電網(wǎng)交流故障對(duì)直流系統(tǒng)影響的仿真研究

鄭 凱 ，李偉婕 ，于大洋

（1.濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.青島供電公司，山東 青島 250002；3.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

近年來(lái)，直流輸電以其輸電容量大、損耗小、有效限制短路電流、功率可控、可改善系統(tǒng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)在電力系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。銀東直流作為“外電入魯”的重要組成部分，成為山東電網(wǎng)的首個(gè)直流工程，山東電網(wǎng)作為受端電網(wǎng)，運(yùn)行狀態(tài)會(huì)對(duì)銀東直流的安全運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。

直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性長(zhǎng)期以來(lái)一直是直流工程關(guān)注的重點(diǎn)［1-2］，受端電網(wǎng)對(duì)直流系統(tǒng)的影響是其中的重要一環(huán)。而在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，作為受端電網(wǎng)的交流系統(tǒng)，故障是不可避免的，不同故障下逆變換流站的響應(yīng)特性存在差異，而在同樣類型的故障下，又會(huì)因?yàn)榻涣飨到y(tǒng)強(qiáng)弱的不同，所聯(lián)結(jié)的直流系統(tǒng)的特性也存在很大差異。目前國(guó)內(nèi)研究交流系統(tǒng)故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響方面較少涉及交流大電網(wǎng)，即使涉及也局限在三相短路對(duì)稱故障［3］，其方法是通過(guò)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行仿真，而無(wú)法仿真不對(duì)稱故障。

通過(guò)準(zhǔn)確度較高的等值方法在電磁暫態(tài)軟件中建立了山東交流電網(wǎng)模型，并基于仿真模型，對(duì)在受端電網(wǎng)的各種故障情況下，直流系統(tǒng)相應(yīng)的響應(yīng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析。

1 交直流系統(tǒng)建模

進(jìn)行仿真分析要基于準(zhǔn)確的仿真模型，通過(guò)準(zhǔn)確度較高的等值方法在電磁暫態(tài)軟件中建立了山東交流電網(wǎng)模型，包含所有的500 kV母線和青島地區(qū)所有220 kV母線，可以很好地研究交流大電網(wǎng)不對(duì)稱故障下直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。另外目前國(guó)內(nèi)對(duì)直流系統(tǒng)建模在控制系統(tǒng)方面主要基于CIGRE系統(tǒng)，缺少無(wú)功控制環(huán)節(jié)等更加細(xì)致的控制模型，結(jié)合銀東直流工程實(shí)際，建立與工程實(shí)際較為一致的無(wú)功控制模型，可以更準(zhǔn)確的仿真受端電網(wǎng)對(duì)直流系統(tǒng)的影響。整個(gè)交直流系統(tǒng)的總體建模框架如圖1所示，交直流仿真模型如圖2所示。

圖1 山東電網(wǎng)的總體建模框架

圖2 交直流仿真模型

2 受端電網(wǎng)對(duì)稱故障的仿真分析

故障仿真針對(duì)山東電網(wǎng)500 kV聯(lián)絡(luò)線，考慮到500 kV交流線實(shí)際中采用故障重合閘技術(shù)，但是由于電壓等級(jí)較高，從發(fā)生故障到斷開斷路器和完全熄弧斷開的時(shí)間約為1 s以上，相對(duì)于直流毫秒級(jí)的響應(yīng)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此在研究500 kV交流線故障直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的時(shí)候暫不考慮重合閘。

對(duì)與銀東直流系統(tǒng)電氣距離較近的交流聯(lián)絡(luò)線故障仿真，以膠東—嶗山聯(lián)絡(luò)線為例，在交流聯(lián)絡(luò)線的膠東側(cè)設(shè)置三相短路故障，0.5 s接入故障，持續(xù)0.05 s消除，仿真1 s，仿真圖形如圖3所示。

由圖3得，離銀東直流系統(tǒng)電氣距離較近的交流聯(lián)絡(luò)線發(fā)生三相短路故障，會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)造成很大的影響，故障發(fā)生時(shí)，直流線路電壓驟降，電流升高，熄弧角降低，傳送的有功功率減小，發(fā)生換相失敗。此時(shí)整流側(cè)觸發(fā)角升高到90°以上，從而整流側(cè)和逆變側(cè)都以逆變方式運(yùn)行，進(jìn)行緊急移相，這有助于電壓電流能量的消散。

