特高壓直流輸電接入江西電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析

1、第28卷第6期2011年12月現(xiàn)代電力M o d e r n E l e c t r i c P o w e r V o l .28No .6D e c.2011文章編號(hào):1007-2322(201106-0017-06文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A中圖分類號(hào):TM 71特高壓直流輸電接入江西電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析蔡恒1,劉東興2,劉崇茹2,韓民曉2,王康2(1.江西省電力科學(xué)研究院,江西南昌330096;2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京102206D y n a m i c V o l t a g e S t a b i l i t y A n a l y s i s o n U H V D C A

2、c c e s s i n g t o J i a n g x i P o w e r G r i d C A I H e n g 1,L I U D o n g x i n g 2,L I U C h o n g r u 2,HA N M i n x i a o 2,WA N G K a n g2(1.J i a n g x i E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ,N a n c h a n g330096,C h i n a ;2.S c h o o l o f E l e c t r i c a l a

3、 n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ,N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 102206,C h i n a 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50807013;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(10Z G 02;教育部“111”引智項(xiàng)目(B 08013摘要:以特高壓直流輸電線路接入江西電網(wǎng)為背景,基于江西電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù),采用B P A 作為分析軟件,對(duì)江西省電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)合穩(wěn)定曲線分析工具,依據(jù)動(dòng)

4、態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果表明:江西電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所有500k V (除贛高安、贛蘆洲、贛新余外及其以上電壓等級(jí)交流線路發(fā)生三相短路故障,江西電網(wǎng)無(wú)需采取任何措施,江西省內(nèi)樞紐母線動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定;贛高安、贛蘆洲、贛新余分別發(fā)生三相短路故障后會(huì)引起贛換流母線電壓失穩(wěn),采用直流功率調(diào)制措施后失穩(wěn)現(xiàn)象消失;直流系統(tǒng)發(fā)生閉鎖故障后,贛換流母線電壓偏高,采取切除無(wú)功補(bǔ)償措施,母線電壓恢復(fù)正常。關(guān)鍵詞:特高壓直流輸電;動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定;直流功率調(diào)制;直流閉鎖A b s t r a c t :I n t h e b a c k g r o u n d o f U H V D C t r a n s m i s

5、s i o n l i n e a c c e s s i n g t o J i a n g x i p o w e r g r i d ,o n t h e b a s i s o f J i a n g x i p o w -e r s y s t e m p l a n n i n g d a t a ,t h e d y n a m i c v o l t a g e s t a b i l i t y o f J i a n g x i p o w e r g r i d i s a n a l y z e d b y u s i n g o f B P A.W i t h s t

6、 a b l e c u r v e a n a l y s i s t o o l ,b a s e d o n d y n a m i c v o l t a g e s t a b i l i t y c r i t e -r i o n ,s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h r e e -p h a s e s h o r t c i r c u i t f a u l t o c c u r s o n a l l t h e 500k V a n d a b o v e t r a n s m

7、i s s i o n l i n e s i n J i a n g x i g r i d s y s t e m (e x c e pt G a n G a o a n ,G a n L u z h o u ,G a n X i n y u ,n o m e a s u r e s n e e d t o b e t a k e n f o r J i a n g x i p o w e r g r i d ,a n d t h e d y n a m i c v o l t a g e o f t h e h u b b u -s e s i s s t a b l e .V o l

8、t a g e i n s t a b i l i t y o c c u r s i n G a n c o n v e r t e r b u s w h e n t h r e e -p h a s e s h o r t c i r c u i t f a u l t o c c u r s i n G a n G a o a n ,G a n L u z h o u ,o r G a n X i n y u ,a n d t h e i n s t a b i l i t y d i s a p p e a r s b y D C p o w e r m o d u l a t i

9、o n .T h e v o l t a g e l e v e l o f G a n c o n v e r t -e r b u s i s s l i g h t l y h i g h e r w h e n b l o c k f a u l t o c c u r i n g i n D C s y s -t e m ,a n d t h e v o l t a g e l e v e l r e c o v e d t o s t a n d a r d n o r m a l b y r e -m o v i n g r e a c t i v e p o w e r c o

10、 m p e n s a t i o n .K e y w o r d s :U H V D C ;d y n a m i c v o l t a g e s t a b i l i t y ;D C p o w e r m o d u l a t i o n ;D C b l oc k 0引言通過采用高壓直流輸電技術(shù),能夠緩解原有高壓交流輸電網(wǎng)絡(luò)高短路電流水平這一不利的情況,同時(shí)直流線路也對(duì)兩側(cè)交流線路中的振蕩起一定的阻尼作用,但交直流相互作用產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象也值得重視1。正常工作時(shí),換流站需要吸收大量的無(wú)功功率,大約為直流輸送功率的50%60%2,雖然這部分功率一般由換流站自身的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)

