特高壓直流分層接入方式下層間交互影響研究

管永高，張詩滔，許文超

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇南京211102）

特高壓直流分層接入方式下層間交互影響研究

管永高，張詩滔，許文超

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇南京211102）

為研究特高壓直流分層接入方式對電力系統帶來的影響，分析了直流分層接入方式下層間交互影響因子的計算方法，對比不同計算方法之間的差異，分析其產生的原因。通過與傳統接入方式的對比，研究了直流分層接入方式對層間交互影響、有效短路比以及暫態過電壓的影響。結果表明直流分層接入方式下層間交互影響更小，各層有效短路比更大，暫態過電壓更小。相比傳統接入方式，直流分層接入方式更優。

分層接入；層間交互影響因子；有效短路比；暫態過電壓

0 引言

隨著高壓直流輸電技術的不斷發展，直流接入電力系統的方式得到了越來越多的研究。2013年有學者提出了特高壓直流分層的接入方式［1］。隨后有學者進一步分析了分層接入方式的優點［2］，并從無功電壓耦合特性［3］和受端接納能力［4］等角度分析了特高壓直流分層接入方式對電網帶來的影響。

特高壓直流分層接入方式作為一種新型直流接入方式，其層間交互作用以及給系統帶來的影響亟待研究。目前對于直流分層接入系統的分析主要借鑒多饋入直流系統的分析方法，多饋入交互影響因子（multi?infeed interaction factor，MIIF）是其中主要的指標之一［5］，MIIF主要表征多饋入直流系統各饋路間的交互影響程度。對于直流分層接入方式下層間交互影響因子（hierarchical interaction factor，HIF）的研究可借鑒MIIF的分析方法。目前關于MIIF的理論計算方法主要采用Denis提出的近似計算方法［6，7］。該方法是建立在受端交流系統等值的基礎上，利用節點阻抗矩陣分析得到相應的MIIF，已有研究證明該方法和多饋入電壓靈敏度因子、多饋入最大直流功率指標之間具有相同的物理意義［8］。同時，有學者對該方法進行了補充［9－12］。文獻［9］研究發現考慮直流功率外特性后對MIIF計算將帶來影響；文獻［10］提出用暫態電壓支撐強度指標來評估MIIF；文獻［11］研究了整流側換流站與逆變側換流站之間的交互影響；文獻［12］則研究了不同控制方式對MIIF的影響。近年來，隨著一系列特高壓交直流工程落點江蘇，給江蘇電網安全穩定運行帶來了新的挑戰［13－15］。其中，錫盟—泰州特高壓直流落點江蘇蘇北地區后將采用分層方式接入江蘇電網，需對其帶來的影響進行分析。

綜上，直流分層接入方式下層間交互影響因子的計算方法仍需要進一步分析，而直流分層接入方式對層間交互影響又會帶來怎樣的影響仍不明確。鑒于此，本文將基于錫盟—泰州特高壓直流分層接入系統對比分析直流分層接入方式下層間交互影響因子的不同計算方法，分析不同計算方法之間的差別。研究直流分層接入方式對HIF、有效短路比（effective short circuit ratio，ESCR）以及暫態過電壓（transient over?voltage，TOV）的影響。

1 直流分層接入方式下HIF計算方法

圖1為一個簡單的雙橋雙極直流分層系統。由圖1可知，與傳統直流接入方式不同，直流分層接入方式下，換流站低端逆變后接入1000 kV交流電網，換流站高端逆變后接入500 kV交流電網。不同換流母線間存在一定的電氣聯系，某一換流母線的電壓變化將會引起另一換流母線的電壓波動，對此需要研究直流分層接入方式下層間交互影響。

圖1 直流分層接入系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of UHVDC hierarchical connection mode

根據CIGRE高壓直流工作組對系統直流回路間作用的強弱的定義［16］：當直流回路i的換流母線電壓下降1%時，直流回路j的換流母線電壓下降率。相應的直流分層接入方式下HIF可表示為：

相應的RHIF在0～1變化，當RHIF的值越接近1，層間兩換流母線間的電氣聯系越強；反之，當RHIF的值越接近于0，則表示層間兩換流母線間的電氣距離越大，兩者間的交互影響越小。

從換流母線觀測受端交流系統，利用多端戴維南等值理論可得到相應的受端系統等值網絡示意圖，如圖2所示。其中Zeq11為1000 kV換流母線下系統等值阻抗，Zeq22為500 kV換流母線下系統等值阻抗，Zeq12為換流母線間的聯系阻抗。

