永富直流受端電網電壓穩定性研究

， ，，(. 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 600；. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 6507)

永富直流受端電網電壓穩定性研究

曾雪松1，徐志2，范文飛1，伍文城1
(1. 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217)

永富直流是國內首個省內直流輸電項目，其受端富寧換流站接入的交流系統較弱，換流站內裝設有固定串補和STATCOM，對系統安全穩定分析帶來了挑戰。基于靜態穩定和時域仿真分析方法，分析了富寧換流站所在地區電網在N-1和嚴重故障下的靜態電壓穩定和暫態穩定，研究了富寧換流站STATCOM接入后對系統電壓穩定性的影響，為大容量直流接入弱交流系統的穩定分析提供了新思路。

永富直流；電壓穩定性；靜態電壓穩定；區域有功功率裕度；暫態穩定；STATCOM

0 引 言

云南永富直流工程主要為滿足觀音巖水電站3 000 MW電力送出而建設，直流工程起點位于云南省楚雄州永仁縣永仁換流站，落點位于云南省文山州富寧縣富寧換流站，工程于2016年7月正式竣工投產。

永富直流受端富寧換流站位于云南電網文山地區，接入交流系統較弱，最小三相短路電流云南側和廣西側分別僅為8.0 kA和7.1 kA，對應永富直流送電3 000 MW時有效短路比ESCR分別為1.8和1.6，直流運行條件較差。

為達到云南電網與南方電網主網異步運行的目的，富寧換流站接入系統方案滿足3 000 MW全送廣西或全送云南，以及單極1 500 MW分送廣西、云南3種運行方式的要求。為改善受端弱交流系統條件下直流運行條件，在500 kV富寧換流站—靖西變電站雙回、500 kV硯山變電站—富寧換流站雙回線路均裝設約50%補償度的串補裝置，在富寧換流站裝設3組±100 Mvar 的STATCOM裝置，如圖1所示。永富直流屬于大容量直流接入弱交流系統受端，對此類系統其電壓穩定性是需要重點關注的問題[1-4]。此外，富寧換流站還存在常規直流兩極分送、STATCOM及固定串補技術集中使用情況，交直流交互影響更為復雜，需采用多種手段進行研究。

下面基于靜態穩定和時域仿真分析方法，分析了富寧換流站所在地區電網在N-1和嚴重故障下的靜態電壓和暫態穩定問題，研究了富寧換流站STATCOM接入后對系統電壓穩定性的影響。

圖1 富寧換流站接入系統方案

1 靜態電壓穩定分析方法

1.1 靜態電壓穩定分析的基本原理

目前常用的靜態電壓穩定分析(以下簡稱靜穩分析)方法均是基于潮流雅克比矩陣的最小奇異值與系統靜穩極限之間存在對應關系，采用連續潮流方法求解常規的潮流代數方程，求取P-V曲線和(或)V-Q曲線獲得裕度指標[5]。

連續潮流法指運用連續方法跟蹤系統潮流方程穩態運行點隨負荷或發電輸出變化而變化的解曲線，它通過在常規潮流方程中引入一個變化參數并增加一維校正方程，采用預估-校正策略巧妙地解決當系統運行點接近臨界點時潮流不收斂的難題，能順利地穿過“鼻點”而不會有雅克比矩陣奇異的數值問題。

連續潮流計算方法主要有弧長連續法、局部參數法、延拓法等，主要包括方程參數化、預測環節、校正環節和步長控制4個環節。

通過不斷增加區域負荷及聯絡線的功率，求解每個傳輸水平上的潮流解，可得到某監測母線上的P-V曲線, 可直觀展示節點電壓與負荷功率增長之間的曲線關系，如圖2所示。在每個傳輸水平上均需要對可能的N-1、N-2故障進行掃描和篩選，確保篩選出最嚴重N-1、N-2故障。當潮流不能收斂時(雅克比矩陣奇異)，即為穩定極限。P-V曲線“鼻點”即為最大功率極限點。通過上述方法，可求出測試區域或聯絡線的靜態穩定極限和系統的穩定裕度[5]。

