強直弱交受端交流系統(tǒng)安全饋入直流功率評估方法

呂勃翰，王馨尉，孫嘉越，趙冬梅，龔雁峰

（1.華北電力大學，北京 102206；2.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 266002）

強直弱交受端交流系統(tǒng)安全饋入直流功率評估方法

呂勃翰1，王馨尉1，孫嘉越2，趙冬梅1，龔雁峰1

（1.華北電力大學，北京 102206；2.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 266002）

隨著特高壓交直流輸電的快速發(fā)展，交流電網(wǎng)新增饋入直流全面建設(shè)，電網(wǎng)“強直弱交”的問題逐漸突出，受端交流系統(tǒng)的安全隱患日益嚴重。對于多饋入交直流混合系統(tǒng)而言，由于多個直流線路并列運行，各交直流系統(tǒng)之間，直流子系統(tǒng)之間相互影響，對交直流混合系統(tǒng)的控制和保護提出了新要求。分析了短路比、直流線路換相失敗、受端交流系統(tǒng)接入能力研究現(xiàn)狀，為強直弱交受端交流系統(tǒng)安全饋入直流功率評估研究提供參考。

交直流混合系統(tǒng)；短路比；換相失?。恢绷鹘尤肽芰?/p>

0 引言

“十三五”期間，特高壓交直流電網(wǎng)快速發(fā)展，特高壓電網(wǎng)建設(shè)過渡期，電網(wǎng)“強直弱交”特征突出，風電和光伏等新能源并網(wǎng)容量持續(xù)增長［1］。電網(wǎng)格局與電源結(jié)構(gòu)重大改變，電網(wǎng)運行特性發(fā)生深刻變化，集中體現(xiàn)在3個方面：一是故障形態(tài)發(fā)生根本變化，電網(wǎng)脆弱性增加；二是電源結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力嚴重下降；三是電力電子化特征凸顯，電網(wǎng)穩(wěn)定形態(tài)更加復(fù)雜?；趥鹘y(tǒng)交流系統(tǒng)形成的認識方法、防御理念、控制技術(shù)已滯后于特高壓交直流電網(wǎng)運行實踐，保障電網(wǎng)安全的防控技術(shù)與電網(wǎng)運行新的特征已不相適應(yīng)，需要對現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行控制理念進行重新審視，研究高可靠性、高安全性的保護控制技術(shù)，構(gòu)建大電網(wǎng)安全綜合防御體系。

隨著直流工程的大力建設(shè)以及多饋入交直流混合系統(tǒng)的加入，系統(tǒng)的輸送容量大幅增加，運行方式更加多變，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，更加凸顯電網(wǎng)強直弱交的問題［2］。多饋入交直流混合系統(tǒng)相對于單饋入直流輸電系統(tǒng)而言，對受端電網(wǎng)的無功需求量更大，交直流系統(tǒng)的聯(lián)系更加緊密，對受端系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求更高。此外，各個直流換流站之間的交互影響因子、耦合程度，導(dǎo)致多條直流相互影響甚至同時故障的隱患十分嚴重，對于交直流混合系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是重大挑戰(zhàn)，同時對控制和保護的調(diào)整提出更高的要求［3］。

1 短路比研究

在交直流混合系統(tǒng)中，受端交流電網(wǎng)的網(wǎng)架強弱水平在系統(tǒng)穩(wěn)定性中起到?jīng)Q定性作用，在實際研究和應(yīng)用當中，廣泛采用短路比以及有效短路比來對交直流混合系統(tǒng)的可接納最大直流功率、過電壓水平、交直流系統(tǒng)相對強弱關(guān)系進行評估［7］。

1.1 短路比（SCR）的定義

在交直流混合系統(tǒng)計算當中，通常將交流系統(tǒng)利用戴維南等值方法等效為一個理想電壓源串聯(lián)一個等值阻抗，則將短路比定義為直流換流母線處的短路容量與額定直流功率的比值

式中：Sac為換流母線短路容量；PdN為額定直流功率；Z為交流系統(tǒng)等值阻抗；UN為換流母線額定電壓。

單饋入直流短路比，在工程實踐中常用于區(qū)分交流系統(tǒng)的強弱，主要涉及臨界短路比和邊界短路比兩個概念：當直流最大可送功率點與額定工作點重合時，短路比處于某個臨界值，將此時的短路比定義為臨界短路比；當最大可送功率點與換相角工作點重合時，短路比達到某個邊界值，將此時的短路比定義為邊界短路比［8］。

