時，富裕功率小，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響??；雙極閉鎖故障時，富裕功率大，從而引起沿線交流母線電壓的降低，嚴(yán)重時則引起電壓失穩(wěn)，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響大；發(fā)生換相失敗對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響較大。隨著直流外送功率的不斷增大，無論是直流雙極閉鎖故障還是換相失敗故障均會出現(xiàn)暫態(tài)壓升更加嚴(yán)重的局面。

特高壓直流；直流閉鎖；換相失??；穩(wěn)控方案；電壓影響

0 引 言

新疆電網(wǎng)隨著750kV交流外送第二通道和±800kV哈密—鄭州特高壓直流工程的投運(yùn)正式進(jìn)入特高壓“交、直流混聯(lián)”大電網(wǎng)時代 。具有大功率外送、交流電網(wǎng)薄弱和交、直流混聯(lián)等特點(diǎn)，系統(tǒng)特性比較弱，本身無法抵御“大電網(wǎng)”背景下特高壓交、直混聯(lián)系統(tǒng)的常見故障，故對新疆電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求進(jìn)一步提高。結(jié)合新疆電網(wǎng)自身的特點(diǎn)，深入分析并對新疆電網(wǎng)現(xiàn)有的相關(guān)送端電網(wǎng)切機(jī)的穩(wěn)控措施進(jìn)行全面優(yōu)化，提高新疆外送能力；與此同時，保證新疆電網(wǎng)不同故障形式下送端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-5]。

目前，國內(nèi)針對交直流混聯(lián)系統(tǒng)常見故障對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響和所采取的穩(wěn)控方案有了初步的研究。文獻(xiàn)[6]中當(dāng)新疆特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生雙極閉鎖故障時，提出協(xié)調(diào)優(yōu)化切機(jī)不平衡量的穩(wěn)控方案，幾個方案相互之間做了比較。文獻(xiàn)[7-9]分別分析了±500kV林楓直流發(fā)生雙極閉鎖故障時對交流系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊和±1 100kV特高壓直流對四川電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，提出用穩(wěn)控裝置切機(jī)切負(fù)荷的穩(wěn)控措施，從而減少直流閉鎖故障對交流系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。文獻(xiàn)[10-12]對于大規(guī)?！帮L(fēng)火打捆”直流外送系統(tǒng)直流故障，提出了改變直流傳輸功率與調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的有功出力的方案來減少系統(tǒng)的不平衡功率。文獻(xiàn)[13-15]提出了當(dāng)特高壓直流發(fā)生閉鎖故障時，為了減少直流閉鎖故障對交流沖擊性影響，展開研究穩(wěn)控方案，提出綜合考慮直流送端系統(tǒng)火電，新能源的切機(jī)方案，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

結(jié)合2016年新疆電網(wǎng)與西北主網(wǎng)不同的運(yùn)行方式，仿真分析±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生不同故障時對哈密地區(qū)與近區(qū)交流系統(tǒng)電壓的影響，提出切除直流配套電源及配合切除配套交流濾波器的穩(wěn)控策略，對提高特高壓交、直流混聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的參考價值。

1 電網(wǎng)規(guī)模與運(yùn)行方式

1.1 系統(tǒng)概況

根據(jù)新疆750kV網(wǎng)架規(guī)劃，東部環(huán)網(wǎng)建成，吐哈雙線改接至天山換流站，新疆中部電網(wǎng)將通過750kV吐天雙線+哈塘雙線共計(jì)4回線路同主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，新疆通過兩條750kV交流通道與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，一條±800kV天中直流與華中河南電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng) 。特高壓交、直流混聯(lián)電網(wǎng)送端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特高壓交、直流混聯(lián)電網(wǎng)送端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

1.2 運(yùn)行方式安排

根據(jù)新疆電網(wǎng)2016年運(yùn)行方式，綜合考慮±800kV天中直流外送功率、直流配套電源的投運(yùn)狀況以及750kV交流線路外送功率的實(shí)際情況，新疆交、直流送端電網(wǎng)有3種典型的運(yùn)行方式，如表1所示。

