調(diào)相機接入對浙江電網(wǎng)的影響研究

趙一琰，華 文，鄧 暉，黃弘揚，宋春燕

（1．國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2．國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

“十三五”期間，隨著特高壓交直流輸電技術(shù)的發(fā)展與完善，我國電網(wǎng)將逐步形成長距離大容量交直流并列運行、多直流在受端電網(wǎng)集中饋入的基本特征[1]，電網(wǎng)規(guī)模日益擴大，交直流系統(tǒng)電氣聯(lián)系更為緊密，交互影響特性更為復雜多變[2-4]。當特高壓直流受電比例不斷提高，區(qū)外直流功率取代了大量常規(guī)機組，將導致交流電網(wǎng)動態(tài)無功支撐能力減弱，存在一定的安全隱患[5-7]。

在交流系統(tǒng)發(fā)生故障或直流系統(tǒng)恢復過程中，交直流系統(tǒng)間將產(chǎn)生較大的無功交換，若電網(wǎng)無功支撐不足可能導致直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗[8]。近年來，我國電網(wǎng)曾經(jīng)發(fā)生數(shù)起因交流系統(tǒng)故障引發(fā)多回直流同時換相失敗的案例[9-10]，嚴重情況下甚至導致直流閉鎖[11]，對電網(wǎng)造成較大沖擊。此外，直流系統(tǒng)故障也可能引發(fā)交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題[12-13]。因此，為進一步保障交直流混聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，必須采取有效的無功補償手段[14]。

調(diào)相機作為電力系統(tǒng)重要的動態(tài)無功補償設備，能快速向電網(wǎng)提供無極連續(xù)調(diào)節(jié)的容性或感性無功，可用于改善功率因數(shù)、降低網(wǎng)絡損耗、調(diào)節(jié)地區(qū)電壓、提高電壓穩(wěn)定水平[15]。相比于電容器等常規(guī)靜態(tài)無功補償裝置，動態(tài)無功補償設備不受電壓約束，響應速率快，可進一步提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性[16]。因此，在交直流系統(tǒng)故障中可以快速提供無功支撐，加快電壓恢復速率并降低換相失敗風險。

根據(jù)“十三五”規(guī)劃，華東電網(wǎng)將在特高壓直流換流站引入調(diào)相機，提高交直流電網(wǎng)風險抵御能力。對此，以賓金、靈紹兩大特高壓直流接入后的浙江交直流混聯(lián)電網(wǎng)為例，根據(jù)浙江電網(wǎng)的基本運行特征，分析調(diào)相機接入后對電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平的影響，研究成果將為今后調(diào)相機的實際運行提供參考。

1 浙江電網(wǎng)運行特性及仿真方法

1.1 浙江交直流混聯(lián)電網(wǎng)運行概況

隨著浙江省國民經(jīng)濟和電力工業(yè)的快速增長，特高壓交直流電網(wǎng)發(fā)展迅速。2016年夏季，浙江省內(nèi)第二個特高壓直流輸變電工程—±800 kV靈紹特高壓直流輸變電工程投運。至此，浙江電網(wǎng)已形成“兩交兩直”特高壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。隨著區(qū)外直流饋入功率的提高，浙江電網(wǎng)特高壓直流受電比重進一步提高：2015年僅賓金單回直流接入時，特高壓直流受電比例達到全省統(tǒng)調(diào)最高負荷的12.8%；預計2017年靈紹直流滿功率送電后該比例將進一步提升至23.1%。

對于浙江交直流混聯(lián)電網(wǎng)而言，交直流系統(tǒng)間電氣聯(lián)系緊密，某些交流線路故障可能引發(fā)單回直流連續(xù)換相失敗，嚴重情況下會導致兩回特高壓直流同時換相失敗，存在風險隱患[17]。國家電網(wǎng)就換相失敗保護動作作出規(guī)定：“若賓金直流連續(xù)發(fā)生3次換相失敗將執(zhí)行雙極閉鎖指令”。此外，特高壓直流輸電系統(tǒng)中設備元件多、系統(tǒng)復雜、線路距離長，容易由于環(huán)境或設備原因?qū)е鹿收?，僅2015年內(nèi)賓金直流已發(fā)生2起閉鎖事故。一旦發(fā)生直流雙極閉鎖事故，將造成浙江電網(wǎng)潮流大范圍轉(zhuǎn)移，可能出現(xiàn)局部地區(qū)低電壓等穩(wěn)定問題[18]。

