2018年多直流饋入江蘇規(guī)劃電網(wǎng)連鎖換相失敗分析

周 前， 張 潮， 張寧宇， 邵雨薇， 王思成， 韓 松

(1. 國家電網(wǎng)公司變電站智能設(shè)備檢測技術(shù)重點實驗室(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211103；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

近年來隨著我國高壓直流輸電工程的大量建設(shè)，電能需求較大的負(fù)荷中心很可能有多個直流落點而形成“多直流饋入受端電網(wǎng)”。根據(jù)“十三·五”規(guī)劃，2018年江蘇電網(wǎng)將形成一個多直流饋入受端電網(wǎng)。多直流饋入系統(tǒng)可以較好的解決電能的長距離傳輸和電力短缺問題，但多回直流與交流系統(tǒng)的混合大大增加了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，直流與直流、交流與直流之間的相互耦合作用很有可能造成連鎖故障，擴大故障范圍，加重故障后果[1-3]。

在有多個直流落點的交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，受端交流系統(tǒng)或直流系統(tǒng)發(fā)生故障可能導(dǎo)致多回直流連鎖換相失敗[4-5]，使得直流電壓降低、電流增大、直流傳輸功率波動，對電網(wǎng)造成一定沖擊。連鎖換相失敗還可能引發(fā)更為嚴(yán)重的直流閉鎖故障，出現(xiàn)直流功率中斷、潮流大范圍轉(zhuǎn)移，危及受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定性以及頻率穩(wěn)定性[6-9]。所以有必要對實際多饋入系統(tǒng)進行連鎖換相失敗分析，對系統(tǒng)采取預(yù)防和控制措施。

文獻[10]指出可將多饋入交互作用因子(multi-infeed interaction factor，MIIF)看作衡量是否發(fā)生連鎖換相失敗的指標(biāo)，減小交互作用因子可以降低連鎖換相失敗的可能性。文獻[11]指出MIIF的大小僅與換流母線的自阻抗和互阻抗有關(guān)，可以利用阻抗矩陣快速判斷換流母線處故障后是否會引發(fā)連鎖換相失敗。文獻[12]針對MIIF僅考慮換流母線間相互作用的問題，將其推廣到任意交流母線與換流母線間的交互作用，提出了節(jié)點電壓交互作用因子(voltage inter action factor，VIF)，但未在實際系統(tǒng)中應(yīng)用。文獻[13]分析了直流分層接入下層間交互影響因子的計算方法并比較了直流分層接入與傳統(tǒng)接入方式的優(yōu)劣。文獻[14—15]利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC仿真分析了電流源型高壓直流輸電線路故障下引發(fā)的過電壓、過電流以及不同故障類型對換相失敗的影響。

文中基于2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)的豐大運行方式，采用中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的PSD-BPA機電暫態(tài)程序，針對受端交流系統(tǒng)直流逆變站附近主要500 kV交流線路的三相永久性短路故障，考慮交流和直流、多直流之間的相互作用，研究了江蘇多直流饋入電網(wǎng)發(fā)生連鎖換相失敗的原因，分析了MIIF和VIF在使用中需要注意的問題，為江蘇電網(wǎng)的實際運行提供了相關(guān)參考。

1 江蘇規(guī)劃電網(wǎng)系統(tǒng)模型

目前，我國已經(jīng)初步形成了2個復(fù)雜的多直流饋入?yún)^(qū)域電網(wǎng)，分別是南方電網(wǎng)和華東電網(wǎng)。江蘇電網(wǎng)作為華東電網(wǎng)的重要組成部分，已有龍泉—政平、錦屏—同里2個直流落點。根據(jù)“十三·五”規(guī)劃，2018年將有錫盟—泰州、晉北—南京兩回特高壓直流工程投入運行，其中泰州換流站按500 kV和1000 kV兩個電壓等級分層接入，同時還有泰州特—南京特、泰州特—蘇州特兩回特高壓交流線路投入運行，形成有四回直流饋入的多直流饋入、特高壓交流與直流混聯(lián)的受端電網(wǎng)。

在2018年豐大運行方式下，江蘇規(guī)劃電網(wǎng)共有有功負(fù)荷95 373.8 MW，無功負(fù)荷24 595 Mvar，江蘇省內(nèi)電源有功出力72 464.8 MW，無功出力43 202.7 Mvar。其中饋入江蘇的四回直流錦屏—同里、龍泉—政平、晉北—南京、錫盟—泰州的額定傳輸功率分別為3600×2 MW，3000 MW，4000×2 MW，4998×2 MW，總額定傳輸功率為24 596 MW，占江蘇電網(wǎng)總負(fù)荷的25.8%，對江蘇電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有非常重大的意義。