11、備提供,但是直流線路無(wú)功功率波動(dòng)將會(huì)引起換流母線電壓出現(xiàn)較大波動(dòng),直流線路的輸送距離和功率增加使得交直流母線電壓穩(wěn)定問題日益嚴(yán)重3。根據(jù)擾動(dòng)的大小,動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定可以分為小擾動(dòng)穩(wěn)定和大擾動(dòng)穩(wěn)定,根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短,動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定包括暫態(tài)穩(wěn)定、中期穩(wěn)定和長(zhǎng)期穩(wěn)定4。動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析的具體方法主要有3種:特征分析法,方法通過求解線性化狀態(tài)方程系數(shù)矩陣的特征值及特征向量,然后求解出特征值的相關(guān)因子和相關(guān)比,可以得出與系統(tǒng)穩(wěn)定相關(guān)的信息,幫助分析失穩(wěn)的原因,進(jìn)而提出預(yù)防和控制電壓失穩(wěn)的策略5;動(dòng)態(tài)最大功率曲線法,該方法與靜態(tài)最大功率法不同的是考慮直流線路、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁參數(shù)、控制裝置等動(dòng)態(tài)模型對(duì)于直流線路最

12、大傳輸功率的影響6;時(shí)域仿真法,該方法一般適用于分析大擾動(dòng)下系統(tǒng)的暫態(tài)或中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定性,以潮流計(jì)算得到的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)作為模型的平衡點(diǎn),通過一階線性化手段得出系統(tǒng)線性化模型,并利用時(shí)域積分方法得到小擾動(dòng)下系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓隨時(shí)間變化的曲線7。判斷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定問題,可以通過建立系統(tǒng)D D A E (D i f f e r e n c e D i f f e r e n t i a l A l ge b r a i c E -qu a t i o n s 模型的方法,利用差分方程可以考慮到系統(tǒng)實(shí)際正常運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性,尤其是系統(tǒng)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)元件(如發(fā)電機(jī)和自動(dòng)化控制設(shè)備(如勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等,利

13、用代數(shù)方程能夠合適地描述網(wǎng)絡(luò)中靜態(tài)元件的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性(如變壓器、輸電線路、無(wú)功補(bǔ)償電容等,目前對(duì)這些元件在系統(tǒng)崩潰故障中的作用情況缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析的理論和方法還有待更深的發(fā)展,一般利用時(shí)域仿真的方法判斷系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)是否會(huì)出現(xiàn)持續(xù)低于電壓允許值下限的情況8。本文采用時(shí)域仿真法,通過B P A 仿真軟件進(jìn)行特高壓接入后江西電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析。1動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)本文采用時(shí)域仿真法,其動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù):樞紐母線電壓低于0.75(p.u .,持續(xù)時(shí)間0.8s 以內(nèi):穩(wěn)定。樞紐母線電壓低于0.75(p .u .,持續(xù)時(shí)間0.81.0s 范圍內(nèi):臨界穩(wěn)定。樞紐母線電壓低于0.75(p .u

14、 .,持續(xù)時(shí)間1.0s 以上:不穩(wěn)定。此外,本文還引入動(dòng)態(tài)過電壓判據(jù)如圖1所示。其中橫坐標(biāo)為允許過電壓持續(xù)時(shí)間,縱坐標(biāo)為交流電壓的標(biāo)幺有效值 。圖1動(dòng)態(tài)過電壓判據(jù)2交直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定控制方案在發(fā)電機(jī)輸出功率和負(fù)荷調(diào)節(jié)方式給定的情況下,提高交直流聯(lián)合系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平的交流側(cè)控制措施主要有切負(fù)荷、投切無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無(wú)功輸出和調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器(O L T C 的抽頭等。直流側(cè)控制措施主要有改變換流站無(wú)功補(bǔ)償容量、減小整流側(cè)換流變壓器變比、增加逆變側(cè)換流變壓器變比,減少整流器的給定電流值和逆變器的給定熄弧角以及直流功率調(diào)制。本文主要考慮交直流系統(tǒng)直流側(cè)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定控制措施中

15、的直流功率調(diào)制和換流站投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。實(shí)際直流輸電工程中,直流線路被設(shè)計(jì)具有1.1倍的長(zhǎng)期過載能力和3s 的1.5倍短時(shí)過載能力,這使得直流系統(tǒng)具備很強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。當(dāng)兩端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),直流線路可以利用過載能力快速地彌補(bǔ)交流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)由于故障出現(xiàn)的功率缺額,減少安保措施切除的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的數(shù)量,不僅提供系統(tǒng)的供電可靠性,而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定能力,并從源頭上避免了由功率失衡引起的電壓波動(dòng)和低電壓持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)的現(xiàn)象出現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中,直流功率調(diào)制可分為小方式調(diào)制、大方式調(diào)制和雙側(cè)頻率調(diào)制。根據(jù)江西電網(wǎng)的特點(diǎn)主要研究大方式功率調(diào)制對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響,其控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示9 。圖2大方式直

