特高壓直流故障對交流系統穩定性的影響分析

哈麗曼·合孜爾，樊艷芳

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

特高壓直流故障對交流系統穩定性的影響分析

哈麗曼·合孜爾，樊艷芳

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

基于2016年新疆特高壓交直流混聯送端電網不同的運行方式，仿真分析±800kV特高壓直流輸電系統發生不同類型的故障時對哈密地區與近區交流系統電壓的影響；并且針對不同的故障形式采取不同的控制策略，分析不同控制策略對于交直流混聯系統運行電壓的影響。研究結果表明，在直流系統發生故障時，從故障類型來看，直流單極閉鎖故障時，富裕功率小，對系統穩定運行影響小；雙極閉鎖故障時，富裕功率大，從而引起沿線交流母線電壓的降低，嚴重時則引起電壓失穩，對系統穩定運行影響大；發生換相失敗對系統暫態電壓穩定性影響較大。隨著直流外送功率的不斷增大，無論是直流雙極閉鎖故障還是換相失敗故障均會出現暫態壓升更加嚴重的局面。

特高壓直流；直流閉鎖；換相失敗；穩控方案；電壓影響

0 引 言

新疆電網隨著750kV交流外送第二通道和±800kV哈密—鄭州特高壓直流工程的投運正式進入特高壓“交、直流混聯”大電網時代 。具有大功率外送、交流電網薄弱和交、直流混聯等特點，系統特性比較弱，本身無法抵御“大電網”背景下特高壓交、直混聯系統的常見故障，故對新疆電網的安全穩定運行要求進一步提高。結合新疆電網自身的特點，深入分析并對新疆電網現有的相關送端電網切機的穩控措施進行全面優化，提高新疆外送能力；與此同時，保證新疆電網不同故障形式下送端電網的安全穩定運行[1-5]。

目前，國內針對交直流混聯系統常見故障對電網穩定性的影響和所采取的穩控方案有了初步的研究。文獻[6]中當新疆特高壓直流輸電系統發生雙極閉鎖故障時，提出協調優化切機不平衡量的穩控方案，幾個方案相互之間做了比較。文獻[7-9]分別分析了±500kV林楓直流發生雙極閉鎖故障時對交流系統產生的沖擊和±1 100kV特高壓直流對四川電網穩定性的影響，提出用穩控裝置切機切負荷的穩控措施，從而減少直流閉鎖故障對交流系統產生的沖擊。文獻[10-12]對于大規模“風火打捆”直流外送系統直流故障，提出了改變直流傳輸功率與調節風機的有功出力的方案來減少系統的不平衡功率。文獻[13-15]提出了當特高壓直流發生閉鎖故障時，為了減少直流閉鎖故障對交流沖擊性影響，展開研究穩控方案，提出綜合考慮直流送端系統火電，新能源的切機方案，提高系統的穩定性。

結合2016年新疆電網與西北主網不同的運行方式，仿真分析±800kV特高壓直流輸電系統發生不同故障時對哈密地區與近區交流系統電壓的影響，提出切除直流配套電源及配合切除配套交流濾波器的穩控策略，對提高特高壓交、直流混聯系統的穩定運行具有一定的參考價值。

1 電網規模與運行方式

1.1 系統概況

根據新疆750kV網架規劃，東部環網建成，吐哈雙線改接至天山換流站，新疆中部電網將通過750kV吐天雙線+哈塘雙線共計4回線路同主網聯絡，新疆通過兩條750kV交流通道與西北電網聯網，一條±800kV天中直流與華中河南電網聯網 。特高壓交、直流混聯電網送端網架結構如圖1所示。

圖1 特高壓交、直流混聯電網送端網架結構

1.2 運行方式安排

根據新疆電網2016年運行方式，綜合考慮±800kV天中直流外送功率、直流配套電源的投運狀況以及750kV交流線路外送功率的實際情況，新疆交、直流送端電網有3種典型的運行方式，如表1所示。

