±800 kV天中直流單極閉鎖故障近區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)電壓分析

張增強(qiáng)，辛超山，呂　盼，宋新甫，付高善

(國網(wǎng)新疆經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊　830047)

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±800 kV天中直流單極閉鎖故障近區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)電壓分析

張增強(qiáng)，辛超山，呂盼，宋新甫，付高善

(國網(wǎng)新疆經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊830047)

天中直流極1發(fā)生短路引發(fā)單極閉鎖故障，極2快速轉(zhuǎn)帶極1功率，主要分析直流單極閉鎖的穩(wěn)態(tài)以及暫態(tài)過程，分析結(jié)果表明直流發(fā)生單極閉鎖，運行方式被迫轉(zhuǎn)換為單極大地運行方式，接地極入地電流大幅增加，易引發(fā)近區(qū)變電站主變壓器偏磁現(xiàn)象。另一方面直流發(fā)生短路故障，直流電流增加，造成換流閥消耗的無功增加，會引發(fā)近區(qū)交流系統(tǒng)電壓大幅下降，有可能造成風(fēng)機(jī)進(jìn)入低電壓穿越，引發(fā)脫網(wǎng)事故。同時通過仿真分析證明隨著直流傳輸功率的提升，在發(fā)生短路故障時，近區(qū)交流系統(tǒng)電壓下降越大，引發(fā)近區(qū)風(fēng)電脫網(wǎng)的風(fēng)險進(jìn)一步增加。

天中直流；單極閉鎖；暫態(tài)電壓

0　引　言

能源危機(jī)已受到世界各國的高度關(guān)注，大力發(fā)展可再生能源已成為目前社會的當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)電作為中國基本能源政策對緩解能源供應(yīng)、改善能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、實現(xiàn)和諧社會和電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，加快可再生清潔能源的發(fā)展和高效利用已成為中國能源領(lǐng)域的重點發(fā)展戰(zhàn)略之一。新疆自然資源豐富，可再生能源開發(fā)規(guī)模巨大，擁有國家級千瓦級風(fēng)電基地，新疆交流750 kV 交流外送通道以及±800 kV 天中直流工程的相繼投運，新疆電網(wǎng)正式進(jìn)入特高壓“交、直流混聯(lián)”大電網(wǎng)的新格局[1-3]。在復(fù)雜大電網(wǎng)的時代背景下，新疆電網(wǎng)特有的電壓跨度大、交流網(wǎng)架薄弱、大功率外送以及交、直流混聯(lián)等電網(wǎng)特點，勢必會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提出較高的要求，電網(wǎng)安全運行的風(fēng)險與壓力增大，最終造成的電網(wǎng)區(qū)域穩(wěn)定的耦合特性明顯增加，復(fù)雜性也明顯提高。結(jié)合天中直流的投運以及新疆電網(wǎng)哈密地區(qū)送端網(wǎng)架特點，研究天中直流故障特性，直流發(fā)生短路故障，直流電流增加，造成換流閥消耗的無功增加，會引發(fā)近區(qū)交流系統(tǒng)電壓大幅下降，有可能造成風(fēng)機(jī)進(jìn)入低電壓穿越，引發(fā)脫網(wǎng)事故[4-5]。同時通過仿真分析證明隨著直流傳輸功率的提升，在發(fā)生短路故障時，近區(qū)交流系統(tǒng)電壓下降越大，引發(fā)近區(qū)風(fēng)電脫網(wǎng)的風(fēng)險進(jìn)一步增加。

1　系統(tǒng)運行概況簡介

天中直流近區(qū)750 kV電網(wǎng)如圖1所示，天中直流極1閉鎖，天山站由雙極三閥組方式轉(zhuǎn)換為極2低端大地方式，故障前直流傳輸有功功率2 480 MW。花園電廠2號機(jī)運行，南湖電廠1號、2號機(jī)運行，配套火電出力共計1 174 MW，天山換流站兩臺聯(lián)變下網(wǎng)有功1 469 MW，新疆交流外送906 MW，吐哈斷面有功692 MW。直流近區(qū)750 kV線路全接線運行。周邊主要站點斷面潮流及電壓見表1、表2。