所采用的分析方法為基于連續潮流法的P-V曲線分析方法，采用電力系統分析綜合程序(PSASP)的靜態電壓穩定分析模塊作為計算工具。

圖2 連續潮流法

1.2 靜態電壓穩定主要指標說明

1)區域負荷有功功率裕度

(1)

式中，P、Pmax分別為區域正常有功和臨界有功。

研究采用以下準則[6]：在區域最大有功或最大斷面潮流下，

①正常或檢修方式下，應Kp>8%；

②N-1方式下，Kp>5%；

③N-2方式下，Kp>2.5% (WECC標準)。

2)母線負荷無功功率裕度

(2)

式中，Q、Qmax分別為初始、臨界點的無功功率值。

推薦采用以下準則[6]：在區域最大有功或最大斷面潮流下，N-1方式下的Kq應大于5%，且應小于正常或檢修方式下的Kq。

3)節點電壓的要求

①500 kV及以上母線以及發電廠和500 kV變電站的220 kV母線正常運行方式時，電壓允許偏差為系統額定電壓的0%～+10%；事故運行方式時為系統額定電壓的-5%～+10%。

②220 kV變電站的220 kV母線以及發電廠和變電站的35～110 kV母線正常運行方式時，電壓允許偏差為系統額定電壓的-3%～+7%；事故運行方式時為系統額定電壓的±10%。

4)支路過載限制

檢查計算區域內220 kV及以上的變壓器和線路、變壓器線路支路，故障前后均按照1.0倍額定電流考慮。

2 富寧換流站近區電網電壓穩定性分析

對富寧換流站近區電網電壓穩定性進行仿真分析，基于的運行方式如下：

1)直流運行工況

永富直流的運行工況考慮了兩種：分別為永富直流3 000 MW全送云南或全送廣西兩種工況。

2)云南電網運行方式

云南電網計算負荷模擬到110 kV母線，基于2018年云南電網豐水期大負荷的典型運行方式。

2.1 靜態電壓穩定分析

對永富直流受端電網進行靜態電壓穩定性分析時，原則如下：

1)負荷增長：永富直流受端所在地文山地區電網負荷增長，最大負荷增長量設置為4 000 MW。

2)發電機出力增長：云南接入500 kV的主要大電源和永富直流受端所在地文山地區電網接入的電源。

3)節點電壓越限檢測：設定計算區域內500 kV和220 kV母線節點電壓滿足1.0～1.1 p.u.，另外設置計算區域內全部發電機節點限制為0.95～1.05 p.u.。

4)對該地區N-1、N-2故障進行了篩選，挑選了最為嚴重的4個故障進行靜態電壓穩定分析。4個故障分別為：500 kV硯山變電站—富寧變電站線路N-1、N-2故障，500 kV紅河變電站—硯山變電站線路N-1、N-2故障。

2018年豐大方式下，永富直流受端所在地文山地區電網負荷有功功率裕度見表1， 2018年豐大正常方式下P-V曲線如圖3所示(其余P-V曲線略)。靜態電壓穩定分析表明：

1)永富直流3 000 MW送電廣西時，文山地區的有功功率裕度為44.89%，極限功率為2 866.5 MW；相對嚴重的故障為500 kV紅河變電站—硯山變電站線路三相短路故障，該線路N-1、N-2故障時文山地區的有功功率裕度分別為40.61%和26.24%，均滿足相關導則要求。

2)永富直流3 000 MW送電云南時，文山地區的有功功率裕度為27.80%，極限功率為6 362.5 MW；相對嚴重的故障為500 kV紅河變電站—硯山變電站線路三相短路故障，該線路N-1、N-2故障時文山地區的有功功率裕度分別為27.41%和23.91%，均滿足相關導則要求。