圖2 受端系統等值示意圖Fig.2 Schematic diagram of receiving equivalent system

針對受端等值系統，其采用P－Q解耦法求解潮流時的無功－電壓修正迭代方程為：

將式（2）左乘－B″－1得：

由式（3）可知，若換流母線i存在無功擾動ΔQi，而其他母線無擾動，引起的其他直流母線電壓變化可表示為：

根據式（1）和式（4）可得：

式中：Zji為受端等值系統阻抗矩陣中j行i列的元素；Zii為受端等值系統阻抗矩陣中i行i列的元素。

由式（1）和式（5）得到的RHIF不能很好地反應直流分層接入方式下層間的動態特性，參考文獻［8］提出了評估直流換流母線間交互影響強度的結構性指標——暫態電壓支撐強度指標，直流分層接入方式下的RHIF為：式中：Zeqij為第i層與第j層間的聯系阻抗；Zeqii為第i層系統等值阻抗。

2 錫盟—泰州直流分層接入系統說明

根據規劃，±800 kV錫盟—泰州直流落入江蘇蘇北地區后，輸電工程接入系統方案為：換流站低端逆變后直接接入泰州特高壓站1000 kV母線，換流站高端接入交流500 kV母線。其中換流站500 kV母線出線6回，將500 kV旗杰—鳳城雙線開斷環入換流站，同時建設500 kV換流站—雙草變雙回線路。如圖3所示。下面將基于錫盟—泰州特高壓直流分層接入系統，分析直流分層接入方式下不同HIF理論計算值之間的差別，研究直流分層接入方式對HIF帶來的影響。進一步分析不同接入方式下短路比以及暫態過電壓之間的差別。

圖3 ±800 kV錫盟—泰州直流分層接入系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of the hierarchical connection to AC system for±800 kV Ximeng?Taizhou UHVDC

3 不同計算方式下HIF對比分析

在1000 kV換流母線和500 kV換流母線上分別改變其無功負載的大小，得到無功負載變化前后換流母線電壓變化量，根據式（1）得到相應的HIF計算結果，如表1所示。

表1 RHIFji＿1計算結果Table 1 Calculated results of RHIFji＿1

由表1可以看出，直流分層接入方式下層間均存在一定的交互影響，且1000 kV換流母線給500 kV換流母線帶來的影響（RHIFji＿1＝0.526）大于500 kV換流母線給1000 kV換流母線帶來的影響（RHIFji＿1＝0.184）。進一步對如圖2所示的受端等值系統進行分析，等值系統中各阻抗等值結果為：Zeq11＝0.000 046 5＋j0.002 181；Zeq22＝0.000 238 1＋j0.004 954；Zeq12＝0.000 3＋j0.008 5。

相應的阻抗矩陣Z為：

據此可以得到相應的RHIFji＿2，RHIFji＿3，如表2和表3所示。

表2 RHIFji＿2計算結果Table 2 Calculated results of RHIFji＿2

表3 RHIFij＿3計算結果Table 3 Calculated results of RHIFij＿3

從表2和表3的計算結果同樣可以看出，1000 kV換流母線對500 kV換流母線的影響（RHIFji＿2＝0.368）大于500 kV換流母線對1000 kV換流母線的影響（RHIFji＿2＝0.204）。

另外表2和表3中通過兩類方法得到的HIF計算結果相等。這主要是因為對于2層系統，式（5）可表示為：

同理可得RHIF12＿2＝RHIF21＿3。可見，對于直流分層接入方式下2層系統的RHIFji＿2和RHIFij＿3計算結果一致。

需要說明的是，RHIFij＿3是考慮暫態擾動下，換流母線與短路節點、發電廠之間的電氣距離而提出的結構性指標，雖然對于2層接入系統RHIFji＿2和 RHIFij＿3計算結果相同，然而兩者本質上仍然有所區別。因此對于直流分層接入方式下ESCR的計算，RHIFij＿3并不適用。

綜合表1—3可以看出，三類HIF計算結果之間存在差異，其中的原因在于，表2和表3中所采用的方法是建立在受端交流系統等值的基礎上，未考慮直流系統之間的影響，而表1所采用的方法建立在電壓擾動的基礎上，考慮了直流系統之間的交互影響。下面將進一步分析忽略直流系統帶來HIF計算結果差異的原因。