16、流調(diào)制原理框圖大方式調(diào)制的輸出信號(hào)為直流功率調(diào)制信號(hào),主要作用是向系統(tǒng)同步功率支持,消除故障后交流線路上的功率振蕩,除了增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼外,還可以擴(kuò)展系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限,保障系統(tǒng)在大擾動(dòng)情況下穩(wěn)定運(yùn)行,調(diào)制幅度一般為直流功率的20%50%。對(duì)于兩端直流輸電系統(tǒng),整流側(cè)和逆變側(cè)的直流功率分別為P d r =U d r I d (1P d i =U d i I d(2式中:U d r 和U d i 分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電壓,可由式(3和式(4表示:U d r =K r (1.35U r c o s -3I d X r /(3U d i =K i (1.35U i c o s -3I dX i /(

17、4而直流電流I d 可由式(5表示:81現(xiàn)代電力2011年I d=U d r-U d iR c r+R L-R c i(5式中:Ur 和Ui分別為整流器和逆變器換流變壓器閥側(cè)空載線電壓;Xr 和Xi分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的換相電抗;Kr 和Ki分別為整流側(cè)和逆變側(cè)單極六脈動(dòng)換流橋數(shù);Rc r 和Rc i分別為整流器和逆變器的等效換相電阻;RL為直流線路的等效電阻。由式(1(5可見,通過改變和可以改變直流電流,從而調(diào)整直流傳輸功率。換流器吸收的無(wú)功功率可表示為Q c=P d t a n(6式中:為換流器的功率因數(shù)角,即c o s=Ud c/U a c(7式中:Ud c 和Ua c分別為直流電壓和交

18、流電壓標(biāo)幺值。換流器吸收的無(wú)功功率與直流輸送的有功功率的關(guān)系由式(6確定。3算例分析3.1電網(wǎng)結(jié)構(gòu)到2015年,根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃,江西省電網(wǎng)主要由500k V/220k V為主,其中500k V線路主要集中在江西省北部,主要按東西分布,由500k V 主干線路形成局部小環(huán)或條狀結(jié)構(gòu),并通過兩回1000k V線路和兩條500k V線路與湖北省電網(wǎng)相連,這3條線路分別是武漢南昌、黃石永修、咸寧夢(mèng)山。整個(gè)江西境內(nèi)500k V電網(wǎng)網(wǎng)架以環(huán)網(wǎng)為主,通過2回500k V線路將贛南與贛北地區(qū)電網(wǎng)相連接,這樣江西省內(nèi)電網(wǎng)形成了一個(gè)穩(wěn)固并且可靠性高的輸電網(wǎng)絡(luò)。到2016年,蒙西新昌±800k V特高壓

19、直流線路將建成,以雙極運(yùn)行的方式傳輸功率,額定運(yùn)行功率為7500MW,這條線路建成以后將加強(qiáng)江西電網(wǎng)與其他地區(qū)電網(wǎng)的聯(lián)系。3.2仿真條件和工具按照電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則與國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算規(guī)定,結(jié)合江西電網(wǎng)具體要求,本文在分析江西電網(wǎng)超高壓直流系統(tǒng)受端交流母線電壓穩(wěn)定問題時(shí),所設(shè)置的主要故障為:任意一回1000k V或500k V線路單回線單相永久性故障重合不成功及無(wú)故障三相斷開不重合;直流線路發(fā)生單極閉鎖和雙極閉鎖。主要針對(duì)與贛換流母線連接的3條交流線路,江西省內(nèi)其他交流線路故障和直流線路故障進(jìn)行仿真。仿真工具為電力系統(tǒng)綜合分析計(jì)算軟件B P A。3.3仿真結(jié)果分析 。圖32016年

20、夏大方式贛換流贛蘆洲50雙回線路單回線發(fā)生三相短路故障、另一回線路連鎖跳閘故障(贛換流側(cè)故障換流站500k V側(cè)母線正序電壓1.01.12(p.u.。電壓曲線如圖4。通過仿真分析,其余江西內(nèi)500k V交流線路發(fā)生故障后,不需要采取任何措施,各樞紐母線電91第6期蔡恒等:特高壓直流輸電接入江西電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析 圖42016年夏大方式贛換流贛高安50雙回線路單回線發(fā)生三相短路故障、另一回線路連鎖跳閘故障(贛換流側(cè)故障換流站500k V 側(cè)母線正序電壓圖52016年夏大方式贛換流贛新余50雙回線路單回線發(fā)生三相短路故障、另一回線路連鎖跳閘故障(贛換流側(cè)故障換流站500k V側(cè)母線正序電壓針對(duì)上