表1 新疆交直流送端電網運行方式

2 電網安全穩定運行條件

根據中國《電力系統安全穩定導則》定義，結合新疆電網實際的輸電特性和負荷特性，當系統滿足：系統內中樞點電壓不低于80%Un，并且電壓為減幅振蕩，振蕩逐步衰減消失；頻率穩定即系統最低頻率不應低至低頻率減負荷裝置最低頻率輪頻率值(47.5 Hz)；系統高頻率時，高頻率不應高于電網中發電機組高頻率保護最低頻率整定值(一般應不高于50.5～51 Hz)；直流故障后750kV聯絡線功率振蕩呈衰減趨勢，并最終趨于穩定。滿足這些條件，認為系統穩定，否則認為系統不穩定。

電壓要求：

1)±800kV天中直流500kV母線電壓故障后穩態電壓不超過550kV；

2)750kV穩態電壓不超過840kV；暫態電壓不超過1.3 p.u.；

3)220kV穩態電壓不超過252kV；暫態電壓不超過1.3 p.u.。

3 特高壓直流故障對送端交流系統的影響分析

3.1 直流單極閉鎖故障

在3種方式下，天中直流發生單極閉鎖故障時，系統的穩定計算結果如表2所示。由表2可知，直流發生單極閉鎖故障時，方式3電壓失穩，其他方式系統均能保持穩定。在不采取任何穩控措施的情況下，由于故障后直流輸送功率下降,功率瞬間轉移到送端交流電網,從而引起送端近區交流系統母線的暫態穩定電壓上升，嚴重的甚至導致電壓失穩。

表2 直流單極閉鎖故障計算結果

直流單極閉鎖故障后對系統不同運行方式采取不同的穩控措施。運行方式1采取切除3組230 Mvar濾波器及1組270 Mvar濾波器；運行方式2采取切除3組230 Mvar濾波器及1組270 Mvar濾波器；運行方式3采取切除直流配套電源2 400 MW，1組270 Mvar濾波器及5組230 Mvar濾波器。采取穩控措施后直流單極閉鎖故障計算結果如表3所示。由表3可以看出，對不同運行方式采取相應穩控措施后，系統的暫態最大壓升大幅減小，并且都在系統承受范圍之內。

在運行方式3下單極閉鎖后采取相應穩控措施，系統電壓及頻率如圖2所示。由圖2可知，直流單極閉鎖故障后母線電壓升高，當穩控裝置動作切除直流配套電源及配合切除交流濾波器后，750kV母線電壓維持在0.95～1.01 p.u.，頻率在合理范圍之內。

表3 采取穩控措施后直流單極閉鎖故障計算結果

圖2 方式3下單極閉鎖后系統電壓及頻率變化

3.2 直流雙極閉鎖故障

直流發生雙極閉鎖故障時，直流功率無法外送，此時送端電網將產生相當于故障前直流外送功率的電力盈余，大量的過剩功率將通過交流斷面向東傳送，造成輸電通道上的輸送功率急劇增加，從而引起沿線交流母線電壓的降低，嚴重時則引起電壓失穩。

在3種方式下，天中直流發生雙極閉鎖故障時，系統的計算結果如表4所示。由表4可以看出，直流發生雙極閉鎖故障時，在系統的3種運行下電壓全失穩，進而引起系統運行失穩。

表4 直流雙極閉鎖故障穩定計算結果

直流雙極閉鎖故障后對系統不同運行方式采取不同的穩控措施。運行方式1采取配套電源總共1 060 MW；運行方式2采取切除直流配套電源

圖3 直流雙極閉鎖后系統電壓及頻率變化

總共2 160 MW；運行方式3采取切除直流配套電源總共6 000 MW。采取穩控措施后直流雙極閉鎖故障計算結果如表5所示，系統的電壓及頻率如圖3所示。由表5可知，采取相應的切除直流配套電源后系統運行均穩定。