圖1　天中直流近區(qū)接線示意圖

設(shè)備名稱有功/Mvar無功/Mvar設(shè)備名稱有功/MW無功/Mvar吐哈一線346-140.71號聯(lián)變73499吐哈二線346-1452號聯(lián)變73585哈敦一線194.9-80花園2號機(jī)36586哈敦二線193.5-80南湖1號機(jī)450140煙沙一線258-82南湖2號機(jī)359120煙沙二線258-80

表2　初始運行方式變電站電壓統(tǒng)計

2　天中直流穩(wěn)態(tài)過程分析

由于天中直流中州側(cè)極2高端故障檢修，故障前天中直流運行方式為極1高低端、極2低端雙極三閥組運行，運行電壓+800 kV、-400 kV。運行方式如圖2所示。

圖2　天中直流雙極三閥組運行示意圖

中州站因閥廳至平波電抗器間穿墻套管大雪天氣閃絡(luò)，造成極1閉鎖，天中直流轉(zhuǎn)為極2低端大地運行方式，運行電壓-400 kV。運行方式如圖3所示。原極1傳輸功率由極2轉(zhuǎn)帶，但由于極2僅低端閥組運行，額定傳輸功率2 000 MW，因此天中直流故障后傳輸功率由2 480 MW降至2 025 MW,455 MW功率涌入交流系統(tǒng)。

圖3　天中直流極2低端運行示意圖

極1故障，直流運行方式轉(zhuǎn)為單極大地方式后，接地極入地電流由0最大增至5236 A，哈密地區(qū)750 kV哈密變電站、煙墩變電站和220 kV十三間房、東疆變電站主變壓器中性點直流電流超過了隔直裝置整定值10 A，隔置裝置均動作。由于入地電流較大，國家電力調(diào)度通信中心(以下簡稱國調(diào))緊急降低天中直流功率至1 160 MW，隨著傳輸功率的下降，接地極入地電流降至2 900 A，入地電流變化如圖4所示。

圖4　接地極入地電流變化曲線圖

天中直流由單極低端對大地方式調(diào)整為單極低端對金屬回線方式后，國調(diào)調(diào)整天中直流功率升至2 000 MW。運行方式如5所示。

圖5　天中直流極2低端對金屬回線運行示意圖

通過SCADA數(shù)據(jù)分析，天中直流單極閉鎖故障前后近區(qū)變電站電壓無明顯變化。故障前后吐哈斷面潮流減小159 MW，哈敦+煙沙潮流共增加284 MW，與天中直流所降功率吻合，同時潮流轉(zhuǎn)移比例近似1∶2。近區(qū)穩(wěn)態(tài)電壓變化及斷面潮流變化如表3、表4所示。

表3　故障穩(wěn)態(tài)過程電壓變化

表4　故障穩(wěn)態(tài)過程斷面潮流變化

3　單極閉鎖暫態(tài)故障仿真分析

3.1直流故障PMU數(shù)據(jù)分析

天中直流在中州逆變器直流側(cè)發(fā)生接地故障，可等效為逆變器直流側(cè)短路，交流側(cè)開路，天山側(cè)(整流側(cè))由于短路直流電流突增，中州側(cè)(逆變側(cè))由于開路直流電流降為0。天山側(cè)在短路故障后約60 ms電流達(dá)到最大值，然后保護(hù)動作對極1進(jìn)行閉鎖，約經(jīng)歷40 ms，故障電流降為0。直流故障PMU數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　直流故障PMU數(shù)據(jù)

由于極1與極2線路之間存在互感作用，在故障暫態(tài)過程中，故障極極1電流發(fā)生劇烈變化，非故障極極2在互感作用下電流與極1保持同調(diào)趨勢。在極1被閉鎖后，極2在控制邏輯的指揮下，將極1功率轉(zhuǎn)帶，電流快速上升。由于故障前直流輸送功率大于極2額定傳輸功率(極2高端換流閥停運，額定功率2 000 MW)，穩(wěn)態(tài)時極2無法全部轉(zhuǎn)帶極1功率；但為減小對交流電網(wǎng)的沖擊，控制邏輯允許每個換流閥擁有暫時(約3 s)1.3倍過負(fù)荷能力，因此極2將極1功率全部轉(zhuǎn)帶后，經(jīng)歷約3 s，電流下降至額定電流。

