向家壩-南匯特高壓直流接入對(duì)華東交流受端系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析

向家壩-南匯特高壓直流接入對(duì)華東交流受端系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析

為了實(shí)施“電東送”國(guó)家戰(zhàn)略，促進(jìn)大區(qū)域和流域資源的優(yōu)化配置，國(guó)家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公司計(jì)劃對(duì)大型水庫(kù)-南港能源進(jìn)行直接能源通信，并將西南水電站豐富的能源資源直接轉(zhuǎn)移到中國(guó)東部的負(fù)荷中心。向家壩—南匯特高壓直流輸電工程已開工建設(shè),計(jì)劃于“十二五”初期投運(yùn),這將是國(guó)際上首條特高壓直流輸電線路。向家壩—南匯特高壓直流額定輸送容量為6400MW,相當(dāng)于三峽電站裝機(jī)總量的1/3,在為華東地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展輸送優(yōu)質(zhì)電力的同時(shí),直流系統(tǒng)故障后的大功率缺額將對(duì)華東交流受端系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響,而交直流系統(tǒng)的交互作用更增加了問題的復(fù)雜性。為確保華東電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行,迫切需要研究特高壓直流接入后華東電網(wǎng)穩(wěn)定性的薄弱環(huán)節(jié),提出相應(yīng)的解決措施。本文以2012年為水平年,采用PSS/E作為仿真工具,詳細(xì)研究了首條特高壓直流接入對(duì)華東交流受端系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能產(chǎn)生的各種影響。1直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行±800kV向家壩—南匯特高壓直流輸電工程結(jié)構(gòu)如圖1所示,換流站采用雙極結(jié)構(gòu),每極由2個(gè)額定電壓為400kV的雙12脈動(dòng)換流器串聯(lián)而成,每個(gè)12脈動(dòng)換流器兩端連接直流旁路斷路器,通過直流旁路斷路器操作可以投入或者退出該12脈動(dòng)換流器,運(yùn)行方式非常靈活,可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行組合。正送和反送功率時(shí),直流輸電運(yùn)行方式可以為完整雙極、3/4雙極、1/2雙極和完整單極、1/2單極及OLT試驗(yàn)方式等。向家壩—南匯特高壓直流輸電線路長(zhǎng)度超過2000km,南匯側(cè)換流站的主回路參數(shù)為:額定電流4kA,額定直流電壓±800kV(極對(duì)中性母線),額定空載直流電壓211.96kV,換流變壓器短路阻抗16%,額定逆變器熄弧角17°,換流變壓器容量(單相雙繞組換流變壓器)296MVA,換流變壓器網(wǎng)側(cè)額定線電壓515kV,換流變壓器閥側(cè)額定線電壓156.95kV,換流變壓器分接頭開關(guān)級(jí)數(shù)+36/-4。2不同的動(dòng)態(tài)模型2.1高壓直接輸電模式采用PSS/E中的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型,包括穩(wěn)態(tài)方程和直流控制系統(tǒng)2個(gè)部分。(1)直流線路vcdi值的識(shí)別整流站、逆變站:Vdc=N(32√π)Eaccosθ?3XcIdcπ?2RcIdc(1)Vdc=Ν(32π)Eaccosθ-3XcΙdcπ-2RcΙdc(1)μ=arccos(cosθ?2√IdcXcEac)?θ(2)μ=arccos(cosθ-2ΙdcXcEac)-θ(2)tanΦ=2μR+sin(2θ)?(sin2(μR+θ))cos(2θ)?