2008年CIGRE直流工作組發(fā)表了“System with Multiple DC Infeed”報告［9］，該報告確定了多直流之間的相互影響因子（MIIF）并且對多饋入短路比做出了定義［10］：

式中：MISCRi為第i回直流所對應(yīng)的多饋入短路比；Ui為第i回換流母線上的額定電壓；Zeqii為系統(tǒng)等值阻抗矩陣中第i回換流母線所對應(yīng)的自阻抗；Zeqij為系統(tǒng)等值阻抗矩陣中第i回換流母線所對應(yīng)的互阻抗；Pdi為第i回直流的額定功率；Pdj為第j回直流的額定功率。MIIF定義為當換流母線i投入對稱三相電抗器使得該母線上的電壓降恰好為1%時，直流子系統(tǒng)j的換流母線電壓變化率。

文獻［11］，通過交直流系統(tǒng)典型參數(shù)推導(dǎo)得出多饋入臨界短路比的表達式，并在此基礎(chǔ)上提出了利用多饋入短路比判斷交直流系統(tǒng)強弱的指標［12］：多饋入短路比小于2為極弱系統(tǒng)；大于2小于3為弱系統(tǒng)；大于3為強系統(tǒng)，并證明了多饋入臨界短路比與電壓靈敏因子存在等價關(guān)系，為利用多饋入短路比分析電壓穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。文獻［13］針對傳統(tǒng)多饋入短路比的物理意義不明確無法體現(xiàn)其與靜態(tài)電壓穩(wěn)定和傳輸極限的直接聯(lián)系的問題，從靜態(tài)電壓穩(wěn)定的角度修正了傳統(tǒng)多饋入短路比，提出了廣義短路比的概念，并證明了其可以為直流落點選擇以及交直流系統(tǒng)穩(wěn)定分析提供理論基礎(chǔ)。此外，文獻［14］指出直流換流站大量的無功消耗會對系統(tǒng)運行特性產(chǎn)生重大影響，針對傳統(tǒng)短路比無法區(qū)分不同無功消耗的不同運行特性問題，提出了多饋入無功短路比的概念，并驗證了其在評估交直流系統(tǒng)交互影響的有效性。

1.2 多饋入短路比應(yīng)用

多饋入短路比通過引入多直流交互影響因子直接體現(xiàn)了多回直流之間的耦合關(guān)系和相互影響，在此基礎(chǔ)上反映了交直流系統(tǒng)之間的強弱關(guān)系，對多直流落點的選擇有一定啟發(fā)性意義。文獻［15］基于多饋入短路比，選擇整體性、均衡性、干擾性3項指標，并進行線性加權(quán)求和得出綜合指標，進而篩選得出最優(yōu)多直流落點選擇方案，但權(quán)重系數(shù)為人為固定無法反應(yīng)多直流間的相互影響。文獻［16］對此做出了改進，考慮到權(quán)重系數(shù)應(yīng)與直流落點以及電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以采用直流間的電氣距離來表達權(quán)重系數(shù)，并用各個換流母線對應(yīng)的交流系統(tǒng)等值阻抗來體現(xiàn)電氣距離的不同，使篩選結(jié)果更符合工程實際。

2 換相失敗分析

換相失敗指在換流器中，剛退出導(dǎo)通的閥，在反向電壓作用的一段時間內(nèi)，若其換相過程未進行完畢或阻斷能力未能恢復(fù)，則閥側(cè)電壓變?yōu)檎驎r，被換相的閥都將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相［17］。

2.1 換相失敗影響因素

根據(jù)換相失敗的定義，判定換相失敗判據(jù)為實際關(guān)斷角小于固有極限關(guān)斷角，工程中一般設(shè)置為7°，在仿真計算中換流母線電壓下降是導(dǎo)致?lián)Q相失敗的最主要原因，因此也采用最小電壓下降法作為判據(jù)來判斷逆變器是否發(fā)生換相失敗，文獻［18］針對傳統(tǒng)最小電壓降落法在判斷換相失敗中假設(shè)逆變側(cè)為無窮大交流系統(tǒng)的不準確性，以逆變器熄弧角與換流母線電壓的表達式為基礎(chǔ)，根據(jù)逆變器達到最小熄弧角時換流母線達到最低電壓為標準，推導(dǎo)出換流母線電壓下降值的表達式，并驗證了該判據(jù)的準確性。此外，文獻［19］在傳統(tǒng)電壓幅值降低和電壓過零點位移對換相失敗影響分析的基礎(chǔ)上，分析了更接近實際的電壓波形畸變引起，遠端換相失敗的異常換相失敗現(xiàn)象，得出其根本原因是畸變電壓波形中含有較大直流分量和低次諧波。

