特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)外送系統(tǒng)故障對交流電壓的影響研究

王俊芳，高春輝，鄭博文，任 正，楊朋威

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

近期，中國提出“雙碳”目標［1］，要求加快能源轉(zhuǎn)型，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系［2］。電力系統(tǒng)連接電力生產(chǎn)和消費，是能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的主戰(zhàn)場之一。我國地域面積遼闊，且能源資源與消費逆向分布，76%煤炭分布在北部和西北部，80%風能分布在西部北部地區(qū)，80%水能分布在西南部，70%太陽能資源主要分布在西部地區(qū)和北部地區(qū)，而我國的用電負荷主要分布在經(jīng)濟比較發(fā)達的東部沿海地區(qū)。能源資源與用電負荷呈逆向分布，這使得我國必須進行大規(guī)模遠距離的電力輸送。

特高壓交直流輸電是進行大規(guī)模遠距離輸電的主要方式，且我國已基本形成以高壓輸電為骨干網(wǎng)架的交直流混聯(lián)電網(wǎng)［3］。交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)既能發(fā)揮直流和交流的各自優(yōu)勢，又能提高輸電能力，同時有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行［4?5］。但在交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)中，無論是直流通道閉鎖，還是交流通道故障，都會對交流系統(tǒng)電壓產(chǎn)生較大影響。目前，對于交直流混聯(lián)電網(wǎng)中交直流通道故障對系統(tǒng)電壓造成的影響，需要找出全部可能發(fā)生的故障，并對所有故障情況進行仿真計算，理論研究深度和取得的成果還遠遠不夠［6?20］。

針對上述問題，提出特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)外送系統(tǒng)故障對交流電壓的影響研究。通過理論計算分析了特高壓直流通道及交流通道故障對交流電壓的影響，基于PSASP 軟件搭建了錫盟地區(qū)特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)仿真模型，結(jié)合實例仿真驗證了理論計算結(jié)果的準確性及有效性，為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行電壓的控制提供理論指導，對交直流混聯(lián)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)數(shù)學模型

交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)數(shù)學模型可分為交直流并聯(lián)和非并聯(lián)輸電系統(tǒng)模型［21?22］。交直流并聯(lián)輸電系統(tǒng)模型如圖1 所示。其中，A 為送端交流系統(tǒng)，Pdc為直流輸送功率，Pac為交流輸送功率，B 為受端無窮大系統(tǒng)。

圖1 交直流并聯(lián)輸電系統(tǒng)模型

交直流非并聯(lián)輸電系統(tǒng)模型如圖2 所示，其中，A 為送端交流系統(tǒng)，Pdc為直流輸送功率，Pac為交流輸送功率，B 為直流輸電通道受端無窮大系統(tǒng)，C 為交流輸電通道受端無窮大系統(tǒng)。

圖2 交直流非并聯(lián)輸電系統(tǒng)模型

2 交直流外送通道故障對交流電壓的影響分析

2.1 直流閉鎖對交流電壓的影響分析

由圖1和圖2可知，無論是交直流并聯(lián)還是非并聯(lián)輸電系統(tǒng)模型，直流通道閉鎖后其輸送功率都將轉(zhuǎn)移至交流通道，致使交流通道潮流加重，沿線電壓下降。

交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)模型中交流通道集中參數(shù)簡化模型如圖3所示［23］。