(cos2(μR+θ))(3)tanΦ=2μR+sin(2θ)-(sin2(μR+θ))cos(2θ)-(cos2(μR+θ))(3)Iac=6√N(yùn)πIdc(4)Ιac=6ΝπΙdc(4)直流線路:Vdci=Vdcr-RdcIdc(5)式中Vdc——直流電壓,整流站、逆變站分別加下標(biāo)r,i識(shí)別;Eac——換流變壓器直流側(cè)空載電壓,整流站、逆變站分別加下標(biāo)r,i識(shí)別;N——換流站每級(jí)的換流橋個(gè)數(shù),整流站、逆變站分別加下標(biāo)r,i識(shí)別;Xc——換流變壓器電抗,整流站、逆變站分別加下標(biāo)r,i識(shí)別;Rc——換流變壓器電阻,整流站、逆變站分別加下標(biāo)r,i識(shí)別;Idc——直流電流;Iac——交流電流,整流站、逆變站分別加下標(biāo)r,i識(shí)別;Φ——交流側(cè)相角,整流站、逆變站分別加下標(biāo)r,i識(shí)別;θ——整流站滯后觸發(fā)角α或逆變站熄弧角γ;μ——換相角,整流站、逆變站分別加下標(biāo)r,i識(shí)別。(2)vcdol模型采用PSS/E中的CDC6直流模型。參考目前實(shí)際運(yùn)行直流的一般控制方式,直流總體采用定功率控制方式,其中整流站定電流控制、逆變站定電壓控制,如圖2所示。在直流控制系統(tǒng)中,設(shè)有模式轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)(MDC)和低壓限流環(huán)節(jié)(VDCOL)。MDC的作用是當(dāng)逆變側(cè)直流電壓低于一定閥值時(shí),直流控制方式從定功率控制轉(zhuǎn)換為定電流控制,從而使直流在低電壓時(shí)仍能夠維持運(yùn)行。VDCOL的作用是隨著逆變側(cè)直流電壓的減小而降低直流電流,從而盡量避免直流換相失敗故障。PSS/E的CDC6直流模型可模擬3種直流故障或恢復(fù)特性。其中,旁通(bypassing)用來模擬直流換相失敗故障,其判斷依據(jù)可選取交流電壓的幅值;閉鎖(blocking)用來模擬直流雙極或單極閉鎖故障,其判斷依據(jù)同樣可選取交流電壓的幅值;重啟動(dòng)(restart)用來模擬換相失敗或閉鎖后的直流重啟動(dòng)過程,其啟動(dòng)過程不僅考慮VDCOL特性,而且電壓或電流還考慮一定的上升速度限制。研究中交流系統(tǒng)引起直流閉鎖的條件參考華新站直流控制保護(hù)策略(目前華東運(yùn)行直流控制保護(hù)策略與此類似),即交流系統(tǒng)故障引發(fā)直流雙極換相失敗,若1.8s內(nèi)持續(xù)檢測(cè)到換相失敗,則切換直流控制系統(tǒng),若此后0.8s內(nèi)還持續(xù)檢測(cè)到換相失敗,則閉鎖直流。2.2發(fā)電機(jī)過勵(lì)限制模型發(fā)電機(jī)考慮詳細(xì)的6階或5階動(dòng)態(tài)模型,并計(jì)及相應(yīng)的勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)。為反映直流故障過程中可能出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)組過勵(lì)現(xiàn)象,還考慮了過勵(lì)限制模型,其采用PSS/E中的MAXEX1模型,示意圖見圖3,參數(shù)參考目前實(shí)際運(yùn)行發(fā)電機(jī)組過勵(lì)限制的一般參數(shù)。2.3動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型負(fù)荷模型采用40%的靜態(tài)負(fù)荷模型和60%的動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型,其中動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型用PSS/E中的CIM6XX模型表示,示意圖見圖4。參數(shù)參考美國(guó)電科院和中國(guó)電科院推薦的大型工業(yè)電動(dòng)機(jī)參數(shù)。3直流系統(tǒng)的交互作用對(duì)中國(guó)東部電網(wǎng)的穩(wěn)定有影響3.1交流系統(tǒng)故障的影響特高壓直流投運(yùn)相鄰年度,華東受端系統(tǒng)除特高壓直流外還有5回±500kV直流,呈現(xiàn)多回直流集中饋入的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。假設(shè)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障,因系統(tǒng)低電壓將導(dǎo)致多回直流同時(shí)換相失敗,對(duì)交流系統(tǒng)造成較大的瞬時(shí)有功沖擊,如果受端交流系統(tǒng)足夠堅(jiān)強(qiáng),那么將有較大能力度承受因換相失敗而造成的直流輸電有功功率的瞬時(shí)減少。