永富直流受端電網電壓穩(wěn)定性研究

， ，，(. 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 600；. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 6507)

永富直流受端電網電壓穩(wěn)定性研究

曾雪松1，徐志2，范文飛1，伍文城1
(1. 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217)

永富直流是國內首個省內直流輸電項目，其受端富寧換流站接入的交流系統(tǒng)較弱，換流站內裝設有固定串補和STATCOM，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析帶來了挑戰(zhàn)?；陟o態(tài)穩(wěn)定和時域仿真分析方法，分析了富寧換流站所在地區(qū)電網在N-1和嚴重故障下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定，研究了富寧換流站STATCOM接入后對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，為大容量直流接入弱交流系統(tǒng)的穩(wěn)定分析提供了新思路。

永富直流；電壓穩(wěn)定性；靜態(tài)電壓穩(wěn)定；區(qū)域有功功率裕度；暫態(tài)穩(wěn)定；STATCOM

0 引 言

云南永富直流工程主要為滿足觀音巖水電站3 000 MW電力送出而建設，直流工程起點位于云南省楚雄州永仁縣永仁換流站，落點位于云南省文山州富寧縣富寧換流站，工程于2016年7月正式竣工投產。

永富直流受端富寧換流站位于云南電網文山地區(qū)，接入交流系統(tǒng)較弱，最小三相短路電流云南側和廣西側分別僅為8.0 kA和7.1 kA，對應永富直流送電3 000 MW時有效短路比ESCR分別為1.8和1.6，直流運行條件較差。

為達到云南電網與南方電網主網異步運行的目的，富寧換流站接入系統(tǒng)方案滿足3 000 MW全送廣西或全送云南，以及單極1 500 MW分送廣西、云南3種運行方式的要求。為改善受端弱交流系統(tǒng)條件下直流運行條件，在500 kV富寧換流站—靖西變電站雙回、500 kV硯山變電站—富寧換流站雙回線路均裝設約50%補償度的串補裝置，在富寧換流站裝設3組±100 Mvar 的STATCOM裝置，如圖1所示。永富直流屬于大容量直流接入弱交流系統(tǒng)受端，對此類系統(tǒng)其電壓穩(wěn)定性是需要重點關注的問題[1-4]。此外，富寧換流站還存在常規(guī)直流兩極分送、STATCOM及固定串補技術集中使用情況，交直流交互影響更為復雜，需采用多種手段進行研究。

下面基于靜態(tài)穩(wěn)定和時域仿真分析方法，分析了富寧換流站所在地區(qū)電網在N-1和嚴重故障下的靜態(tài)電壓和暫態(tài)穩(wěn)定問題，研究了富寧換流站STATCOM接入后對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。

圖1 富寧換流站接入系統(tǒng)方案

1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法

1.1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的基本原理

目前常用的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析(以下簡稱靜穩(wěn)分析)方法均是基于潮流雅克比矩陣的最小奇異值與系統(tǒng)靜穩(wěn)極限之間存在對應關系，采用連續(xù)潮流方法求解常規(guī)的潮流代數(shù)方程，求取P-V曲線和(或)V-Q曲線獲得裕度指標[5]。

連續(xù)潮流法指運用連續(xù)方法跟蹤系統(tǒng)潮流方程穩(wěn)態(tài)運行點隨負荷或發(fā)電輸出變化而變化的解曲線，它通過在常規(guī)潮流方程中引入一個變化參數(shù)并增加一維校正方程，采用預估-校正策略巧妙地解決當系統(tǒng)運行點接近臨界點時潮流不收斂的難題，能順利地穿過“鼻點”而不會有雅克比矩陣奇異的數(shù)值問題。

連續(xù)潮流計算方法主要有弧長連續(xù)法、局部參數(shù)法、延拓法等，主要包括方程參數(shù)化、預測環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)和步長控制4個環(huán)節(jié)。