單饋入交流系統(tǒng)中，換相失敗的原因已經(jīng)基本清楚，交流電壓幅值降低、直流電流增大和交流換相電壓過零點相角偏移是導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的主要原因。多饋入直流系統(tǒng)除上述原因外，各換流站之間的電氣耦合關(guān)系是影響多個換流站同時發(fā)生換相失敗的重要因素［20］。文獻［21］重點研究了系統(tǒng)間電氣距離即耦合阻抗的大小對多直流同時換相失敗的影響，認為逆變側(cè)換流母線之間的電氣距離越近，則多個逆變站同時發(fā)生換相失敗的概率越大。文獻［22］以最小熄弧角判據(jù)為標準，得出臨界多饋入交互作用因子的概念以及其通用表達式，認為當一回直流逆變側(cè)發(fā)生三相金屬性短路故障時若與另一回直流間的交互作用因子大于該臨界因子則兩回直流同時發(fā)生換相失敗。文獻［23］通過推導(dǎo)換相失敗免疫因子與系統(tǒng)參數(shù)之間的解析表達式，得出多直流間相互影響因子越大，換相失敗免疫水平越低；交流系統(tǒng)有效短路比越大，換相失敗免疫水平越高，為交直流混合系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃提供可靠依據(jù)。

2.2 換相失敗的影響及控制策略

換相失敗是交直流混合系統(tǒng)中最常見的特有故障之一，若由于受端電網(wǎng)無功支撐不足引發(fā)連續(xù)換相失敗，則會導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖中斷功率傳輸，這將使受端交流系統(tǒng)出現(xiàn)較大的有功缺額和無功過剩，對交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定造成巨大威脅。

換相失敗的控制策略主要分為兩類，一類是從速度與精度方面提出優(yōu)化的預(yù)測方法來快速準確識別即將發(fā)生的換相失敗，進而采取減小直流電流和提前觸發(fā)逆變器閥等措施。文獻［24］將交流故障引起的電壓與電流分量的突變特征結(jié)合得出功率分量，并綜合這3個分量提出了可更早檢測交流故障的功率分量檢測法，并以此為基礎(chǔ)提出電流指令速動法，通過迅速減小電流有效降低換相失敗概率。文獻［25］分析了僅采取減小觸發(fā)延遲角來控制直流換相失敗的局限性，利用逆變側(cè)低壓限流控制和電流偏差控制模塊，提出了一種直流電流預(yù)測控制方法，降低換相失敗概率。另一類是對控制器進行改進，調(diào)整控制模塊邏輯結(jié)構(gòu)或修改控制參數(shù)，使其可以根據(jù)系統(tǒng)實際運行工況達到最優(yōu)控制。文獻［26］對直流控制系統(tǒng)建模仿真，針對實際工程中換相失敗控制模塊參數(shù)配置不當導(dǎo)致逆變站無功需求過大的問題，提出適當降低預(yù)測控制模型電壓門檻值和增益系數(shù)可有效減小逆變站從交流系統(tǒng)吸收無功的解決方案。文獻［27］應(yīng)用比例積分運算式離散化推導(dǎo)，得出一種改進的自適應(yīng)PI控制代替系統(tǒng)中的傳統(tǒng)控制器，具有不依賴參考模型且運算量小可以快速響應(yīng)的優(yōu)勢，提升了系統(tǒng)抑制換相失敗的性能。

3 受端電網(wǎng)直流接入能力分析

文獻［28］綜合考慮電網(wǎng)短路電流水平、交流系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等因素，根據(jù)多饋入短路比來確定直流落點方案的整體性指標、均衡性指標、干擾性指標以及安全裕度指標，并進行加權(quán)綜合評估，從而確定最優(yōu)直流落點集合，并在此基礎(chǔ)上以多饋入短路比不得小于2和N-1穩(wěn)定計算為判據(jù)，逐漸增大直流接入得出最大接入規(guī)模。文獻［29］認為影響交流系統(tǒng)直流受電規(guī)模的根本因素是多饋入直流短路比的大小和受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題，并從電網(wǎng)規(guī)劃角度考慮，得出電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和直流落點是影響多饋入短路比的直接原因，認為安裝動態(tài)無功補償配置是提高電壓穩(wěn)定性的一種相對有效手段。因此該文章確立了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、直流落點、無功補償配置作為直流受入規(guī)模的主要影響因素，認為使這3個因素最優(yōu)化即可得出最大直流規(guī)模，采用多目標優(yōu)化的啟發(fā)式規(guī)劃算法進行求解得出最大直流接入量。