若交流系統(tǒng)故障及時(shí)切除,并且系統(tǒng)電壓能夠逐漸恢復(fù),則直流輸電的有功功率隨著交流換相電壓的恢復(fù)而恢復(fù),但隨著直流有功功率的恢復(fù)將導(dǎo)致逆變站無功需求的增加,由于此時(shí)交流換相電壓未能完全恢復(fù)至正常運(yùn)行值,逆變站補(bǔ)償電容器所產(chǎn)生的無功功率一時(shí)不能滿足逆變站的無功需求,這部分無功缺額將由受端交流系統(tǒng)提供,因此將造成對(duì)受端交流系統(tǒng)瞬時(shí)無功功率的沖擊,而這種瞬時(shí)無功沖擊有可能引發(fā)受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題。若交流系統(tǒng)故障未及時(shí)切除,或故障切除后因電動(dòng)機(jī)負(fù)荷恢復(fù)特性而使系統(tǒng)電壓仍維持在較低的水平,則經(jīng)過一段時(shí)間后因換相失敗的持續(xù)存在而發(fā)生直流閉鎖,這將導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的有功缺額帶來的潮流大范圍轉(zhuǎn)移,有可能誘發(fā)系統(tǒng)的崩潰。關(guān)于交直流系統(tǒng)交互影響的機(jī)理以及可能產(chǎn)生的問題,可見圖5所示。3.2交流系統(tǒng)故障:主要原因分析對(duì)2012年華東電網(wǎng)交流輸電線路進(jìn)行故障掃描,包括全網(wǎng)1000kV線路N-1和N-2故障、500kV線路N-1故障、同塔雙回500kV線路N-2故障,特高壓直流接入附近220kV線路N-1故障,故障時(shí)序?yàn)?0s線路一側(cè)發(fā)生三相金屬短路,0.1s切除線路。通過對(duì)交流系統(tǒng)的故障掃描發(fā)現(xiàn):(1)交流系統(tǒng)的N-1、N-2故障不會(huì)引起任何直流閉鎖,故障后各條直流均能恢復(fù)正常運(yùn)行,不會(huì)引起交流系統(tǒng)功角或電壓失穩(wěn)現(xiàn)象;(2)由于上海西南部電網(wǎng)缺少動(dòng)態(tài)無功支撐,黃渡、泗涇等地區(qū)500kV線路故障將引起華新、練塘、政平直流的連續(xù)換相失敗,但最終均能恢復(fù)正常運(yùn)行,不會(huì)發(fā)生直流閉鎖;(3)上海所有500kV線路,蘇南電網(wǎng)蘇州東、太倉(cāng)、瀏河、常熟南500kV變電站出線,浙江電網(wǎng)王店、汾湖、含山500kV變電站出線,安徽蕪湖東、皖南特高壓變電站的1000kV出線N-1或N-2故障將引起特高壓直流換相失敗;(4)福建、浙南、皖北、蘇北所有500kV線路故障不會(huì)引起任何一條直流換相失敗;(5)由于500kV和220kV之間的電氣距離較大,因此220kV交流系統(tǒng)N-1故障不會(huì)引起特高壓直流換相失敗。3.3交流系統(tǒng)故障后直流接入點(diǎn)電壓恢復(fù)特性分析2012年,華東電網(wǎng)交流系統(tǒng)發(fā)生N-1和N-2故障時(shí),多回直流輸電系統(tǒng)將可能同時(shí)發(fā)生換相失敗,但因?yàn)榻涣飨到y(tǒng)故障及時(shí)切除后,交流電壓均可快速恢復(fù),因此不會(huì)導(dǎo)致直流閉鎖,在這個(gè)過程中交流系統(tǒng)也未發(fā)生暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定問題。在何種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方式下,才會(huì)存在交流系統(tǒng)故障誘發(fā)直流閉鎖的可能性,本文基于短路容量等值的概念建立了小系統(tǒng)對(duì)此問題進(jìn)行研究。建立的小系統(tǒng)如圖7所示,其中,HVDC表示直流輸電系統(tǒng),T1、T2、T3、L2、M2分別表示直流接入點(diǎn)附件分區(qū)電網(wǎng)1的變壓器和負(fù)荷,T4、T5、T6、L3、M3、G3分別表示直流接入點(diǎn)附件分區(qū)電網(wǎng)2的變壓器、負(fù)荷和電源,G1、L1、M1分別表示除直流接入點(diǎn)附件分區(qū)電網(wǎng)1和分區(qū)電網(wǎng)2的其他交流電網(wǎng)的等值電源和負(fù)荷,根據(jù)直流接入點(diǎn)500kV母線短路容量和等值電源可計(jì)算出等值聯(lián)系阻抗X。