通過不斷增加區(qū)域負荷及聯(lián)絡線的功率，求解每個傳輸水平上的潮流解，可得到某監(jiān)測母線上的P-V曲線, 可直觀展示節(jié)點電壓與負荷功率增長之間的曲線關系，如圖2所示。在每個傳輸水平上均需要對可能的N-1、N-2故障進行掃描和篩選，確保篩選出最嚴重N-1、N-2故障。當潮流不能收斂時(雅克比矩陣奇異)，即為穩(wěn)定極限。P-V曲線“鼻點”即為最大功率極限點。通過上述方法，可求出測試區(qū)域或聯(lián)絡線的靜態(tài)穩(wěn)定極限和系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度[5]。

所采用的分析方法為基于連續(xù)潮流法的P-V曲線分析方法，采用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析模塊作為計算工具。

圖2 連續(xù)潮流法

1.2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定主要指標說明

1)區(qū)域負荷有功功率裕度

(1)

式中，P、Pmax分別為區(qū)域正常有功和臨界有功。

研究采用以下準則[6]：在區(qū)域最大有功或最大斷面潮流下，

①正?；驒z修方式下，應Kp>8%；

②N-1方式下，Kp>5%；

③N-2方式下，Kp>2.5% (WECC標準)。

2)母線負荷無功功率裕度

(2)

式中，Q、Qmax分別為初始、臨界點的無功功率值。

推薦采用以下準則[6]：在區(qū)域最大有功或最大斷面潮流下，N-1方式下的Kq應大于5%，且應小于正常或檢修方式下的Kq。

3)節(jié)點電壓的要求

①500 kV及以上母線以及發(fā)電廠和500 kV變電站的220 kV母線正常運行方式時，電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的0%～+10%；事故運行方式時為系統(tǒng)額定電壓的-5%～+10%。

②220 kV變電站的220 kV母線以及發(fā)電廠和變電站的35～110 kV母線正常運行方式時，電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的-3%～+7%；事故運行方式時為系統(tǒng)額定電壓的±10%。

4)支路過載限制

檢查計算區(qū)域內220 kV及以上的變壓器和線路、變壓器線路支路，故障前后均按照1.0倍額定電流考慮。

2 富寧換流站近區(qū)電網電壓穩(wěn)定性分析

對富寧換流站近區(qū)電網電壓穩(wěn)定性進行仿真分析，基于的運行方式如下：

1)直流運行工況

永富直流的運行工況考慮了兩種：分別為永富直流3 000 MW全送云南或全送廣西兩種工況。

2)云南電網運行方式

云南電網計算負荷模擬到110 kV母線，基于2018年云南電網豐水期大負荷的典型運行方式。

2.1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析

對永富直流受端電網進行靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析時，原則如下：

1)負荷增長：永富直流受端所在地文山地區(qū)電網負荷增長，最大負荷增長量設置為4 000 MW。

2)發(fā)電機出力增長：云南接入500 kV的主要大電源和永富直流受端所在地文山地區(qū)電網接入的電源。

3)節(jié)點電壓越限檢測：設定計算區(qū)域內500 kV和220 kV母線節(jié)點電壓滿足1.0～1.1 p.u.，另外設置計算區(qū)域內全部發(fā)電機節(jié)點限制為0.95～1.05 p.u.。

4)對該地區(qū)N-1、N-2故障進行了篩選，挑選了最為嚴重的4個故障進行靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析。4個故障分別為：500 kV硯山變電站—富寧變電站線路N-1、N-2故障，500 kV紅河變電站—硯山變電站線路N-1、N-2故障。

2018年豐大方式下，永富直流受端所在地文山地區(qū)電網負荷有功功率裕度見表1， 2018年豐大正常方式下P-V曲線如圖3所示(其余P-V曲線略)。靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析表明：

1)永富直流3 000 MW送電廣西時，文山地區(qū)的有功功率裕度為44.89%，極限功率為2 866.5 MW；相對嚴重的故障為500 kV紅河變電站—硯山變電站線路三相短路故障，該線路N-1、N-2故障時文山地區(qū)的有功功率裕度分別為40.61%和26.24%，均滿足相關導則要求。

2)永富直流3 000 MW送電云南時，文山地區(qū)的有功功率裕度為27.80%，極限功率為6 362.5 MW；相對嚴重的故障為500 kV紅河變電站—硯山變電站線路三相短路故障，該線路N-1、N-2故障時文山地區(qū)的有功功率裕度分別為27.41%和23.91%，均滿足相關導則要求。