表1 新疆交直流送端電網(wǎng)運(yùn)行方式

2 電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行條件

根據(jù)中國《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》定義，結(jié)合新疆電網(wǎng)實(shí)際的輸電特性和負(fù)荷特性，當(dāng)系統(tǒng)滿足：系統(tǒng)內(nèi)中樞點(diǎn)電壓不低于80%Un，并且電壓為減幅振蕩，振蕩逐步衰減消失；頻率穩(wěn)定即系統(tǒng)最低頻率不應(yīng)低至低頻率減負(fù)荷裝置最低頻率輪頻率值(47.5 Hz)；系統(tǒng)高頻率時，高頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組高頻率保護(hù)最低頻率整定值(一般應(yīng)不高于50.5～51 Hz)；直流故障后750kV聯(lián)絡(luò)線功率振蕩呈衰減趨勢，并最終趨于穩(wěn)定。滿足這些條件，認(rèn)為系統(tǒng)穩(wěn)定，否則認(rèn)為系統(tǒng)不穩(wěn)定。

電壓要求：

1)±800kV天中直流500kV母線電壓故障后穩(wěn)態(tài)電壓不超過550kV；

2)750kV穩(wěn)態(tài)電壓不超過840kV；暫態(tài)電壓不超過1.3 p.u.；

3)220kV穩(wěn)態(tài)電壓不超過252kV；暫態(tài)電壓不超過1.3 p.u.。

3 特高壓直流故障對送端交流系統(tǒng)的影響分析

3.1 直流單極閉鎖故障

在3種方式下，天中直流發(fā)生單極閉鎖故障時，系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，直流發(fā)生單極閉鎖故障時，方式3電壓失穩(wěn)，其他方式系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定。在不采取任何穩(wěn)控措施的情況下，由于故障后直流輸送功率下降,功率瞬間轉(zhuǎn)移到送端交流電網(wǎng),從而引起送端近區(qū)交流系統(tǒng)母線的暫態(tài)穩(wěn)定電壓上升，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。

表2 直流單極閉鎖故障計(jì)算結(jié)果

直流單極閉鎖故障后對系統(tǒng)不同運(yùn)行方式采取不同的穩(wěn)控措施。運(yùn)行方式1采取切除3組230 Mvar濾波器及1組270 Mvar濾波器；運(yùn)行方式2采取切除3組230 Mvar濾波器及1組270 Mvar濾波器；運(yùn)行方式3采取切除直流配套電源2 400 MW，1組270 Mvar濾波器及5組230 Mvar濾波器。采取穩(wěn)控措施后直流單極閉鎖故障計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，對不同運(yùn)行方式采取相應(yīng)穩(wěn)控措施后，系統(tǒng)的暫態(tài)最大壓升大幅減小，并且都在系統(tǒng)承受范圍之內(nèi)。

在運(yùn)行方式3下單極閉鎖后采取相應(yīng)穩(wěn)控措施，系統(tǒng)電壓及頻率如圖2所示。由圖2可知，直流單極閉鎖故障后母線電壓升高，當(dāng)穩(wěn)控裝置動作切除直流配套電源及配合切除交流濾波器后，750kV母線電壓維持在0.95～1.01 p.u.，頻率在合理范圍之內(nèi)。

表3 采取穩(wěn)控措施后直流單極閉鎖故障計(jì)算結(jié)果

圖2 方式3下單極閉鎖后系統(tǒng)電壓及頻率變化

3.2 直流雙極閉鎖故障

直流發(fā)生雙極閉鎖故障時，直流功率無法外送，此時送端電網(wǎng)將產(chǎn)生相當(dāng)于故障前直流外送功率的電力盈余，大量的過剩功率將通過交流斷面向東傳送，造成輸電通道上的輸送功率急劇增加，從而引起沿線交流母線電壓的降低，嚴(yán)重時則引起電壓失穩(wěn)。

在3種方式下，天中直流發(fā)生雙極閉鎖故障時，系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，直流發(fā)生雙極閉鎖故障時，在系統(tǒng)的3種運(yùn)行下電壓全失穩(wěn)，進(jìn)而引起系統(tǒng)運(yùn)行失穩(wěn)。

表4 直流雙極閉鎖故障穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

直流雙極閉鎖故障后對系統(tǒng)不同運(yùn)行方式采取不同的穩(wěn)控措施。運(yùn)行方式1采取配套電源總共1 060 MW；運(yùn)行方式2采取切除直流配套電源