研究表明,在直流接入點(diǎn)短路容量一定的情況下,若交流受端系統(tǒng)容量越小,則等值電源阻抗越大、等值聯(lián)系阻抗越小,交流系統(tǒng)故障后直流接入點(diǎn)電壓恢復(fù)特性變差,直流閉鎖的可能性增加,這可見圖8(a)所示(系統(tǒng)1容量最小、系統(tǒng)3容量最大、系統(tǒng)2容量居中);在交流受端系統(tǒng)容量一定的情況下,若直流接入點(diǎn)短路容量越大,則等值聯(lián)系阻抗越小,交流系統(tǒng)故障后直流接入點(diǎn)電壓恢復(fù)特性變差,直流閉鎖的可能性增加,這可見圖8(b)所示。通過以上分析可見,在受端系統(tǒng)中,交流系統(tǒng)故障后直流閉鎖與交流系統(tǒng)容量、直流接入點(diǎn)與系統(tǒng)聯(lián)系的等值阻抗、直流接入點(diǎn)短路容量等因素相關(guān)。經(jīng)典分析表明,直流接入點(diǎn)短路容量越大,直流換相失敗的概率將降低,但并非直流接入點(diǎn)短路容量越大直流運(yùn)行就越可靠,相反,在受端交流系統(tǒng)容量一定的情況下,直流接入點(diǎn)短路容量越大,則交流系統(tǒng)故障后引發(fā)直流閉鎖的可能性將增加,在直流規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行時(shí),對(duì)此需予以充分關(guān)注。4高壓直流故障對(duì)中國(guó)東部電網(wǎng)的穩(wěn)定性的影響(1)無功補(bǔ)償切除后交流系統(tǒng)電壓調(diào)整通過對(duì)2012年華東電網(wǎng)的分析表明,在特高壓直流雙極閉鎖故障下,華東電網(wǎng)功角和電壓均能夠保持穩(wěn)定。特高壓直流閉鎖故障后,無功補(bǔ)償未切除前,逆變側(cè)過剩的無功將導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓升高,會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的沖擊。隨著無功補(bǔ)償?shù)目焖偾谐?交直流系統(tǒng)間重新恢復(fù)無功平衡,交流電壓逐漸恢復(fù)正常。由于2012年華東電網(wǎng)總裝機(jī)容量較大,有較為充裕的備用容量,特高壓直流閉鎖后的功率缺額均能由發(fā)電機(jī)組及時(shí)補(bǔ)償,系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)功角失穩(wěn)和電壓失穩(wěn)。(2)主要聯(lián)系通道類型基于調(diào)速器潮流計(jì)算方法,分析特高壓直流雙極閉鎖故障后華東交流電網(wǎng)的潮流轉(zhuǎn)移情況,研究結(jié)果表明,2012年夏季高峰時(shí),若發(fā)生特高壓直流雙極閉鎖故障,受端系統(tǒng)失卻的6400MW功率分別由全網(wǎng)機(jī)組平均承擔(dān),上海、江蘇、浙江組平均承擔(dān),上海、浙江、福建機(jī)組平均承擔(dān),上海、浙江、安徽機(jī)組平均承擔(dān)四種情況下,上海電網(wǎng)交流受進(jìn)通道、江蘇過江通道、安徽送出通道、浙江過江通道和福建與華東主網(wǎng)的聯(lián)系通道潮流均在合理范圍內(nèi),但蘇南惠泉—梅里—木瀆500kV南輸電通道潮流重載。也就是說,特高壓直流接入后,特高壓直流所在上海電網(wǎng)的交流受進(jìn)通道的可傳輸能力能夠滿足要求,但上海電網(wǎng)交流受進(jìn)通道的上級(jí)電網(wǎng)蘇南南輸電通道可傳輸能力相對(duì)不足,不能滿足特高壓雙極閉鎖故障后的輸電的需要。5交流系統(tǒng)故障穩(wěn)定性因素本文在建立特高壓直流輸電準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上,研究了向家壩—南匯±800kV特高壓直流接入對(duì)華東交流受端系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能產(chǎn)生的各種影響,包括特高壓直流故障對(duì)華東交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,基于調(diào)速器潮流的特高壓直流故障后交流系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移特性,交直流交互作用機(jī)理分析以及對(duì)華東電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響,并基于短路容量動(dòng)態(tài)等值法提出了交流系統(tǒng)故障誘發(fā)直流系統(tǒng)閉鎖的關(guān)鍵性因素。研究結(jié)果表明,特