圖3 膠東一嶸山聯(lián)絡(luò)線三相短路故障下銀東直流的波形

進(jìn)而對(duì)與銀東直流系統(tǒng)電氣距離較遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線故障仿真，以棗莊—沂蒙聯(lián)絡(luò)線為例，仿真設(shè)置與膠東相同，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 棗莊一沂蒙聯(lián)絡(luò)線三相短路故障下銀東直流的波形

由圖4得，離銀東直流系統(tǒng)電氣距離較遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線發(fā)生三相短路故障會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)造成很大的影響，故障發(fā)生時(shí)，直流線路電壓驟降，電流升高，熄弧角降低，傳送的有功功率減小，發(fā)生換相失敗。此時(shí)整流側(cè)觸發(fā)角升高到90°以上，從而整流側(cè)和逆變側(cè)都以逆變方式運(yùn)行，進(jìn)行緊急移相，這有助于電壓電流能量的消散。

最后對(duì)與銀東直流系統(tǒng)電氣距離相對(duì)很遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線故障仿真，以聊城—聞韶聯(lián)絡(luò)線為例，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 聊城一聞韶聯(lián)絡(luò)線三相短路故障下銀東直流的波形

由圖5得，離銀東直流系統(tǒng)電氣距離很遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線發(fā)生三相短路故障，不會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)造成很大的影響，故障發(fā)生時(shí)，直流線路電壓、電流、熄弧角變化很小，未發(fā)生換相失敗。

3 不對(duì)稱故障仿真

與對(duì)稱故障仿真選擇相同的聯(lián)絡(luò)線，首先選擇膠東—嶗山聯(lián)絡(luò)線，發(fā)生單相接地故障。 仿真結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果顯示，電氣距離較近的聯(lián)絡(luò)線發(fā)生單相接地故障與對(duì)稱故障相似，會(huì)發(fā)生換相失敗現(xiàn)象。

進(jìn)而對(duì)與銀東直流系統(tǒng)電氣距離較遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線故障仿真，同樣以棗莊—沂蒙聯(lián)絡(luò)線為例，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 膠東一嶸山聯(lián)絡(luò)線單相短路故障下銀東直流的波形

圖7 棗莊一沂蒙聯(lián)絡(luò)線單相短路故障下銀東直流的波形

由圖7可以看出，發(fā)生單相接地故障未產(chǎn)生很大影響，電壓電流和熄弧角變化很小，未發(fā)生換相失敗。 對(duì)有功功率的傳輸影響很小，有功功率幾乎未發(fā)生變化。

最后對(duì)與銀東直流系統(tǒng)電氣距離相對(duì)很遠(yuǎn)的交流聯(lián)絡(luò)線故障仿真，同樣以聊城—聞韶聯(lián)絡(luò)線為例，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 聊城一聞韶聯(lián)絡(luò)線單相接地故障下銀東直流的波形

仿真顯示，當(dāng)電氣距離極遠(yuǎn)時(shí)，發(fā)生單相短路故障，同樣不會(huì)發(fā)生換向失敗。

4 故障范圍

根據(jù)仿真，可以知道除鄆城、聊城廠和德州站一線以西，山東電網(wǎng)絕大部分500 kV線路三相短路都會(huì)引起銀東直流換相失敗；而與逆變站聯(lián)系緊密的青島、煙臺(tái)、濰坊和日照等地區(qū)部分500 kV線路三相短路還會(huì)引起直流閉鎖。

而通過(guò)單相接地短路仿真表明，該故障下會(huì)引起銀東直流換相失敗的500 kV網(wǎng)架范圍要小得多，包括日照、濰坊、萊陽(yáng)、光州和青島地區(qū)的膠東、瑯琊、大澤、嶗山8條母線。

5 改進(jìn)措施

仿真分析可以看出，受端交流電網(wǎng)故障時(shí)，換流母線的電壓降低，直流系統(tǒng)的電壓降低。 低電壓下的控制方式主要有模式轉(zhuǎn)換控制和依賴于電壓的電流指令限制單元 VDCOL（Voltage Dependent Current Order Limiter）控制［4-5］。

但是，交流系統(tǒng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變，故障多樣，傳統(tǒng)固定參數(shù)的 VDCOL很難適應(yīng)其變化，因此，可以根據(jù)逆變站交流母線電壓的變化，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整UH的整定值來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著電氣距離的增大，交流聯(lián)絡(luò)線的故障對(duì)直流系統(tǒng)造成的影響減小。對(duì)于同一條聯(lián)絡(luò)線而言，相同條件下，發(fā)生單相接地故障比發(fā)生三相短路故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響要小很多。

自適應(yīng)VDCOL相比于固定參數(shù)VDCOL能夠更好地限制直流電流，減小逆變器消耗的無(wú)功功率，有利于受端交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。