以上兩種方法都只是從受端電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的角度出發(fā)，提出直流最大受入規(guī)模的求解，并未考慮載電網(wǎng)調(diào)度運行下不同運行方式所帶來的換相失敗、頻率安全以及區(qū)域互聯(lián)功率轉(zhuǎn)移等實際電網(wǎng)面臨的問題，所以計算結(jié)果在實際運行時可能無法滿足要求。文獻［30-31］結(jié)合直流饋入后給電網(wǎng)運行控制帶來的實際問題分析影響受端電網(wǎng)接入規(guī)模的主要因素：要綜合考慮站址條件、潮流分布以及經(jīng)濟性等因素的直流落點選擇問題；為保證直流系統(tǒng)換相可靠，交流系統(tǒng)相間要有足夠大的短路電流來滿足多饋入短路比要求的受端交流電網(wǎng)強度問題；在直流發(fā)生單極閉鎖、雙極閉鎖后大量功率轉(zhuǎn)移所引起的頻率安全以及電壓跌落問題；多饋入直流同時換相失敗造成受端交流電網(wǎng)短時出現(xiàn)大量功率轉(zhuǎn)移和電壓跌落引起的暫態(tài)穩(wěn)定問題。

因此，直流接入能力與受端電網(wǎng)的運行方式、頻率安全問題、電壓支撐能力、短路容量水平密不可分。為求得最大直流接入規(guī)模，須針對上述影響因素重點研究開機情況［32］、新能源機組并網(wǎng)情況、重要交流斷面功率控制水平、電壓控制水平、負荷模型和規(guī)模［33］、外部電網(wǎng)強度等因素對直流實際可饋入運行功率的影響，側(cè)重從調(diào)度運行層面，提出受端系統(tǒng)所能受入的最大直流規(guī)模評估方案。

4 結(jié)語

多饋入短路比可直接體現(xiàn)多直流之間的耦合關(guān)系和相互影響，是衡量交流電網(wǎng)強度的宏觀尺度，以此為基礎(chǔ)綜合選擇直流落點是直流接入能力計算的基礎(chǔ)。短路比的定義也揭示了受端電網(wǎng)短路容量水平越大則網(wǎng)架越堅強的特性，可以作為提高直流接入能力的調(diào)度運行方案設(shè)計的參考依據(jù)。多饋入直流輸電系統(tǒng)發(fā)生多條直流同時或相繼換相失敗以及嚴重時發(fā)生直流閉鎖，造成的功率轉(zhuǎn)移、有功缺額和無功過剩是影響交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素，制約直流線路的輸送功率。單純從暫態(tài)穩(wěn)定和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃角度計算出的直流接入規(guī)模，在電網(wǎng)實際運行過程中可能出現(xiàn)偏差，所以需要梳理各個運行控制條件對交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的影響規(guī)律，評估可以饋入的最大規(guī)模。

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Study on Safety Feeding DC Power Evaluation M ethod for“Strong DC and W eak AC”system

LV Bohan1，WANG Xinwei1，SUN Jiayue2，ZHAO Dongmei1，GONG Yanfeng1
（1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266002，China）

With the rapid development of UHV AC／DC transmission，the problem of“strong DC and weak AC”is becoming more and more obvious.The security risk of the weak AC transmission system is becoming higher and higher.For the multifeed-in AC／DC hybrid system，because of the parallel operation ofmultiple DC lines，interference happens between AC and DC system as well as among DC subsystems，which imposes new requirements on the control and protection of AC／DC hybrid systems.The research status about short-circuit ratio，commutation failures in HVDC and the safety of feeding DC power is reviewed and summarized in this paper.Thiswill provide valueable guidance to the evaluation of safely feeding DC power to the AC system with weak receiving end.

multi-infeed AC／DC hybrid power system；short circuit ratio；commutation failure；DC access capability

TM721.3

A

1007－9904（2017）06－0031－04

2017-03-02

呂勃翰（1992），男，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)分析與運行方面研究工作；王馨尉（1993），女，碩士研究生，研究方向為需求側(cè)管理、負荷控制；孫嘉越（1992），男，工程師，從事電力營銷工作；趙冬梅（1965），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)分析運行和電力系統(tǒng)智能，控制工作；龔雁峰（1977），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)控制與保護工作。