表5 直流雙極閉鎖故障穩定計算結果

由圖3可知，直流雙極閉鎖故障后3種運行方式下電壓暫態壓升都會劇增。當穩控裝置動作切除直流配套電源后，由圖3(a)可知，在運行方式1下系統750kV母線電壓維持在0.93～1.03 p.u.；由圖3(c)可知，在運行方式2下系統750kV母線電壓維持在0.95～1.04 p.u.；由圖3(e)可知，運行方式3下750kV母線電壓維持在0.93～1.06 p.u.。而由圖2(b)、(d)、(f)可知，在3種運行方式下，系統頻率不超過1.01 p.u.，在合理范圍之內。

3.3 直流換相失敗故障

特高壓直流輸電系統中換向失敗是最常見的故障之一，伴隨著交流電壓的降低，直流電壓也將會降低；同時直流功率隨之交流電壓逐漸降至0，一旦交流系統短路故障切除，交流系統電壓恢復，這時直流功率也慢慢恢復。

當交流系統短路故障導致換相失敗時，系統3種運行方下750kV和220kV電壓波動曲線如圖4所示。

由圖4(a)、(b)可知，750kV暫態電壓升高、降低較大的變電站是天山換流站，達到了58kV；220kV暫態電壓較大的變電站是煙墩變電站，達到了19.5kV。由圖4(c)、(d)可知，750kV暫態電壓升高、降低較大的變電站是天山換流站，達到了65.1kV；220kV暫態電壓較大的變電站是煙墩變電站，達到了20.8kV。由圖4(e)、(f)可知，750kV暫態電壓升高、降低較大的變電站是天山換流站，達到了66.8kV；220kV暫態電壓較大的變電站是煙墩變電站，達到了15.7kV。直流換相失敗以后穩態電壓和暫態電壓都在電壓要求范圍內。

圖4 直流換相失敗后750kV、220kV電壓波動曲線

4 結 論

隨著新疆電網特高壓直流送電功率的增加，由直流閉鎖等故障產生的富余功率也隨之增加，這影響新疆電網安全穩定運行，具體表現在：

1)在直流系統發生故障時，從故障類型來看，直流單極閉鎖時，富余功率小，對系統穩定運行影響小。由于直流輸送功率下降而引起近區交流系統母線的暫態穩定電壓上升，雙極閉鎖時，富余功率大，故障后會導致系統失穩。采取相應的穩控策略(切除直流場濾波器及配套機組)后，可以使系統穩定。

2)隨著直流外送功率的不斷增長，直流閉鎖故障均會出現暫態壓升更加嚴重的局面，750kV層面暫態壓升達到80kV以上。應采取相應措施減少系統失穩概率。

3)直流系統發生換相失敗對系統暫態電壓穩定性影響較大，影響最大在方式3情況下，750kV暫態電壓升高、降低較大的變電站是天山換流站，達到了66.8kV；220kV暫態電壓較大的變電站是煙墩變電站，達到了15.7kV。雖說直流系統發生換相失敗對系統暫態電壓影響大，但是故障以后750kV、220kV暫態電壓和穩態電壓都沒超出電壓要求范圍，系統仍然穩定運行。

[1] 齊旭，曾德文，史大軍，等． 特高壓直流輸電對系統安全穩定影響研究[J]．電網技術，2006，30(2):1-6．

[2] 廖民傳，蔡廣林，張勇軍． 交直流混合系統受端電網暫態電壓穩定分析[J]． 電力系統保護與 控制，2009，37(10):1-4，

[3] 楊雄平，羅向東，李揚絮，等．南方電網直流閉鎖故障時受端系統電壓穩定問題分析[J]．電力系統保護與控制，2008，36(22):40-43．

[4] 董俊，束洪春，司大軍，等．特高壓遠距離大容量云電送粵中的穩定問題研究[J]．電網技術，2006，30(24):10-15．

[5] 鄭超, 湯涌, 馬世英, 等. 網源穩態調壓對暫態無功支撐能力的影響研究[J]. 中國電機工程學報, 2014,34(1):115-122.