3)從靜態(tài)電壓穩(wěn)定計算結果來看，相較于永富直流3 000 MW送電廣西，2018年豐大永富直流3 000 MW送電云南時，受端電網文山地區(qū)的受電規(guī)模增加，相當于饋入了相應容量的電源，文山地區(qū)的極限功率有所提高，但該地區(qū)的有功功率裕度呈下降的趨勢。

2.2 暫態(tài)穩(wěn)定分析

盡管靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析為大規(guī)模電網的電壓穩(wěn)定分析提供了一種快速且可通覽全貌的分析方法，但是靜態(tài)方法給出的結果常常具有一定的保守性，需通過時域仿真工具進行校核[7]。因此，基于前述靜態(tài)結果，采用時域仿真工具對2018年豐大方式下富寧換流站近區(qū)電網的暫態(tài)穩(wěn)定進行分析，研究采用PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序，計算中考慮的模型如下：

1)發(fā)電機模型

發(fā)電機采用Eq″、Ed″變化模型，考慮自動勵磁調節(jié)裝置、調速器作用，機組容量大于20 MW的機組均投入PSS，機組阻尼系數(shù)D取0。

表1 文山地區(qū)電網靜態(tài)電壓穩(wěn)定計算結果

圖3 P-V曲線

2)直流模型

云廣、溪洛渡、糯扎渡、金中、永富、魯西背靠背直流系統(tǒng)采用PSD-BPA程序中的兩端直流詳細模型，考慮直流控制系統(tǒng)作用，控制方式為定功率，不考慮調制功能。

3)負荷模型

負荷采用考慮頻率特性的ZIP靜態(tài)模型，由恒定阻抗、恒定電流、恒定功率并計及頻率特性因子組成的綜合負荷模型，對應于PSD-BPA程序中的LB型負荷模型，具體為：

云南電網：30%恒定阻抗，30%恒定電流，40%恒定功率；

廣西電網：30%恒定阻抗，40%恒定電流，30%恒定功率；

有功負荷的頻率因子LDP取為1.2，無功負荷頻率因子LDQ取為-2.0。

4)STATCOM

富寧換流站考慮投入3組±100 Mvar 容量的STATCOM裝置。

在上述計算條件下，2018年豐大方式，永富直流受端所在地文山地區(qū)電網的暫態(tài)穩(wěn)定分析計算結果如下：

1)永富直流3 000 MW送電廣西時，文山地區(qū)的有功功率裕度為109.9%，極限功率為4 153.5 MW；永富直流3 000 MW送電云南時，文山地區(qū)的有功功率裕度為13.3%，極限功率為5 640.0 MW，均滿足相關導則要求。

2)文山地區(qū)負荷逐漸增長至極限功率時， 500 kV紅河變電站—硯山變電站線路N-1故障后出現(xiàn)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象，系統(tǒng)不能夠保持穩(wěn)定。具體電壓越限點為文山地區(qū)110 kV空山站為代表的負荷站點，故障后對應110 kV母線電壓低于0.75 p.u.超過50 Hz，如圖4所示。

3)永富直流3 000 MW送電廣西時，永富直流發(fā)生雙極閉鎖和500 kV紅河變電站—硯山變電站—富寧換流站線路發(fā)生N-2故障后，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定；永富直流3 000 MW送電云南時，500 kV紅河變電站—硯山變電站—富寧換流站線路發(fā)生N-2故障后，系統(tǒng)失穩(wěn)。

圖4 空山變電站110 kV電壓曲線

3 富寧換流站STATCOM對弱交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響分析

富寧換流站裝設3組±100 Mvar 的STATCOM裝置后，提升了文山地區(qū)這種典型的受端電網的無功儲備，同時STATCOM有著較快的響應速度，故障后為電網提供較好的電壓支撐，提高了文山地區(qū)的安全穩(wěn)定水平。對STATCOM的接入對文山地區(qū)電壓穩(wěn)定性的影響進行時域仿真分析，研究主要基于永富直流3 000 MW送電云南時的豐大運行方式。

時域仿真的故障為500 kV紅河變電站—硯山變電站線路發(fā)生N-1故障。故障后富寧換流站500 kV交流母線電壓曲線如圖5所示，STATCOM的無功出力曲線如圖6所示，永富直流熄弧角曲線如圖7所示。由仿真結果可以看出：