式（2）中的無功－電壓迭代修正方程是建立在受端等值系統的基礎上，未考慮直流系統的功率特性。在考慮直流系統的功率特性后，換流母線i的無功電壓關系為：

式中：Qis為受端等值系統節點i注入系統的無功功率；Ui為受端等值系統節點i的電壓；Gij，Bij分別為受端等值系統節點導納矩陣第i行、第j列元素的實部和虛部的值；θij為節點i與節點j的相角差；Qin為直流系統注入換流母線的無功功率。Qin可以表示為關于換流母線電壓Ui、直流線路電流IDC以及逆變側熄弧角γ的函數，即：

考慮直流系統的無功功率特性后，可將式（2）表示為：

式中：Qn為各直流系統注入各換流母線的無功功率向量；diag（X）表示以向量X為對角線元素的對角矩陣。

對式（10）進行求逆運算可得：

根據式（11）可以得到換流母線無功變化而帶來的母線電壓變化量，結合式（1）可得到相應的HIF計算值。由式（11）可知，由于直流系統的無功功率是與換流母線電壓有關的量，電壓變化量中增加了有關直流系統無功功率的微分項。而式（3）中電壓變化量的計算是建立在受端等值交流系統的基礎之上，忽略了直流系統的無功功率特性，從而導致了2種計算方法之間的差異。

綜上，根據理論計算結果與分析結論，式（1）關于HIF的計算方法更為可靠，接下來的分析中將主要采用式（1）的計算方法進行分析。

4 分層接入方式對系統影響分析

4.1分層接入方式對HIF的影響

為了分析分層接入方式對HIF帶來的影響，對比分析3種情況下HIF的變化特點。

情況一：換流站低端逆變后接入特高壓站500 kV母線，換流站高端逆變后仍接入500 kV母線。

情況二：換流站低端逆變后仍接入特高壓站1000 kV母線，換流站高端逆變后同樣接入特高壓站1000 kV母線。

情況三：換流站高端逆變接入500 kV母線，低端逆變接入特高壓站1000 kV母線，即直流分層接入方式進行對比分析。

需要說明的是，換流站逆變后均接入500 kV換流母線或1000 kV母線即不存在分層接入方式，本文為了分析分層接入方式將對HIF帶來的影響，仍保留高端逆變換流母線和低端逆變換流母線。通過在換流母線上改變無功負載得到相應的電壓變化量，從而得到相應的HIF計算值，如表4、表5和表6所示。

表4 情況一下RHIFji＿1計算結果Table 4 Calculated results of RHIFji＿1in case 1

表5 情況二下RHIFji＿1計算結果Table 5 Calculated results of RHIFji＿1in case 2

表6 情況三下RHIFji＿1計算結果Table 6 Calculated results of RHIFji＿1in case 3

由表4－6可以看出，情況一和二中換流站接入500 kV／1000 kV換流母線后，兩換流母線之間的交互影響因子均大于分層接入方式下的層間交互影響因子。進一步通過對受端系統進行等值分析兩換流母線間的電氣聯系，不同情況下各阻抗的等值結果如表7所示。

表7 不同情況下等值阻抗計算結果Table 7 Calculated results of equivalent impedance with different cases

由表7可知，情況三中層間聯系阻抗Zeq12最大，即中層間電氣聯系最弱。3種情況下等值系統聯系阻抗的變化規律與表4—6中HIF計算結果反映出的變化規律一致，即換流母線間聯系阻抗越小，則交互影響越大。

結合HIF與等值系統聯系阻抗的計算結果可知，分層接入方式下的聯系阻抗較大，層間電氣聯系相對較弱，從而層間交互影響也較小。

4.2分層接入方式對系統短路比的影響

短路比作為表征交流系統強弱的主要指標之一，可用來評估換流站交流母線電壓穩定性。分層接入方式下層間有效短路比（hierarchical effective short circuit ratio，HESCR）可表示為：