圖3 直流雙極閉鎖后系統(tǒng)電壓及頻率變化

總共2 160 MW；運(yùn)行方式3采取切除直流配套電源總共6 000 MW。采取穩(wěn)控措施后直流雙極閉鎖故障計(jì)算結(jié)果如表5所示，系統(tǒng)的電壓及頻率如圖3所示。由表5可知，采取相應(yīng)的切除直流配套電源后系統(tǒng)運(yùn)行均穩(wěn)定。

表5 直流雙極閉鎖故障穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由圖3可知，直流雙極閉鎖故障后3種運(yùn)行方式下電壓暫態(tài)壓升都會劇增。當(dāng)穩(wěn)控裝置動作切除直流配套電源后，由圖3(a)可知，在運(yùn)行方式1下系統(tǒng)750kV母線電壓維持在0.93～1.03 p.u.；由圖3(c)可知，在運(yùn)行方式2下系統(tǒng)750kV母線電壓維持在0.95～1.04 p.u.；由圖3(e)可知，運(yùn)行方式3下750kV母線電壓維持在0.93～1.06 p.u.。而由圖2(b)、(d)、(f)可知，在3種運(yùn)行方式下，系統(tǒng)頻率不超過1.01 p.u.，在合理范圍之內(nèi)。

3.3 直流換相失敗故障

特高壓直流輸電系統(tǒng)中換向失敗是最常見的故障之一，伴隨著交流電壓的降低，直流電壓也將會降低；同時直流功率隨之交流電壓逐漸降至0，一旦交流系統(tǒng)短路故障切除，交流系統(tǒng)電壓恢復(fù)，這時直流功率也慢慢恢復(fù)。

當(dāng)交流系統(tǒng)短路故障導(dǎo)致?lián)Q相失敗時，系統(tǒng)3種運(yùn)行方下750kV和220kV電壓波動曲線如圖4所示。

由圖4(a)、(b)可知，750kV暫態(tài)電壓升高、降低較大的變電站是天山換流站，達(dá)到了58kV；220kV暫態(tài)電壓較大的變電站是煙墩變電站，達(dá)到了19.5kV。由圖4(c)、(d)可知，750kV暫態(tài)電壓升高、降低較大的變電站是天山換流站，達(dá)到了65.1kV；220kV暫態(tài)電壓較大的變電站是煙墩變電站，達(dá)到了20.8kV。由圖4(e)、(f)可知，750kV暫態(tài)電壓升高、降低較大的變電站是天山換流站，達(dá)到了66.8kV；220kV暫態(tài)電壓較大的變電站是煙墩變電站，達(dá)到了15.7kV。直流換相失敗以后穩(wěn)態(tài)電壓和暫態(tài)電壓都在電壓要求范圍內(nèi)。

圖4 直流換相失敗后750kV、220kV電壓波動曲線

4 結(jié) 論

隨著新疆電網(wǎng)特高壓直流送電功率的增加，由直流閉鎖等故障產(chǎn)生的富余功率也隨之增加，這影響新疆電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具體表現(xiàn)在：

1)在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，從故障類型來看，直流單極閉鎖時，富余功率小，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響小。由于直流輸送功率下降而引起近區(qū)交流系統(tǒng)母線的暫態(tài)穩(wěn)定電壓上升，雙極閉鎖時，富余功率大，故障后會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。采取相應(yīng)的穩(wěn)控策略(切除直流場濾波器及配套機(jī)組)后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定。

2)隨著直流外送功率的不斷增長，直流閉鎖故障均會出現(xiàn)暫態(tài)壓升更加嚴(yán)重的局面，750kV層面暫態(tài)壓升達(dá)到80kV以上。應(yīng)采取相應(yīng)措施減少系統(tǒng)失穩(wěn)概率。

3)直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響較大，影響最大在方式3情況下，750kV暫態(tài)電壓升高、降低較大的變電站是天山換流站，達(dá)到了66.8kV；220kV暫態(tài)電壓較大的變電站是煙墩變電站，達(dá)到了15.7kV。雖說直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗對系統(tǒng)暫態(tài)電壓影響大，但是故障以后750kV、220kV暫態(tài)電壓和穩(wěn)態(tài)電壓都沒超出電壓要求范圍，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 齊旭，曾德文，史大軍，等． 特高壓直流輸電對系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(2):1-6．