圖3 交流通道集中參數(shù)簡化模型

圖3中，輸電線路阻抗為Z=R+jX，線路首端電壓為，線路末端電壓為，線路電流為，線路首端功率為S1=P1+jQ1，線路末端功率為S1=P2+jQ2。

由等值電路圖3可知，線路電壓降落為

若以首端電壓相量作為參考軸，令=U1∠0°，且已知電流和線路首端功率因數(shù)cosφ1，可作相量圖如圖4所示。

圖4 電壓降落相量圖

將電壓降落相量分解為與同方向的縱分量ΔU1，相垂直的橫分量σU1，于是有

線路的電壓降落可以表示為

在電力系統(tǒng)中，習慣用功率進行計算，如果用一相功率表示電流，即

用功率代替電流，可將式（2）改寫為

由圖4可知

將式（6）進行數(shù)學變換，可得線路末端電壓幅值U2與線路參數(shù)及線路輸送功率之間的關系為

式中：M可以為P、Q、R、X。

當U1>>ΔU1且U1>>σU1時，式（7）可以簡化為

由式（8）可知，線路參數(shù)及傳輸功率P、Q、R、X越大，末端電壓幅值下降速度越快。

當發(fā)生直流閉鎖或盈余功率轉(zhuǎn)移時，等效傳輸功率中的P增大，由式（8）和式（5）可知

換流母線到交流母線的等效電阻越大，直流閉鎖或盈余功率轉(zhuǎn)移時造成的交流母線電壓下降幅度越大。

2.2 交流故障對交流電壓的影響分析

由等值電路圖3 可知，若以作為參考軸，令=U2∠0°，且已知電流和線路末端功率因數(shù)cosφ2，可作相量圖如圖5所示。

圖5 電壓降落相量圖

將電壓降落相量分解為與同方向的縱分量ΔU2，相垂直的橫分量σU2，于是有

線路的電壓降落可以表示為

如果再用一相功率表示電流，即

用功率代替電流，可將式（10）改寫為

由圖5可知

將式（14）進行數(shù)學變換，可得首端電壓幅值U1與線路參數(shù)及輸送功率之間的關系為

若U2>>ΔU2且U2>>σU2時，式（15）可以簡化為

由式（16）可知，線路參數(shù)及輸送功率P、Q、R、X越大，首端電壓幅值升高速度越快。

當發(fā)生交流故障時，線路等效電抗X發(fā)生改變，由式（16）和式（13）可知

線路傳輸無功功率與首端電壓比值越大，交流斷線故障造成線路首端壓升越大。

3 錫盟地區(qū)特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)仿真建模

錫盟地區(qū)地廣人稀，煤炭和風電資源豐富，適宜大規(guī)模開發(fā)建設煤電和風電基地。目前以該端為送端系統(tǒng)，已建成“錫盟—泰州±800 kV特高壓直流”與“錫盟—山東特高壓交流”兩大跨區(qū)輸電工程，形成特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)。

基于PSASP 軟件對錫盟地區(qū)特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)進行建模。PSASP 軟件提供同步電機、勵磁調(diào)節(jié)器、原動機調(diào)速器、PSS、感應電動機及綜合動態(tài)負荷、靜態(tài)負荷、靜止無功補償器、直流輸電等電力系統(tǒng)常用模型，且具備圖模一體化支持平臺，通過調(diào)用元件模型、錄入數(shù)據(jù)、潮流計算即可形成地區(qū)電網(wǎng)模型，具體建模流程如圖6所示。

圖6 錫盟地區(qū)電網(wǎng)建模流程

圖7 錫盟地區(qū)電網(wǎng)模型

“錫盟—山東特高壓交流輸電工程”起于勝利特高壓變電站，通過勝錫雙回、錫廊雙回、廊河雙回、河泉雙回，止于山東泉城；“錫盟—泰州特高壓直流輸電工程”起于錫林浩特換流站，止于江蘇省泰州換流站，并通過勝林三回線接入勝利特高壓變電站。

4 系統(tǒng)仿真分析

以錫盟地區(qū)特高壓交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)為例，對特高壓交直流外送系統(tǒng)故障對交流電壓的影響進行仿真驗證。

在系統(tǒng)全接線、錫泰直流輸送功率1 300 MW 運行方式下，若錫泰直流發(fā)生雙極閉鎖，監(jiān)測錫盟、廊坊、海河的電壓變化，可得不同特高壓站母線電壓變化曲線如圖8所示。

圖8 直流雙極閉鎖對交流母線電壓的影響

由仿真結(jié)果可知，錫泰直流雙極閉鎖，海河穩(wěn)態(tài)壓降最大，廊坊次之，錫盟最小，符合本文所得結(jié)論：換流母線到交流母線的等效電阻越大，直流閉鎖時造成的交流母線電壓下降幅度越大。

在系統(tǒng)全接線、交流輸送無功功率與首端電壓比值分別為0.283、0.316、0.346 運行方式下，若勝錫I線錫盟側(cè)發(fā)生斷線故障，監(jiān)測勝利站電壓變化，可得不同線路傳輸無功功率與首端電壓比值情況下勝利特高壓站母線電壓變化曲線如圖9所示。

圖9 交流斷線故障對交流母線電壓的影響

由仿真結(jié)果可知，線路傳輸無功功率與首端電壓比值分別為0.283、0.316、0.346 時，發(fā)生交流單回斷線故障，線路首端穩(wěn)態(tài)壓升分別為14.32 kV、16.19 kV、17.49 kV，符合本文所得結(jié)論：線路傳輸無功功率與首端電壓比值越大，發(fā)生交流單回斷線故障線路首端壓升越大。

5 結(jié)語

對特高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)中外送通道故障對交流電壓的影響進行研究。直流閉鎖或盈余功率轉(zhuǎn)移造成交流母線電壓下降的幅度主要與換流母線到交流母線的等效電阻和交流母線的電壓水平相關，等效電阻越大、電壓水平越低，相同功率轉(zhuǎn)移造成的電壓下降幅度越大，以此能夠辨識相同直流閉鎖或功率轉(zhuǎn)移下電壓下降幅度最大的交流母線，以及對相同交流母線電壓影響最大的直流系統(tǒng)；交流斷線故障造成線路首端母線電壓上升的幅度主要與線路傳輸?shù)臒o功功率和交流母線自身的電壓水平相關，傳輸無功功率越大、電壓水平越低，交流斷線故障造成的首端穩(wěn)態(tài)壓升越大，以此能夠識別造成穩(wěn)態(tài)壓升最大的交流斷線故障。

研究結(jié)論為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行電壓的控制提供理論指導，對交直流混聯(lián)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。