多饋入交互因子在多饋入交直流電網中的應用

汪惟源，楊林，史慧杰，曹敏敏，殷婷

（1.江蘇省電力公司，南京210024；2.華東電力設計院，上海 200063）

多饋入交互因子在多饋入交直流電網中的應用

汪惟源1，楊林1，史慧杰2，曹敏敏2，殷婷2

（1.江蘇省電力公司，南京210024；2.華東電力設計院，上海 200063）

隨著“西電東送、南北互供”戰略的全面實施以及直流輸電技術的快速發展，我國將形成世界上直流輸電線路最多、直流輸送容量最大、結構最復雜的交直流輸電系統［1］。對于大規模多饋入交直流受端系統，由于直流逆變站之間電氣距離近，系統接受的饋入功率大，直流與直流、直流與交流之間的相互作用更強。一個換流站的換相失敗故障，可能會導致其他換流站換相失敗；在交流系統故障下，各直流換流站有可能同時或相繼發生換相失敗，嚴重時可能導致系統崩潰［2］。因此，研究系統中交直流相互影響關系、發現直流站換相失敗的潛在風險及制定相應的預防措施對保證系統的安全穩定運行是十分重要的［3-6］。

實際工程應用中，常利用多饋入短路比［6］作為判斷多饋入交直流系統強弱的指標，但該指標是一個相對宏觀的結構性指標，很難與電網的具體動態行為和表征建立對應的指示關系，不能直觀地給出交直流之間的相互作用關系。多饋入交互因子（multiinfeed interaction factor，MIIF）［7-8］是由CIGRE WG B4工作組提出的工程規劃階段用于衡量多饋入交直流系統中直流換流站間相互作用強弱的量化指標。文獻［9］從交流故障引起換相失敗的主要矛盾——換相電壓降落出發，討論了多饋入交互因子指標的意義及與多饋入直流系統換相失敗的關系，將單饋入直流換相失敗的最小電壓降落法推廣到多饋入直流系統，闡述了換相電壓交互作用的機制，采用MIIF量化電壓降落判據中的耦合系數，對換相失敗初期研究具有指導作用。

本文以江蘇電網典型多饋入交直流系統為例，對多饋入交互因子在實際電網規劃和運行中的分析方法進行了擴展研究，并得出了有意義的結論。

1 多饋入交互因子MIIF

在描述交流系統運行狀態的參數中，最直接反映某一逆變站與交流系統相互作用的運行狀態變量是逆變站換流母線電壓。多饋入交互因子MIIF，反映了任意兩個逆變站換流母線電壓之間的相互作用關系，其定義如下：

即假設系統中存在編號分別為i和j的兩個直流換流站，當換流母線i投入對稱三相電抗器使得該母線上的電壓降恰好為1%時，換流母線j的電壓變化。

對于受端系統中存在的n個直流輸電逆變站的情況，可以應用式（1）方法分別計算MIIFi，j值，最終可以形成一個n×n階矩陣。

多饋入直流系統落點集中于同一個交流網絡，對某一個換流站施加擾動后，另一換流站的動態響應必然包含了交流系統與其他換流站對它的共同作用。對于圖1所示的三饋入直流輸電系統，有［3］：

圖1 三饋入直流輸電系統模型Fig.1 Three-infeed HVDC transmission system

假設換相電壓剛好跌落到換相失敗閥值，對應的電壓跌落幅值為ΔUL1，由疊加定理可得：

由式（4）可見，逆變站的換相失敗既受直接與之相連的交流系統等效電勢源影響，且受與之耦合的逆變站電壓的影響，它們之間的耦合系數由交流系統戴維南等效阻抗XΣ及各逆變站之間的耦合阻抗決定。

同時可以看出，由式（4）所得的換相電壓跌落未計及無功補償以及直流傳輸功率等重要因素在逆變站電壓交互過程中的重要作用，而這些要素在實際系統中是不能忽略的。

MIIF基于實際電網模型，綜合考慮了逆變站間電氣距離、各換流母線的有效短路比、實際直流傳輸功率等因素，采用時域仿真計算而得，作為衡量2個逆變站之間的電壓交互作用的指標，較單獨由交流戴維南等效阻抗和逆變站間耦合阻抗決定的電壓耦合系數更為合理。