1.2 交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)問題的物理機理

當換流站交流母線電壓快速跌落時，直流系統(tǒng)將發(fā)生換相失敗，從而導致直流功率的大幅下降，繼而影響交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[19]。

工程上習慣采用換相失敗臨界電壓Ucritical近似描述換相失敗發(fā)生的條件。由于換相失敗是由換流站交流母線電壓的瞬間跌落造成的，非瞬間跌落式電壓下降不會引起換相失敗。

根據(jù)直流輸電系統(tǒng)準穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，可以近似推導得到Ucritical的解析式[20]：

加裝調(diào)相機后，可在交直流系統(tǒng)故障過程中快速提供動態(tài)無功支撐，提高母線運行電壓并加快電壓恢復速率，在一定程度上避免故障后電壓低于Ucritical，從而降低換相失敗發(fā)生幾率。

1.3 調(diào)相機參數(shù)及運行方式

根據(jù)“十三五”規(guī)劃，華東電網(wǎng)將于2017年在各特高壓直流落點換流站加裝2臺300 Mvar調(diào)相機，每臺調(diào)相機通過22/525 kV專用升壓變壓器（以下簡稱升壓變）接入對應換流站的交流母線。調(diào)相機及其升壓變參數(shù)均采用上海電機廠提供的典型參數(shù)，如表1所示。

表1 調(diào)相機及其升壓變主要參數(shù)

為進一步提高交直流電網(wǎng)風險抵御能力，安排調(diào)相機在電網(wǎng)正常運行時不參與換流站無功調(diào)節(jié)，僅在交直流故障過程中提供動態(tài)無功支撐。

1.4 浙江電網(wǎng)模型及相關(guān)參數(shù)

以下研究基于浙江電網(wǎng)2017年夏季平均高峰運行方式，考慮全省負荷水平約65 000 MW，賓金、靈紹直流落地功率7 500 MW。采用換流站近區(qū)小開機方式，即關(guān)停換流站近區(qū)內(nèi)抽蓄機組、天然氣機組和水電機組，負荷中心區(qū)域動態(tài)無功儲備大幅下降，系統(tǒng)運行條件較為嚴苛。

利用BPA仿真軟件，負荷采用電動機模型，包含60%的電動機模型以及40%的恒阻抗模型。發(fā)電機采用六繞組模型，勵磁及PSS系統(tǒng)均采用實測參數(shù)。直流采用新型DA模型，采用整流側(cè)定功率控制、逆變側(cè)定關(guān)斷角控制，與實際運行工況保持一致。

2 調(diào)相機接入對交流系統(tǒng)故障的影響

考慮500 kV線路主保護動作時間為近端90 ms切除，遠端100 ms切除。對浙江省內(nèi)500 kV線路進行N-2故障掃描可知：若喬司—涌潮線路發(fā)生三相永久性短路故障，容易導致靈紹直流連續(xù)換相失敗。調(diào)相機接入前后，靈紹直流在該故障下的暫態(tài)仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 喬司—涌潮N-2三相永久性故障靈紹直流仿真結(jié)果

由圖1仿真結(jié)果可知：未加裝調(diào)相機時線路故障將造成靈紹直流連續(xù)8次換相失敗，換相失敗持續(xù)時間達到1.45 s，存在換相失敗保護動作風險。在紹興站接入調(diào)相機后，靈紹直流僅在短路接地過程中發(fā)生換相失敗，故障切除后能夠快速從換相失敗中恢復。

因此，調(diào)相機接入可增強特高壓直流連續(xù)換相失敗抵御能力，在一定程度上避免因直流連續(xù)換相失敗引起的直流閉鎖事故。

3 調(diào)相機接入對直流系統(tǒng)故障的影響

3.1 調(diào)相機對直流系統(tǒng)重啟動的影響

當直流線路發(fā)生瞬時性故障時，引起直流控制的再啟動動作。若全壓重啟動失敗，則直流系統(tǒng)會進入降壓重啟動，并設置直流運行電壓為降壓后的電壓。由于保護降壓重啟動過程時間短，換流變壓器分接頭和濾波器均不能及時響應，使得換流器需要吸收更多無功功率，近區(qū)母線電壓迅速降低。