[2] 廖民傳，蔡廣林，張勇軍． 交直流混合系統(tǒng)受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定分析[J]． 電力系統(tǒng)保護(hù)與 控制，2009，37(10):1-4，

[3] 楊雄平，羅向東，李揚(yáng)絮，等．南方電網(wǎng)直流閉鎖故障時受端系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題分析[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36(22):40-43．

[4] 董俊，束洪春，司大軍，等．特高壓遠(yuǎn)距離大容量云電送粵中的穩(wěn)定問題研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(24):10-15．

[5] 鄭超, 湯涌, 馬世英, 等. 網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓對暫態(tài)無功支撐能力的影響研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014,34(1):115-122.

[6] 鐘顯, 樊艷芳, 王一波, 等. 含高密度風(fēng)電、交直流送端電網(wǎng)直流閉鎖故障穩(wěn)控方案研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015, 43(13):130-138.

[7] 李國棟, 皮俊波, 鄭力, 等. ±500kV林楓直流雙極閉鎖故障案例仿真分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(4):877-881.

[8] 葉圣永, 王云玲, 唐權(quán), 等. ±1 100kV“疆電入川”特高壓直流輸電對四川電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(10):2726-2731.

[9] 衛(wèi)鵬, 汪成根, 周前, 等. 基于 ADPSS 的錦蘇特高壓直流對江蘇電網(wǎng)運(yùn)行特性影響研究[J]. 高壓電器,2013, 49(11):69-75.

[10] 郭小江,馬世英,申洪, 等.大規(guī)模風(fēng)電直流外送方案與系統(tǒng)穩(wěn)定控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2012, 36(15):107-115.

[11] 李生福,張愛玲,李少華, 等. “風(fēng)火打捆”交直流外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(1):108-114.

[12] 張愛玲,李少華,張崇見,等. “風(fēng)火打捆”孤島特高壓直流送端電壓和頻率控制[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào),2015, 27 (3):29-35.

[13] 鄭傳材, 管霖. 云廣特高壓直流故障特性及其強(qiáng)迫停運(yùn)對受端系統(tǒng)影響評估[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(1):32-38.

[14] 陳虎, 張英敏, 賀洋, 等.特高壓交流對四川電網(wǎng)多送出直流輸電系統(tǒng)影響評估[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(7):136-141.

[15] 陳樹勇, 逄博, 陳得治,等.新疆電網(wǎng)多送出直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析[J].中國電力,2014,47(4):102-107.

[16] 曾憲剛，王志濱，呂偉權(quán)．交直流混合系統(tǒng)中交流故障對直流的影響分析[J]．高電壓技術(shù)，2006，32(9)：29-32．

[17] Rong Z，Zhanqing Y，Jinliang H，et al．Study on Restraining DC Neutral Current of Transformer During HVDC Monopolar Operation[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(4)：2785-2791．

[18] 劉之堯，唐卓堯，張文峰，等．直流換相失敗引起繼電保護(hù)誤動分析[J]．電力系統(tǒng)自動化，2006，30(19)：104-107．

Based on the different operation modes of Xinjiang UHV AC/DC hybrid sending grid in 2016, the influence of different failures occurring in ±800kV UHVDC transmission system on the voltage of AC system near the Kumul Prefecture is analyzed through simulation. Different control strategies are adopted according to different failure forms, and the influence of different control strategies on the operating voltage of AC/DC hybrid transmission system is analyzed. The research results are as follow: when DC system failure occurs, in view of different types of failures, DC monopole blocking results in low power surplus and a less influence on system operating stability; Bipolar blocking results in high power surplus which leads to the decrease of AC bus voltage along the line, even the voltage instability and a big influence on AC/DC hybrid transmission system. Commutation failure has a large effect on system transient voltage stability. With the constantly increase of DC power delivered to the outside, no matter DC bipolar blocking failure or the commutation failure, they all will lead to more serious transient voltage rise.

UHVDC; DC blocking; commutation failure; stability control scheme; voltage influence

TM712

A

1003-6954(2017)02-0011-05

2016-12-18)

哈麗曼·合孜爾(1989)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制；

樊艷芳(1971)，碩士生導(dǎo)師、副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制、微電網(wǎng)控制技術(shù)研究。