[6] 鐘顯, 樊艷芳, 王一波, 等. 含高密度風電、交直流送端電網直流閉鎖故障穩控方案研究[J].電力系統保護與控制,2015, 43(13):130-138.

[7] 李國棟, 皮俊波, 鄭力, 等. ±500kV林楓直流雙極閉鎖故障案例仿真分析[J]. 電網技術, 2014, 38(4):877-881.

[8] 葉圣永, 王云玲, 唐權, 等. ±1 100kV“疆電入川”特高壓直流輸電對四川電網安全穩定影響[J]. 電網技術, 2013, 37(10):2726-2731.

[9] 衛鵬, 汪成根, 周前, 等. 基于 ADPSS 的錦蘇特高壓直流對江蘇電網運行特性影響研究[J]. 高壓電器,2013, 49(11):69-75.

[10] 郭小江,馬世英,申洪, 等.大規模風電直流外送方案與系統穩定控制策略[J].電力系統自動化,2012, 36(15):107-115.

[11] 李生福,張愛玲,李少華, 等. “風火打捆”交直流外送系統的暫態穩定控制研究[J].電力系統保護與控制, 2015, 43(1):108-114.

[12] 張愛玲,李少華,張崇見,等. “風火打捆”孤島特高壓直流送端電壓和頻率控制[J].電力系統及其自動化學報,2015, 27 (3):29-35.

[13] 鄭傳材, 管霖. 云廣特高壓直流故障特性及其強迫停運對受端系統影響評估[J].電網技術,2012,36(1):32-38.

[14] 陳虎, 張英敏, 賀洋, 等.特高壓交流對四川電網多送出直流輸電系統影響評估[J].電力系統保護與控制, 2011, 39(7):136-141.

[15] 陳樹勇, 逄博, 陳得治,等.新疆電網多送出直流輸電系統運行特性分析[J].中國電力,2014,47(4):102-107.

[16] 曾憲剛，王志濱，呂偉權．交直流混合系統中交流故障對直流的影響分析[J]．高電壓技術，2006，32(9)：29-32．

[17] Rong Z，Zhanqing Y，Jinliang H，et al．Study on Restraining DC Neutral Current of Transformer During HVDC Monopolar Operation[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(4)：2785-2791．

[18] 劉之堯，唐卓堯，張文峰，等．直流換相失敗引起繼電保護誤動分析[J]．電力系統自動化，2006，30(19)：104-107．

Based on the different operation modes of Xinjiang UHV AC/DC hybrid sending grid in 2016, the influence of different failures occurring in ±800kV UHVDC transmission system on the voltage of AC system near the Kumul Prefecture is analyzed through simulation. Different control strategies are adopted according to different failure forms, and the influence of different control strategies on the operating voltage of AC/DC hybrid transmission system is analyzed. The research results are as follow: when DC system failure occurs, in view of different types of failures, DC monopole blocking results in low power surplus and a less influence on system operating stability; Bipolar blocking results in high power surplus which leads to the decrease of AC bus voltage along the line, even the voltage instability and a big influence on AC/DC hybrid transmission system. Commutation failure has a large effect on system transient voltage stability. With the constantly increase of DC power delivered to the outside, no matter DC bipolar blocking failure or the commutation failure, they all will lead to more serious transient voltage rise.

UHVDC; DC blocking; commutation failure; stability control scheme; voltage influence

TM712

A

1003-6954(2017)02-0011-05

2016-12-18)

哈麗曼·合孜爾(1989)，碩士研究生，研究方向為電力系統穩定與控制；

樊艷芳(1971)，碩士生導師、副教授，研究方向為電力系統穩定與控制、微電網控制技術研究。