江蘇2018年規(guī)劃電網(wǎng)四回直流及部分重要線路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中加粗部分表示1000 kV交流線路及變電站，其余均為500 kV變電站和交流線路。

圖1 2018年多直流饋入江蘇電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of multi-infeed HVDC system in Jiangsu in 2018

2 江蘇電網(wǎng)多直流饋入直流輸電系統(tǒng)連鎖換相失敗仿真

多直流饋入直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗多為交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流逆變站換流母線電壓降低引起的，目前判斷換相失敗主要有最小電壓降落法與最小熄弧角法2種方法[16]，文中采用最小電壓降落法。根據(jù)實際工程運行經(jīng)驗，當(dāng)逆變側(cè)換流母線電壓跌落至0.8 p.u.以下且變化率超過0.3 p.u./s或電壓低于0.6 p.u.時則判斷該直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，當(dāng)故障后電壓恢復(fù)至0.75 p.u.時則判斷恢復(fù)正常換相[16]。

為分析受端交流系統(tǒng)故障引發(fā)直流系統(tǒng)同時或連續(xù)連鎖換相失敗的可能性，對受端各直流逆變站附近的重要500 kV交流線路模擬最為嚴(yán)重的母線出口處三相永久性短路故障，故障設(shè)置于10周波，并于15周波時切除故障線路。根據(jù)2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，以泰州換流站附近交流線路泰州特—南京特于泰州特側(cè)發(fā)生故障為例，仿真計算結(jié)果如圖2所示，其中泰州換1、泰州換2分別表示泰州換流站500 kV和1000 kV換流母線。

圖2 受端交流線路故障后換流母線電壓Fig.2 Voltage curve of commutation bus afterfault in Jiangsu AC system

從仿真結(jié)果可見，當(dāng)泰州換流站附近交流線路泰州特—南京特在泰州特側(cè)發(fā)生三相永久性短路故障后政平換流站換流母線電壓仍維持在0.8 p.u.以上，同里換流站和南京換流站換流母線電壓最低分別低至0.756 p.u.和0.706 p.u.，泰州換流站500 kV和1000 kV換流母線故障后電壓分別低至0.557 p.u.和0。政平換流站不會發(fā)生連鎖換相失敗。同里換流站和南京換流站會發(fā)生連鎖的換相失敗，但交流故障切除后電壓水平可以快速恢復(fù)從而恢復(fù)正常換相，換相失敗持續(xù)時間小于100 ms。泰州換流站會發(fā)生連鎖的連續(xù)換相失敗，故障持續(xù)時間100 ms，在故障清除后可以快速恢復(fù)。

江蘇電網(wǎng)受端直流逆變站附近重要交流線路故障后的換流母線電壓仿真計算結(jié)果如表1—4所示，其中故障發(fā)生在線路首端的母線出口處。

表1 南京換流站附近交流線路故障后換流母線電壓Tab.1 Voltage of commutation bus after faultsoccurring on some AC line near Nanjing inverter station

根據(jù)表1—4的仿真結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

表2 同里換流站附近交流線路故障后換流母線電壓Tab.2 Voltage of commutation bus after faultsoccurring on some AC line near Tongli inverter station

表3 政平換流站附近交流線路故障后換流母線電壓Tab.3 Voltage of commutation bus after faultsoccurring on some AC line near Zhengping inverter station

表4 泰州換流站附近交流線路故障后換流母線電壓Tab.4 Voltage of commutation bus after faultsoccurring on some AC line near Taizhou inverter station

(1) 南京換流站附近交流線路南京換—三汊灣、南京換—安瀾、安瀾—南京、三汊灣—秋藤發(fā)生三相短路后均會導(dǎo)致南京換流站和鄰近的泰州換流站短暫的換相失敗。

(2) 同里換流站附近交流線路同里換—木瀆、同里換—吳江、同里換—車坊、木瀆—梅里、木瀆—車坊、吳江—車坊發(fā)生三相短路故障后均會導(dǎo)致同里換流站和鄰近的政平換流站短暫的換相失敗。

(3) 政平換流站附近交流線路政平換—宜興、政平換—武南、武南—惠泉、宜興—岷珠發(fā)生三相短路故障后均會導(dǎo)致政平換流站和鄰近的同里換流站短暫的換相失敗。