3)從靜態電壓穩定計算結果來看，相較于永富直流3 000 MW送電廣西，2018年豐大永富直流3 000 MW送電云南時，受端電網文山地區的受電規模增加，相當于饋入了相應容量的電源，文山地區的極限功率有所提高，但該地區的有功功率裕度呈下降的趨勢。

2.2 暫態穩定分析

盡管靜態電壓穩定分析為大規模電網的電壓穩定分析提供了一種快速且可通覽全貌的分析方法，但是靜態方法給出的結果常常具有一定的保守性，需通過時域仿真工具進行校核[7]。因此，基于前述靜態結果，采用時域仿真工具對2018年豐大方式下富寧換流站近區電網的暫態穩定進行分析，研究采用PSD-BPA暫態穩定程序，計算中考慮的模型如下：

1)發電機模型

發電機采用Eq″、Ed″變化模型，考慮自動勵磁調節裝置、調速器作用，機組容量大于20 MW的機組均投入PSS，機組阻尼系數D取0。

表1 文山地區電網靜態電壓穩定計算結果

圖3 P-V曲線

2)直流模型

云廣、溪洛渡、糯扎渡、金中、永富、魯西背靠背直流系統采用PSD-BPA程序中的兩端直流詳細模型，考慮直流控制系統作用，控制方式為定功率，不考慮調制功能。

3)負荷模型

負荷采用考慮頻率特性的ZIP靜態模型，由恒定阻抗、恒定電流、恒定功率并計及頻率特性因子組成的綜合負荷模型，對應于PSD-BPA程序中的LB型負荷模型，具體為：

云南電網：30%恒定阻抗，30%恒定電流，40%恒定功率；

廣西電網：30%恒定阻抗，40%恒定電流，30%恒定功率；

有功負荷的頻率因子LDP取為1.2，無功負荷頻率因子LDQ取為-2.0。

4)STATCOM

富寧換流站考慮投入3組±100 Mvar 容量的STATCOM裝置。

在上述計算條件下，2018年豐大方式，永富直流受端所在地文山地區電網的暫態穩定分析計算結果如下：

1)永富直流3 000 MW送電廣西時，文山地區的有功功率裕度為109.9%，極限功率為4 153.5 MW；永富直流3 000 MW送電云南時，文山地區的有功功率裕度為13.3%，極限功率為5 640.0 MW，均滿足相關導則要求。

2)文山地區負荷逐漸增長至極限功率時， 500 kV紅河變電站—硯山變電站線路N-1故障后出現電壓失穩現象，系統不能夠保持穩定。具體電壓越限點為文山地區110 kV空山站為代表的負荷站點，故障后對應110 kV母線電壓低于0.75 p.u.超過50 Hz，如圖4所示。

3)永富直流3 000 MW送電廣西時，永富直流發生雙極閉鎖和500 kV紅河變電站—硯山變電站—富寧換流站線路發生N-2故障后，系統均能保持穩定；永富直流3 000 MW送電云南時，500 kV紅河變電站—硯山變電站—富寧換流站線路發生N-2故障后，系統失穩。

圖4 空山變電站110 kV電壓曲線

3 富寧換流站STATCOM對弱交流系統電壓穩定性影響分析

富寧換流站裝設3組±100 Mvar 的STATCOM裝置后，提升了文山地區這種典型的受端電網的無功儲備，同時STATCOM有著較快的響應速度，故障后為電網提供較好的電壓支撐，提高了文山地區的安全穩定水平。對STATCOM的接入對文山地區電壓穩定性的影響進行時域仿真分析，研究主要基于永富直流3 000 MW送電云南時的豐大運行方式。

時域仿真的故障為500 kV紅河變電站—硯山變電站線路發生N-1故障。故障后富寧換流站500 kV交流母線電壓曲線如圖5所示，STATCOM的無功出力曲線如圖6所示，永富直流熄弧角曲線如圖7所示。由仿真結果可以看出：