3.2直流故障仿真分析

根據(jù)故障情況設(shè)置仿真故障：天中直流中州側(cè)設(shè)置單極接地故障，故障持續(xù)40 ms，天中直流極1閉鎖，再經(jīng)過40 ms后極2轉(zhuǎn)帶極1功率。

直流故障仿真數(shù)據(jù)如圖7所示，仿真結(jié)果表明，在直流發(fā)生短路故障時，直流送端電流突增，直流消耗的無功功率增加，仿真結(jié)論與PMU錄波數(shù)據(jù)基本吻合。但仿真結(jié)果中未出現(xiàn)直流功率增加過程，與實際錄波曲線存在差異。

圖7　直流故障仿真數(shù)據(jù)

3.3直流近區(qū)電壓潮流仿真分析

短路過程直流近區(qū)750 kV母線電壓下降101 kV，220 kV母線電壓下降25 kV。直流單極閉鎖后750 kV母線電壓升高18 kV，220 kV母線電壓升高4 kV。

短路過程中吐哈斷面潮流不變，哈敦+煙沙斷面有功減少194 MW，直流單極不鎖后，吐哈斷面有功減少654 MW，哈敦+煙沙斷面有功增加720 MW，潮流轉(zhuǎn)移比接近0.9。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　哈密750 kV變電站壓仿真曲線

圖9　直流近區(qū)潮流變化曲線

3.4靈敏度分析

將直流輸送功率提升至4 000 MW，模擬仿真單極接地閉鎖故障。仿真結(jié)果如圖10所示，仿真結(jié)果表明，隨著直流輸送功率的增加，在發(fā)生接地故障時，直流電流增加幅度變大，故障期間直流所消耗的無功更大。因此直流接地故障時，近區(qū)交流電壓更低，有可能造成風(fēng)機(jī)進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。

圖10　直流故障敏感性分析曲線

4　結(jié)　論

直流在逆變換流閥直流側(cè)發(fā)生接地故障，整流側(cè)故障極電流突增，換流閥消耗的無功功率增加，從而從交流系統(tǒng)吸收的有功無功功率增加，直流近區(qū)交流系統(tǒng)電壓下降。直流單極閉鎖后，原直流消耗的有功、無功功率減少，涌入交流系統(tǒng)，造成交流系統(tǒng)有功潮流轉(zhuǎn)移以及電壓升高。直流另外一極將功率轉(zhuǎn)帶后，交流系統(tǒng)恢復(fù)初始運行狀態(tài)。

發(fā)生單極閉鎖故障，直流系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換為單極大地回線運行方式，接地極入地電流較高，有可能引發(fā)近區(qū)變壓器故障，應(yīng)提前做好防范措施。

天中直流傳輸功率2 500 MW時，發(fā)生單極閉鎖故障，暫態(tài)過程電壓降低及升高均在允許范圍內(nèi)，不會造成風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)事故。當(dāng)另外一極將功率轉(zhuǎn)帶后，系統(tǒng)電壓及潮流基本能恢復(fù)初始值，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響較小。

仿真結(jié)果表明隨著直流輸送功率的增加，在發(fā)生接地故障時，直流電流增加幅度變大，故障期間直流所消耗的無功更大。因此直流接地故障時，近區(qū)交流電壓更低，有可能造成風(fēng)機(jī)進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。

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The short circuit occurred in 1-pole of Tian-Zhong HVDC causes a unipolar blocking fault, and 2-pole turns with the power of 1-pole very fast. The steady-state and transient process of DC unipole blocking are analyzed, and the results show that when DC unipole blocking occurs, the operation mode is forced to convert to the monopolar ground operation mode, and the earth current of ground electrode increases greatly, which easily causes magnetic bias of main transformer in near-field substation. On the other hand, the DC short-circuit fault occurs, the DC current increases, resulting in the increase of reactive power consumed by the converter valve, and then it would lead to a decrease of near-field AC system voltage, which may cause the wind power units to enter into the low voltage ride through and lead to wind generator tripping off. As the same time, the simulation analysis shows that the DC transmission power is lifting, during a short-circuit fault, the more the voltage of near-field AC system drops, the greater risk of near-field wind generator tripping-off increases.

Tian-Zhong HVDC; unipolar blocking; transient voltage

TM721.1

A

1003-6954(2016)04-0058-04

2016-05-29)

張增強(qiáng)(1979)，碩士、工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)工作。