本文對MIIF指標進行了擴展應用，除用來分析直流逆變站之間的交互關系外，還用于分析交流樞紐站與直流逆變站的交互關系。通過MIIF可以了解一個交流樞紐站或換流站電壓下降時其他換流站電壓對它的參與度；當某交流樞紐站或換流站電壓遭受大擾動，通過MIIF可以估計其他換流站電壓受擾程度，判斷換流站承受系統故障的能力強弱；結合最小電壓降落法確定的電壓閾值，可以得出多個逆變站同時或相繼經歷換相失敗的可能的組合及風險大小。

2 多饋入交互因子應用研究

2.1 系統概況

本文以江蘇電網2020年規劃網絡為研究對象，進行了仿真計算。采用電力系統暫態計算軟件BPA作為仿真工具，直流模型采用準穩態模型。

江蘇電網是典型的多饋入交直流受端電網，據規劃，2020年江蘇500 kV電網將形成“六縱六橫”網架結構，并建設成1 000 kV連云港—徐州—南京—泰州—蘇州特高壓交流通道；同時，將有11回高壓直流線路饋入到華東電網，其中有4回直流饋入江蘇電網。表1給出了饋入華東電網的各直流輸電系統的交、直流側的電壓等級和輸送容量。

2.2 各逆變站之間交互作用影響

在江蘇電網高峰運行方式下，針對華東電網11條直流進行MIIF計算，分別在每個逆變站施加擾動（投切電容），并記錄華東電網其他10條直流逆變站的電壓變化情況，通過MIIF值可以看出一個換流站電壓下降時，其他換流站對他的參與程度。由表2結果可知：

表1 華東電網各直流系統電壓等級及輸送容量Tab.1 Voltage level and transmission capacity of DC systems in East China Power Grid

1）MIIF值對角元素都是1，MIIF較大值在0.3～1.0，這些值位置多集中在對角線附近，多發生于江蘇、上海、浙江各省市內部的直流互相影響時的情況。比如晉北—南京直流電壓波動為1時，泰州直流MIIF值為0.4左右；同里直流波動1，政平直流MIIF為0.46。而上海由于電氣距離更近，4根直流相互之間的MIFF值更高，如滬西直流電壓波動為1，其余4根直流MIIF值在0.5以上。這也解釋了在蘇北直流逆變站附近N-1故障時，一般只有2條直流發生換相失敗，而上海電網主網架線路N-1，幾乎會導致所有直流換向失敗。

2）特高壓直流由于特高壓線路阻抗小，直流容量大，電壓波動時，不僅會帶動本區大部分直流，也會影響到相鄰區域的直流。如泰州特高壓直流逆變站電壓波動1時，區內南京直流MIIF為0.37，華新和滬西分別為0.3和0.31，其余直流的MIIF明顯高于其他500 kV直流對它的影響。這也解釋了為何在特高壓線路上發生N-1三相故障時，會引起省內及跨省多條直流換相失敗。

3）兩條直流之間的MIIF并不是對稱分布的，這和直流本身容量及直流所在位置的耦合阻抗和無功補償容量有關。如同里直流電壓波動為1時，政平MIFF為0.46，而政平直流電壓波動為1時，同里MIFF為0.24。

由上，通過MIIF表可以較直觀判斷江蘇電網各逆變站發生同時或相繼換相失敗的幾率大小及可能存在的組合，MIIF越大，發生同時換相失敗的風險性越高。

2.3 交流樞紐站與逆變站之間交互作用影響

為看清各交流樞紐站與逆變站之間的交互作用，在江蘇電網特高壓站點、過江通道、蘇南、蘇北電源基地等各個站點施加擾動（投切電容），并記錄華東電網11條直流逆變站的電壓變化情況，通過MIIF值可以看出各交流樞紐站電壓下降時，其他換流站對它的參與程度。結果見表3（部分省略）。