(4) 泰州換流站附近交流線路泰州換1—鳳城、泰州換1—雙草、泰州換1—旗杰、鳳城—仲洋、雙草—大豐發(fā)生三相短路故障后會導(dǎo)致泰州換流站短暫的換相失敗，旗杰—沭陽發(fā)生三相短路故障后會導(dǎo)致泰州和南京換流站短暫的換相失敗，南京特—泰州特、蘇州特—泰州特、泰州換2—泰州特發(fā)生三相短路故障后會導(dǎo)致同里、南京和泰州換流站同時換相失敗。

此外，與泰州特—南京特三相短路后相同，上述由交流系統(tǒng)故障引起的直流系統(tǒng)連鎖換相失敗在交流故障清除后均可以快速恢復(fù)正常換相，換相失敗持續(xù)時間不超過故障持續(xù)時間100 ms。根據(jù)目前實際運行中直流保護的配置，當(dāng)檢測到由外部交流故障引起的換相失敗時，保護延遲300 ms動作將直流閉鎖，防止持續(xù)的換相失敗對逆變器造成損傷，因此對于2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)，受端交流線路故障只會引起直流系統(tǒng)短暫的換相失敗，不會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的直流閉鎖。

3 江蘇電網(wǎng)連鎖換相失敗原因分析

在含有直流落點的交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，直流換相失敗是較為常見的故障之一，對于只含有1個直流落點的單饋入直流系統(tǒng)，受端系統(tǒng)發(fā)生交流故障導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓降低時，換流閥在退出換相時不能及時恢復(fù)正向阻斷能力從而導(dǎo)致直流換相失敗。誘發(fā)換相失敗的主要因素有受端交流系統(tǒng)的強度、故障位置、故障嚴(yán)重程度、換流母線處無功支撐強度等；而對于含有多個直流落點的多饋入直流系統(tǒng)，交流故障引發(fā)連鎖換相失敗的機理更為復(fù)雜，與單饋入系統(tǒng)相比多回直流落點之間的距離、相互之間的耦合關(guān)系都對是否會發(fā)生連鎖換相失敗有著不同程度的影響[17-21]。

對于多饋入直流系統(tǒng)，目前主要采用MIIF指標(biāo)來分析交直流系統(tǒng)的運行特性和相互影響關(guān)系，影響多直流連鎖換相失敗的主要因素在于多條直流之間的耦合關(guān)系，因此可用MIIF分析連鎖換相的原因。MIIF指在換流母線i投入對稱三相電抗器使該母線電壓下降1%時換流母線j的電壓降與其比值，該指標(biāo)計算相對復(fù)雜.文獻[11—12]提出了MIIF的簡便算法，將換流母線電壓降落等效為節(jié)點注入電流的變化，利用節(jié)點阻抗矩陣可以實現(xiàn)指標(biāo)的解析計算，并將MIIF推廣至任一交流節(jié)點，提出了VIF，計算公式如下：

(1)

式中：fVIFji為VIF值；i為任一交流節(jié)點；j為換流母線節(jié)點；Ui0為節(jié)點i的初始電壓；ΔUj為節(jié)點j的電壓降落；Zij為節(jié)點i與j間的互阻抗；Zii為節(jié)點i的自阻抗。

當(dāng)節(jié)點i為換流母線節(jié)點時，上述公式則為fMIIFji，即MIIF值，可見MIIF是VIF的一個特例，VIF相比MIIF考慮了故障位置不同時對換流母線電壓的影響。

3.1 直流換流母線處故障導(dǎo)致連鎖換相失敗分析

fMIIFji值越大則表明i,j兩回直流間的聯(lián)系越緊密，當(dāng)fMIIFji<0.15且直流i與j傳輸功率相差不大時，可認(rèn)為兩回直流間沒有相互作用，對其分析時可做單饋入直流系統(tǒng)處理[22]。

利用式(1)對饋入江蘇電網(wǎng)的各直流的fMIIFji進行計算，以分析江蘇電網(wǎng)的連鎖換相失敗，計算結(jié)果如表5所示。

表5 江蘇電網(wǎng)各直流fMIIFjiTab.5 MIIF of multi-infeed HVDCsystem in Jiangsu power grid

結(jié)果顯示饋入江蘇電網(wǎng)的4回直流各換流母線間共20個fMIIF，僅有8個超過0.1，6個超過0.15，可見江蘇電網(wǎng)的某一回直流在換流母線處的電壓波動對其余直流換流母線電壓的影響較小，四回直流間的相互聯(lián)系程度總體上較弱。