圖5 富寧換流站500 kV電壓曲線

1)STATCOM在故障后暫態過程中最大發出了約+354 Mvar(+為容性，-為感性，下同)的無功功率，向系統提供電壓支持；在故障恢復過程中，STATCOM的無功功率范圍在-70～+107 Mvar之間，最后基本穩定在20 Mvar。有STATCOM時，500 kV富寧變電站的電壓在由1.020 p.u.提升至1.024 p.u.，500 kV硯山變電站的電壓由1.024 p.u.提升至1.027 p.u.，220 kV文山變電站的電壓由1.012 p.u.提升至1.014 p.u.，220 kV馬關變電站的電壓由1.009 p.u.提升至1.011 p.u.，其余文山地區的各廠站的電壓水平均有不同程度提升。

圖6 富寧換流站STATCOM無功出力曲線

圖7 永富直流熄弧角

2)直流母線電壓在故障后迅速下跌至0.9 p.u.以下，富寧換流站熄弧角跌至7°以下，直流發生換相失敗。故障消失后富寧換流站熄弧角逐漸恢復，直流功率逐漸提升，直流功率在1.0 s左右達到額定功率。在故障過程中，STATCOM在故障發生20 ms后迅速響應，為系統提供電壓支撐，最大無功出力達到+322 Mvar；從仿真曲線可以看出，相較于無STATCOM時，富寧換流站500 kV交流母線電壓恢復更快，恢復后的電壓穩態值更高，直流功率換相失敗后的恢復過程也更快。

4 結 語

1)永富直流受端電網靜態電壓穩定分析：2018年豐大方式永富直流3 000 MW送電廣西時，文山地區的有功功率裕度為44.89%；永富直流3 000 MW送電云南時，文山地區的有功功率裕度為27.80%。上述兩種直流運行工況下，發生N-1、N-2故障后文山地區的有功功率裕度均滿足相關導則要求。

2)永富直流受端電網暫態穩定分析：永富直流3 000 MW送電廣西時，文山地區的有功功率裕度為109.9%；永富直流3 000 MW送電云南時，文山地區的有功功率裕度為13.3%，均滿足相關導則要求。永富直流送電云南時，500 kV紅河變電站—硯山變電站—富寧換流站線路發生N-2故障后，系統失穩，穩定水平較永富直流送電廣西時下降。

3)富寧換流站STATCOM對弱交流系統電壓穩定性影響：富寧換流站裝設3組±100 Mvar 容量的STATCOM裝置后，提升了文山地區這種典型的受端電網的無功儲備；同時STATCOM有著較快的響應速度，故障后為電網提供了較好的電壓支撐，使得直流在換相失敗后的恢復過程中更為迅速，富寧換流站STATCOM提高了文山地區電網的安全穩定水平。

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[7] 范成圍，陳剛，王曉茹. 大規模電力系統靜態電壓安全評估[J]. 電網技術, 2017，41(7):2263-2271.

Yongfu HVDC (YFDC) project is the first provincial HVDC project in China. As the receiving end of Yongfu HVDC, Funing inverter station is connected to weak AC system, and installed with fixed serial capacity (FSC) and STATCOM, which has brought challenge to the security analysis of power grid. Firstly continuation power flow method is used to analyze the voltage stability of the AC/DC power transmission system around YFDC. Then, time-domian simulation analysis is carried out to study the transient stability underN-1/N-2 contingencies. Finaly, the effects of STATCOM on the voltage stability of the AC/DC hybrid system is analyzed, which provides a new idea for the security analysis of the large-capacity HVDC connected to the weak AC system.

Yongfu HVDC project; voltage stability; static voltage stability; regional load active power margin; transient stability; STATCOM

TM712

A

1003-6954(2017)05-0010-05

曾雪松(1984 )，工程師，主要從事電力系統規劃與設計；

徐 志(1984)，高級工程師，主要研究方向為繼電保護與電能質量；

范文飛(1989)，助理工程師，主要從事電力系統規劃與設計；

伍文城(1977) ，高級工程師，主要研究方向為電力系統規劃、電力系統仿真技術及電力市場。

2017-08-14)