根據(jù)賓金直流金華站控制保護定值單，賓金直流全壓重啟動的次數(shù)為2次，當賓金直流處于單極運行且通信正常時，賓金直流采用1次全壓重啟動，去游離時間為150 ms；若第1次全壓重啟動不成功，再進行一次降壓啟動，去游離時間為200 ms。

若賓金直流單極運行時正極線路發(fā)生瞬時性故障，第1次全壓重啟不成功，第2次降壓重啟動成功，直流運行電壓為560 kV，仿真結(jié)果如圖2所示。

由仿真結(jié)果可得：保護降壓運行后金華站需要從交流系統(tǒng)吸收大量的無功功率，若不加裝調(diào)相機，金華站需向交流系統(tǒng)吸收無功功率約1 290 Mvar；加裝調(diào)相機后，單臺調(diào)相機的無功功率提升至200 Mvar，金華站從交流系統(tǒng)吸收的無功功率降低至930 Mvar；加裝調(diào)相機可使得故障后的金華站母線電壓提升約5 kV。

保護降壓運行期間金華換流站近區(qū)蘭溪發(fā)電廠無功響應特性如圖3所示。若無調(diào)相機，蘭溪發(fā)電廠機組在故障后穩(wěn)態(tài)無功功率達到了350 Mvar，超過了機組的額定無功功率319 Mvar，容易引起機組的過無功、過勵限制等動作；加裝調(diào)相機后，機組穩(wěn)態(tài)無功功率降至297 Mvar，低于機組的額定無功。

因此，加裝調(diào)相機可以減輕直流重啟動對近區(qū)母線電壓的影響，同時降低近區(qū)發(fā)電廠機組的無功輸出，避免機組各種限制動作。

3.2 調(diào)相機接入對換流站大組濾波器母線故障的影響

圖2 賓金直流保護降壓運行金華站仿真結(jié)果

圖3 賓金直流保護降壓運行蘭溪電廠仿真結(jié)果

由于特高壓換流站大組母線包含4—5小組濾波器，以金華站為例，金華站內(nèi)濾波器共分為4個大組，其中第1—3大組濾波器母線下掛4小組濾波器，第4大組濾波器母線下掛5小組濾波器，每小組濾波器對應的無功容量為287 Mvar，大組濾波器母線故障后將導致?lián)Q流站出現(xiàn)較大的無功缺額。

當金華換流站第4大組濾波器母線三永故障后，金華站失去5小組共計1 435 Mvar容量的濾波器，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 賓金直流大組濾波器故障金華站仿真結(jié)果

根據(jù)圖4可知：若未加裝調(diào)相機，金華站需從交流系統(tǒng)吸收無功功率約1 887 Mvar；加裝調(diào)相機后，單臺調(diào)相機可在故障后迅速提供約235 Mvar無功支撐，則金華站從交流系統(tǒng)吸收的無功功率降低至1 725 Mvar。對比母線電壓可知，加裝調(diào)相機可使故障后的金華站母線電壓提升約8.25 kV。

因此，調(diào)相機的接入可在直流站大組濾波器故障后提供動態(tài)無功支撐，提高事故后運行電壓。

4 結(jié)論

基于浙江交直流混聯(lián)電網(wǎng)基本運行特征，通過交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)故障仿真分析，研究了調(diào)相機接入對浙江電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響，得到調(diào)相機對交直流混聯(lián)電網(wǎng)的主要影響如下：

（1）調(diào)相機的接入有效提高了交流系統(tǒng)對換流站的動態(tài)無功支撐能力，增強了特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

（2）調(diào)相機的接入能夠有效降低交流系統(tǒng)故障導致的直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗，增強特高壓直流的連續(xù)換相失敗抵御能力，降低交流系統(tǒng)故障連鎖導致直流換相失敗保護動作閉鎖直流的風險。

（3）調(diào)相機的接入可有效補償由于直流系統(tǒng)自身故障導致的換流站無功缺額，提高故障后交流系統(tǒng)電壓水平，同時在一定程度上降低因發(fā)電機過無功帶來的運行風險。

研究成果可用于調(diào)相機運行管理，并為調(diào)相機接入后的交直流電網(wǎng)穩(wěn)定分析提供技術(shù)支撐。

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