根據(jù)江蘇電網(wǎng)實際的故障仿真結(jié)果，對于fMIIFji>0.15的直流換流母線，當(dāng)在換流母線處發(fā)生三相短路，電壓短時降為0后均會使相應(yīng)的另一換流母線電壓大幅下降從而導(dǎo)致連鎖的換相失敗。南京換對泰州換1的fMIIF為0.149，接近0.15，因此當(dāng)南京換流站換流母線處發(fā)生三相短路,電壓降為0后也會使泰州換1換流母線電壓有較大跌落而導(dǎo)致連鎖換相失敗。泰州換2換流母線對同里換換流母線fMIIF僅為0.077，但兩回直流的傳輸功率相差較大，該fMIIF并不能很好辨別兩回直流間的聯(lián)系，實際當(dāng)泰州換2換流母線電壓降為0后也會導(dǎo)致同里換流站短時的換相失敗。

綜合以上分析，2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)在直流逆變站換流母線處發(fā)生三相短路導(dǎo)致連鎖換相失敗的主要原因是部分換流母線間的fMIIF較大，不能將其當(dāng)做單饋入直流處理，直流之間存在較大的相互作用，當(dāng)某一換流母線處發(fā)生三相短路故障時電壓會瞬時下降為0，使得本直流發(fā)生換相失敗，又因電壓跌落幅度非常大，從而也會使相應(yīng)的另一換流母線電壓有較大跌落，進而引發(fā)連鎖換相失敗。

3.2 非換流母線處故障導(dǎo)致連鎖換相失敗分析

利用式(1)對江蘇電網(wǎng)受端換流站附近部分重要交流節(jié)點的fVIFji值計算如表6所示：

表6 江蘇電網(wǎng)重要交流節(jié)點fVIFjiTab.6 fVIFji of some AC buses in Jiangsu power grid

對比表6與表5，可見受端交流節(jié)點的fVIF相比各換流母線的fVIF都偏高。從VIF和MIIF的定義出發(fā)，一方面逆變站緊鄰的交流節(jié)點與對應(yīng)的直流換流母線之間電氣距離較小，互阻抗較大，所以必然相應(yīng)的交互作用因子較大；另一方面，相比于饋入受端的直流換流母線，鄰近的交流母線距離另外三回直流的電氣距離更近，之間的互阻抗更大，所以fVIFji較大。當(dāng)故障導(dǎo)致節(jié)點電壓跌落時，相比換流母線，逆變站近區(qū)的交流母線對另外三回直流的換流母線電壓影響更大，會造成更嚴(yán)重的電壓下降，鄰近直流發(fā)生換相失敗的可能性更大。

根據(jù)fVIFji計算公式，當(dāng)受端電網(wǎng)發(fā)生故障，任意交流母線i電壓發(fā)生變化后任意換流母線j的電壓變化為：

(2)

式中：UjN為換流母線j的額定電壓；UiN為節(jié)點i的額定電壓。

利用式(2)，當(dāng)在上述交流節(jié)點母線處發(fā)生三相短路故障導(dǎo)致節(jié)點電壓瞬時為0后，各換流母線的電壓計算如表7所示。

表7 采用fVIFji快速計算換流母線電壓
Tab.7 Commutation bus voltage calculated by fVIFjimethod

母線i母線j南京換同里換政平換泰州換1泰州換2南京特0．7040．8770．9310．7370．224蘇州特0．8620．7730．9110．8160．430鳳城0．8790．9240．9460．2280．684雙草0．8840．9270．9490．2150．777旗杰0．8390．9190．9860．3960．832安瀾0．0840．9010．9230．7860．700三汊灣0．2280．9020．8880．8860．790木瀆0．9220．1180．7300．9260．883吳江0．9350．0280．8130．9390．898武南0．9110．6560．0490．9150．901宜興0．8890．7470．2070．9270．913

對比表7與表1—4的結(jié)果，可見，利用fVIFji快速計算換流母線電壓時，除了鳳城故障后同里換流站電壓較仿真結(jié)果低0.039 p.u.外，其余計算結(jié)果均比仿真結(jié)果高，且絕大多數(shù)偏差值在0.1 p.u.以下。當(dāng)蘇州特母線發(fā)生故障后利用fVIFji計算得各換流母線電壓總體偏差最大，其中計算得同里換流站電壓偏差達(dá)到0.227 p.u.。此外，同里換流站的計算結(jié)果中有3個偏差量達(dá)到0.2 p.u.，其計算精度在四回直流中最低。