式中：Saci為第i層直流回路換流母線的三相短路容量；Pdi為第i層額定直流功率；Qci為第i層換流母線額定無功補償容量。

為分析分層接入方式對系統短路比的影響，對比4.1節中3種情況下系統有效短路比。計算結果如表8所示。

表8 不同接入方式下有效短路比RESCR結果對比Table 8 RESCRof different connection modes

由表8可知，2種接入方式下，系統均為強系統（RESCR＞3）。對比三類情況可知，同一電壓等級下，分層接入方式下各層有效短路比相比傳統接入方式均得到了改善。采用分層接入方式交流系統對直流系統的電壓支撐能力變強。并且分層接入方式下，1000 kV換流母線的RHESCR大于500 kV換流母線的RHESCR，即分層接入方式下，1000 kV交流受端系統對直流系統的電壓支撐作用強于500 kV交流受端系統。

4.3分層接入方式對暫態過電壓的影響

額定工況下，換流站無功補償容量為直流額定輸送功率的40%～60%，直流系統閉鎖停運后，由于換流站無功補償裝置產生過量的無功將導致暫態過電壓。考慮分層接入方式下，換流母線無功補償裝置提供的無功功率與換流站傳輸的有功功率比例為η，即Qdi＝ηPdi。相應的TOV可表示為［17］：

由式（13）可知，在η一定的情況下，若RHESCRi越小，即交流系統越弱，則RTOVi將越大，因此對連接弱交流系統的直流工程，需采取一定的措施防止過電壓帶來的危害。反之，則RTOVi將越小。

基于4.2節中得到的RESCR，考慮換流母線無功補償裝置提供的無功功率與換流站傳輸的有功功率比例η在40%～60%變化，進一步分析分層接入方式下暫態過電壓，并與傳統接入方式進行對比，結果如圖4所示。

圖4 不同接入方式下TOV結果對比Fig.4 TOV of different connection modes

由圖4可知，不同接入方式下，η變大都會導致RTOV的增大。就同一電壓等級而言，采用分層接入方式后，各層TOV均小于傳統接入方式的TOV。即直流分層接入方式后，直流系統故障導致的暫態過電壓問題將小于傳統接入方式。對比3種情況，分層接入方式下1000 kV換流母線的TOV最小，即直流系統故障導致的暫態過電壓問題對1000 kV換流母線帶來的危害最小。

5 結語

針對錫盟—泰州直流分層接入系統研究了直流分層接入方式對層間交互影響、有效短路比以及暫態過電壓的影響，得到的結論如下：

（1）三類HIF計算值之間存在差異，差異的產生主要是在計算HIF過程中是否考慮直流無功功率特性對HIF的影響。

（2）采用分層接入方式層間交互影響小于采用傳統接入方式的交互影響。

（3）相比傳統接入方式，采用分層接入方式后各層有效短路比均得到改善，即交流系統對直流系統的電壓支撐能力更強；而采用分層接入方式后，同一電壓等級下，暫態過電壓則將比傳統接入方式小。

（4）綜合層間交互影響、有效短路比以及暫態過電壓指標研究可知，與傳統接入方式相比，分層接入方式更優。

本文的研究仍是側重于直流分層接入系統的靜態特性分析，直流輸電系統的控制方式及其動態過程也會對層間交互影響帶來影響，分層接入方式同樣也會對直流系統的響應特性帶來影響，這些都是后續需要開展的工作。

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Study on Hierarchical Interaction of UHVDC Hierarchical Connection Mode

GUAN Yonggao，ZHANG Shitao，XU Wenchao
（China Energy Engineering Group，Jiangsu Power Design Institute Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

To study the impact of ultra high?voltage direct current（UHVDC）hierarchical connection mode on power system，the calculation methods of hierarchical interaction factor（HIF）are proposed and the causes of the deviation between different methods are analyzed.The impacts of UHVDC hierarchical connection mode on HIF，effective short circuit ratio（ESCR）and transient over?voltage（TOV）are investigated compared with the traditional connection mode.The results indicate that the HIF is smaller，the ESCR is larger and the TOV is smaller under the hierarchical connection mode.The hierarchical connection mode is more superior with the traditional one.

hierarchical connection mode；hierarchical interaction factor（HIF）；effective short circuit ratio（ESCR）；transient over?voltage（TOV）

TM72

：A

：2096－3203（2017）02－0032－06

管永高

管永高（1990—），男，江蘇如皋人，工程師，從事電力規劃與設計工作；

張詩滔（1979—），男，江蘇蘇州人，高級工程師，從事電力規劃與設計工作；

許文超（1979—），女，江蘇南京人，高級工程師，從事電力系統規劃、新能源并網工作。

2016－10－13；

2016－11－21

（編輯 劉曉燕）