1）特高壓站點電壓波動為1時，大部分區內和區外直流MIIF值大于0.3，在特高壓交流發生N-1故障時，會發生換相失敗。

直

表2 各直流逆變站之間MIIF值Tab.2 MIIF values among DC inverter stations

表3 各交流樞紐站與直流逆變站之間MIIF值Tab.3 MIIF values among AC substations and DC inverter stations

2）江蘇省內的站點來看：蘇南站點基本會導致蘇南政平、同里2條直流換相失敗，蘇北站點基本會導致泰州、南京直流換相失敗，過江通道站點會導致離自己電氣距離較近的直流換相失敗。

3）把各個站點的MIIF值相加，得到一個新的指標，其揭示的規律為：MIIF和值越小，能夠承受全網嚴重故障而不導致直流閉鎖、系統失穩的能力越強；反之，對故障的承受能力越弱，較容易由于全網嚴重故障而導致直流換相失敗甚至閉鎖。江蘇電網4條直流MIFF和值顯示同里直流〉泰州直流500 kV部分〉泰州直流1 000 kV部分〉南京直流〉政平直流。說明在江蘇電網的4條直流中，容量最小的政平直流抗故障能力最強，同里直流故障承受能力較弱，較容易由于全網嚴重故障而導致直流換相失敗甚至閉鎖。如果在換相失敗過程中各直流系統不能得以順利恢復，將造成大面積停電。所以應注意MIIF和值較大的直流可能存在的潛在風險，制定相應的預防措施。

4）在直流選站前期過程中，也可通過計算直流不同落點的MIFF和值，作為比選站址的一個參考指標。

3 結語

本文以典型多饋入特高壓交直流受端系統—江蘇電網為背景，對多饋入交互因子在實際電網規劃和運行中的分析應用方法進行了研究。實例表明：通過MIIF指標可以較直觀得出各直流逆變站之間、直流逆變站與交流樞紐站之間的交互作用大小，判斷系統各逆變站發生同時或相繼換相失敗的幾率大小及可能存在的組合，對發現直流站換相失敗的潛在風險及制定相應的預防措施具有一定的指導作用，也可為直流站址選擇提供一個參考指標。

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（編輯 董小兵）

Application of Multi-Infeed Interaction Factor in Multi-Infeed AC/DC Hybrid Power Grid

WANG Weiyuan1，YANG Lin1，SHI Huijie2，CAO Minmin2，YIN Ting2
（1.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，Jiangsu，China；2.East China Electric Power Design Institute，Shanghai 200063，China）

以江蘇電網實際多饋入交直流受端系統為例，對多饋入交互因子（MIIF）在實際電網規劃和運行中的分析方法進行了推廣應用研究。通過計算各直流逆變站間、直流與交流樞紐站之間的MIIF指標，分析各逆變站發生同時或相繼換相失敗的幾率大小及可能存在的組合，對發現直流站換相失敗的潛在風險及制定相應的預防措施具有一定的指導作用。

多饋入交直流系統；多饋入交互因子；逆變站；換相失敗

Taking Jiangsu power grid as an example，this paper looks into applications of multi-infeed interaction factor（MIIF）in the practical power grid planning and operation and calculates the indexes of MIIF between different DC inverter stations，AC substations and DC inverter stations.The potential combinations and risks of simultaneous/successive commutation failures are analyzed.The research shows that MIIF has a certain guiding significance for identifying the potential risk of commutation failures and for making preventive measures.

multi-infeed AC/DC power system；multiinfeed interaction factor；inverter stations；commutation failure

1674-3814（2015）04-0054-05

TM712

A

2014-12-16。

汪惟源（1975—），男，碩士，高級工程師，主要從事電網規劃研究、電網項目前期管理工作；

楊林（1970—），男，碩士，高級工程師，主要從事電網規劃研究、電網項目前期管理工作；

史慧杰（1981—），女，碩士，主要從事電力系統規劃設計工作；

曹敏敏（1980—），女，碩士，高級工程師，主要從事電力系統規劃設計工作；

殷婷（1989—），女，碩士，主要從事電力系統規劃設計工作。