用此方法計算故障后換流母線處的電壓整體結(jié)果偏高的原因在于利用節(jié)點阻抗矩陣快速計算fVIFji的過程中對系統(tǒng)進行了理想化的簡化處理，認(rèn)為各節(jié)點的注入電流會保持不變，而實際故障后電流會有所增大。根據(jù)以上計算結(jié)果與文中采用的換相失敗最小電壓降落判據(jù)，在上述交流母線處發(fā)生三相短路故障后將會導(dǎo)致鄰近的直流逆變站換相失敗。對于上一節(jié)分析所得fMIIFji較大的相應(yīng)直流逆變站多數(shù)也將發(fā)生連鎖換相失敗。對于部分與遠(yuǎn)方直流相互作用比相鄰直流換流母線強的交流節(jié)點，由于fVIFji計算結(jié)果偏高，按此方法分析并不會引起更多的連鎖換相失敗，但仿真分析結(jié)果顯示會導(dǎo)致更多直流的連鎖換相失敗。因此建議在使用fVIFji判斷是否會發(fā)生連鎖換相失敗時設(shè)置較高閾值。

綜合以上分析，對于2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)，當(dāng)在直流逆變站附近交流母線側(cè)發(fā)生三相短路故障后，由于與相鄰直流逆變站電氣距離近，相互作用大，將導(dǎo)致該回直流以及fMIIFji值較大的對應(yīng)直流換流母線電壓大幅跌落，從而引發(fā)連鎖換相失敗。又因直流逆變站附近交流母線相比本直流與遠(yuǎn)方直流電氣距離更近，電壓相互作用更強，因此會導(dǎo)致比換流母線處三相短路故障更多直流的連鎖換相失敗。

此外，對于2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)，無論是在直流換流母線還是其余交流母線處發(fā)生三相短路故障，直流連鎖換相失敗持續(xù)的時間都很短暫，在故障清除后均可以迅速恢復(fù)正常換相。這是由于江蘇電網(wǎng)的無功電源非常充足，無功電壓支撐能力強，即使在系統(tǒng)三相短路后直流換流母線電壓下降而導(dǎo)致直流并聯(lián)無功電容器無功輸出減小的情況下仍然有足夠的無功支撐能力，可以使系統(tǒng)電壓快速恢復(fù)正常水平，在不采取任何穩(wěn)定措施的情況下不會引起直流閉鎖，不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

文中基于2018年多直流饋入江蘇規(guī)劃電網(wǎng)的豐大運行方式，針對直流逆變站近區(qū)500 kV交流線路故障，對江蘇電網(wǎng)連鎖換相失敗進行了仿真分析，研究結(jié)果表明：

(1) 饋入江蘇電網(wǎng)的四回直流中，同里換流站與政平換流站、泰州換流站的500 kV換流母線與1000 kV換流母線、泰州換流站1000 kV換流母線與南京換流站兩兩之間相互聯(lián)系較為緊密，換流母線電壓交互作用較強，當(dāng)在其中一回直流逆變站換流母線處發(fā)生三相短路故障后會導(dǎo)致本回直流以及相應(yīng)的另一回直流發(fā)生連鎖的換相失敗。

(2) 泰州特—南京特、泰州特—蘇州特是2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)非常重要的交流通道，當(dāng)其發(fā)生三相短路故障時會導(dǎo)致三回直流同時連鎖換相失敗，對電網(wǎng)造較大沖擊，因此在實際運行調(diào)度中應(yīng)給予足夠的重視。

(3) 由于江蘇電網(wǎng)的無功支撐能力很強，在交流故障清除后直流即可恢復(fù)正常換相，換相失敗持續(xù)時間很短，對系統(tǒng)運行造成的影響很小，因此2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)可以保持現(xiàn)有的架構(gòu)。

(4) 直流逆變站相鄰交流母線處發(fā)生三相短路故障后會導(dǎo)致本回直流以及與其聯(lián)系緊密的另一回直流連鎖換相失敗，同時由于直流逆變站相鄰交流母線距離遠(yuǎn)方直流電氣距離更近，交互作用更強，所以會導(dǎo)致比在換流母線處發(fā)生三相短路后更多的直流連鎖換相失敗。

(5) 當(dāng)采用由節(jié)點阻抗矩陣快速計算的fMIIFji值分析多回直流之間的相互聯(lián)系時，若fMIIFji>0.15則可認(rèn)為兩回直流存在較強交互作用，存在連鎖換相失敗風(fēng)險；若fMIIFji<0.15且兩回直流傳輸功率相差較小時可認(rèn)為兩回直流之間沒有相互聯(lián)系，不會發(fā)生連鎖換相失敗。

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