圖5 富寧換流站500 kV電壓曲線

1)STATCOM在故障后暫態(tài)過程中最大發(fā)出了約+354 Mvar(+為容性，-為感性，下同)的無功功率，向系統(tǒng)提供電壓支持；在故障恢復過程中，STATCOM的無功功率范圍在-70～+107 Mvar之間，最后基本穩(wěn)定在20 Mvar。有STATCOM時，500 kV富寧變電站的電壓在由1.020 p.u.提升至1.024 p.u.，500 kV硯山變電站的電壓由1.024 p.u.提升至1.027 p.u.，220 kV文山變電站的電壓由1.012 p.u.提升至1.014 p.u.，220 kV馬關變電站的電壓由1.009 p.u.提升至1.011 p.u.，其余文山地區(qū)的各廠站的電壓水平均有不同程度提升。

圖6 富寧換流站STATCOM無功出力曲線

圖7 永富直流熄弧角

2)直流母線電壓在故障后迅速下跌至0.9 p.u.以下，富寧換流站熄弧角跌至7°以下，直流發(fā)生換相失敗。故障消失后富寧換流站熄弧角逐漸恢復，直流功率逐漸提升，直流功率在1.0 s左右達到額定功率。在故障過程中，STATCOM在故障發(fā)生20 ms后迅速響應，為系統(tǒng)提供電壓支撐，最大無功出力達到+322 Mvar；從仿真曲線可以看出，相較于無STATCOM時，富寧換流站500 kV交流母線電壓恢復更快，恢復后的電壓穩(wěn)態(tài)值更高，直流功率換相失敗后的恢復過程也更快。

4 結 語

1)永富直流受端電網靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析：2018年豐大方式永富直流3 000 MW送電廣西時，文山地區(qū)的有功功率裕度為44.89%；永富直流3 000 MW送電云南時，文山地區(qū)的有功功率裕度為27.80%。上述兩種直流運行工況下，發(fā)生N-1、N-2故障后文山地區(qū)的有功功率裕度均滿足相關導則要求。

2)永富直流受端電網暫態(tài)穩(wěn)定分析：永富直流3 000 MW送電廣西時，文山地區(qū)的有功功率裕度為109.9%；永富直流3 000 MW送電云南時，文山地區(qū)的有功功率裕度為13.3%，均滿足相關導則要求。永富直流送電云南時，500 kV紅河變電站—硯山變電站—富寧換流站線路發(fā)生N-2故障后，系統(tǒng)失穩(wěn)，穩(wěn)定水平較永富直流送電廣西時下降。

3)富寧換流站STATCOM對弱交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響：富寧換流站裝設3組±100 Mvar 容量的STATCOM裝置后，提升了文山地區(qū)這種典型的受端電網的無功儲備；同時STATCOM有著較快的響應速度，故障后為電網提供了較好的電壓支撐，使得直流在換相失敗后的恢復過程中更為迅速，富寧換流站STATCOM提高了文山地區(qū)電網的安全穩(wěn)定水平。

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Yongfu HVDC (YFDC) project is the first provincial HVDC project in China. As the receiving end of Yongfu HVDC, Funing inverter station is connected to weak AC system, and installed with fixed serial capacity (FSC) and STATCOM, which has brought challenge to the security analysis of power grid. Firstly continuation power flow method is used to analyze the voltage stability of the AC/DC power transmission system around YFDC. Then, time-domian simulation analysis is carried out to study the transient stability underN-1/N-2 contingencies. Finaly, the effects of STATCOM on the voltage stability of the AC/DC hybrid system is analyzed, which provides a new idea for the security analysis of the large-capacity HVDC connected to the weak AC system.

Yongfu HVDC project; voltage stability; static voltage stability; regional load active power margin; transient stability; STATCOM

TM712

A

1003-6954(2017)05-0010-05

曾雪松(1984 )，工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與設計；

徐 志(1984)，高級工程師，主要研究方向為繼電保護與電能質量；

范文飛(1989)，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與設計；

伍文城(1977) ，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)仿真技術及電力市場。

2017-08-14)