21、述3種情況,采用直流功率調(diào)制將功率提升為1.1(p.u.。仿真結(jié)果如圖68。特高壓直流10周波時(shí)發(fā)生單極閉鎖,不采取任何措施,江西省內(nèi)各樞紐母線電壓均高于0.75(p.u.,贛換流母線電壓過高,電壓失穩(wěn),而且一直處于波動(dòng)中,波動(dòng)范圍:1.181.22 (p.u.,如圖9所示。針對(duì)這種情況,在發(fā)生單極閉鎖后,0.06s后送端切除無(wú)功補(bǔ)償1750MV a r, 受端切除無(wú)功補(bǔ)償圖6贛換流贛蘆洲50發(fā)生故障,直流功率提升到1.1(p.u.,換流站500k V 側(cè)母線正序電壓圖7贛換流贛高安50發(fā)生故障,直流功率提升到1.1(p.u.,換流站500k V 側(cè)母線正序電壓圖8贛換流贛新余50發(fā)生故障,直

22、流功率提升到1.1(p.u.,換流站500k V側(cè)母線正序電壓2500MV a r,江西省內(nèi)各樞紐母線電壓均高于0.75 (p.u.,電壓最低節(jié)點(diǎn)是N a n C HM,電壓大小是0.9619(p.u.,贛換流母線電壓波動(dòng)消失,穩(wěn)定值為1.07(p.u.,系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定,如圖10所示。2現(xiàn)代電力2011年 圖92016年夏大方式蒙西-江西特高壓直流單極閉鎖故障時(shí),換流站500k V 側(cè)母線正序電壓圖102016年夏大方式蒙西-江西特高壓直流單極閉鎖故障時(shí),采用切除無(wú)功補(bǔ)償措施換流站500k V側(cè)母線正序電壓特高壓直流10周波時(shí)發(fā)生雙極閉鎖,不采取任何措施,江西省內(nèi)各樞紐母線電壓均高于0.75

23、(p.u.,贛換流母線電壓過高,電壓失穩(wěn),而且一直處于波動(dòng)中,波動(dòng)范圍:1.251.28 (p.u.,如圖11所示。針對(duì)這種情況,在發(fā)生雙極極閉鎖后0.06s后送端切除無(wú)功3500MV a r,受端切除無(wú)功5000MV a r,江西省內(nèi)各樞紐母線電壓均高于0.75 (p.u.,電壓最低節(jié)點(diǎn)是贛瑞金50,電壓大小是0.8505(p.u.,贛換流母線電壓波動(dòng)消失,穩(wěn)定值為1.05(p.u.,系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定,如圖12所示。4結(jié)論從本文的仿真計(jì)算分析,可以得到以下結(jié)論:在夏大運(yùn)行方式下,江西電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所 有圖112016年夏大方式蒙西-江西特高壓直流雙極閉鎖故障時(shí),換流站500k V 側(cè)母線正序電壓

24、圖122016年夏大方式蒙西-江西特高壓直流雙極閉鎖故障時(shí),采用切除無(wú)功補(bǔ)償措施換流站500k V側(cè)母線正序電壓500k V及其以上電壓等級(jí)交流線路(除了贛高安、贛蘆洲、贛新余外發(fā)生三相短路故障(包括0.1s 跳開故障線路及0.1s同時(shí)跳開同桿雙回線路后,江西電網(wǎng)無(wú)需采取任何措施,贛換流母線的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定。在夏大運(yùn)行方式下,直流系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖故障后,切除閉鎖極側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償,雙極閉鎖故障后,切除換流站的全部無(wú)功補(bǔ)償,贛換流站母線動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定。12第6期蔡恒等:特高壓直流輸電接入江西電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析 參 考 文 獻(xiàn) 現(xiàn)代電力 年 北京：水利電力出版社， 趙畹君 高壓直流輸電工程技 術(shù) 北 京： 中 國(guó) 電力出版社， 徐梅梅，李興源，白 加 林， 等 交 直 流 并 聯(lián) 系 統(tǒng) 的 換流母線電壓 穩(wěn) 定 性 分 析 電 力 系 統(tǒng) 自 動(dòng) 化， ， （ ） ： 周保榮，金小明，吳 小 辰，等 特 高 壓 直 流 對(duì) 交 直 流 并 聯(lián) 電 網(wǎng) 安 全 穩(wěn) 定 影 響 南 方 電 網(wǎng) 技 術(shù)， ， ： （ ）