交直流混合輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

交直流混合輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

0交直流混合輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行難點(diǎn)及對(duì)策交通流混合輸送線系統(tǒng)在促進(jìn)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)方面發(fā)揮著重要作用。其運(yùn)營(yíng)規(guī)律是目前能源領(lǐng)域研究的重要課題之一。2001-06-26500kV天廣直流雙極投運(yùn),成為世界上10多例交直流并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)之一,且系統(tǒng)容量、輸送功率之大乃世界罕見。大規(guī)模交直流混合輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)難點(diǎn)較多。總結(jié)運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),開展這方面的理論研究,掌握交直流混合輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行規(guī)律,對(duì)于保證南方電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文通過介紹天廣交直系統(tǒng)運(yùn)行以來幾次比較大的事件,特別是對(duì)2006-06-23羅馬線區(qū)外故障引發(fā)天廣直流雙極閉鎖的保護(hù)動(dòng)作、直流運(yùn)行特性的分析,引申提出直流輸電工程需要認(rèn)真研究解決的幾個(gè)問題。1直流系統(tǒng)運(yùn)行分析天廣直流雙極投運(yùn)后總體運(yùn)行情況良好,在歷年的迎峰度夏期間長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行,截至2006年6月底累積外送電量32.1GWh,為南方電網(wǎng)的電力供應(yīng)做出重大貢獻(xiàn)。南方電網(wǎng)交直流混合運(yùn)行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形成了較強(qiáng)的輸電系統(tǒng)(見圖1),在系統(tǒng)故障情況下交直流系統(tǒng)互相支援,可以分散受電方的電力損失風(fēng)險(xiǎn),提高電網(wǎng)安全運(yùn)行穩(wěn)定能力。2001-03-08天平雙回跳閘,西部網(wǎng)與東部網(wǎng)以天廣直流雙極帶500MW互聯(lián)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行;2001-05-07天平一回線檢修,天生橋地區(qū)雷擊導(dǎo)致天平二回線和天貴線跳閘,云南電網(wǎng)與東部電網(wǎng)通過直流系統(tǒng)互聯(lián)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。兩次事故中直流系統(tǒng)的PSD動(dòng)作,為廣東電網(wǎng)提供了重要的電力支援,對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定起到了重要作用。交直流混合運(yùn)行后,直流系統(tǒng)的調(diào)制功能可以抵消電力系統(tǒng)擾動(dòng)引起的功率變化,還具有隨交流頻率、系統(tǒng)電壓變化及時(shí)調(diào)整、起到抑制系統(tǒng)低頻振蕩的作用。但是交直流混和運(yùn)行也有一些新的特點(diǎn)并帶來一些新的問題。(1)天生橋系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要為:①直流輸電系統(tǒng)故障對(duì)交流穩(wěn)定沖擊,特別是雙極閉鎖沖擊很大。如2001-08-14直流雙極閉鎖,甩負(fù)荷1550MW。天生橋一級(jí)電廠切機(jī)4臺(tái)共1150MW,并解列云南電網(wǎng),系統(tǒng)低周達(dá)49.54Hz。天平線潮流由1480MW增加到1620MW,天廣交流沿線電壓短時(shí)大幅下降,梧州電壓由523kV降為508kV。②直流輸電系統(tǒng)接地極電流入侵交流變壓器會(huì)導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流畸變。(2)直流系統(tǒng)存在問題突出表現(xiàn)為:①逆變站附近的交流線路發(fā)生接地故障,經(jīng)常造成換相失敗。如2006年7月增城一回線單相故障導(dǎo)致天廣、貴廣、三廣3條直流同時(shí)換相失敗等。②交直流系統(tǒng)混合運(yùn)行的保護(hù)配合問題研究不夠深入,存在定值不當(dāng)、直流保護(hù)系統(tǒng)考慮不周等,發(fā)生過交流系統(tǒng)故障引起直流系統(tǒng)未避開區(qū)外故障而雙極閉鎖的事故。典型事故為2004-04-04直流區(qū)外馬窩站原220kV羅馬線故障,由于天廣直流極Ⅰ、極Ⅱ換流變小差保護(hù)(KBCH130)的電流濾波回路設(shè)置有缺陷(電流濾波回路中,換流變?nèi)切蛡?cè)電流輸入未接入零序?yàn)V波器),而造成雙極閉鎖,甩負(fù)荷1400MW,天生橋一級(jí)電廠切機(jī)3臺(tái)共900MW,并解列云南電網(wǎng),系統(tǒng)低周達(dá)49.41Hz。2006-06-23500kV羅馬線區(qū)外故障,交直流系統(tǒng)保護(hù)定值配合不當(dāng)導(dǎo)致天廣直流雙極閉鎖。2交流電壓下降交流系統(tǒng)故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響是通過加在換流器上的換相電壓變化而起作用。交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),交流電壓下降的速度、幅度以及相位的變化都會(huì)影響直流系統(tǒng)的運(yùn)行。下面以2006-06-23羅馬線區(qū)外故障引發(fā)天廣直流雙極閉鎖事件為例,分析其保護(hù)動(dòng)作情況和直流系統(tǒng)運(yùn)行特性。2.1關(guān)閉過程2.1.1交流場(chǎng)及直流南方電網(wǎng)西部通道全接線運(yùn)行(見圖1),馬窩換流站220kV和500kV交流場(chǎng)以全接線方式運(yùn)行。天廣直流雙極以定功率方式帶1440MW運(yùn)行,盤天線帶-98MW(潮流向天二電廠),天廣一、二、三、四回分別帶593MW、596MW、313MW、936MW。天生橋地區(qū)西電東送3878MW。2.1.2錯(cuò)誤消息(1)流保護(hù)基頻保護(hù)段04:36:26.411s,馬窩站天廣直流系統(tǒng)極Ⅰ、極Ⅱ各自的3套直流保護(hù)基頻保護(hù)Ⅰ段均告警。04:36:27.156s,直流極Ⅰ、極Ⅱ換流變零序過流保護(hù)(7SJ711)出口,天廣直流雙極閉鎖。04:36:27.215s,極Ⅰ、極Ⅱ各自的3套直流保護(hù)基頻保護(hù)Ⅱ段均出口。(2)500kv通信工作站信息04:36:27s,500kV羅馬線LFP902D保護(hù)和LFP901D保護(hù)A相接地距離II段均出口跳閘。(3)保護(hù)及2-距離iii動(dòng)作羅馬線主一保護(hù)(R561):A、B、C三相跳閘;PHS-STFW-A;ZM2(距離II)動(dòng)作;ARBLOCK。羅馬線主二保護(hù)(LFP902D):A、B、C三相跳閘;1016ms;Z2(距離II)動(dòng)作;A故障;測(cè)距77.3km。羅馬線主三保護(hù)(LFP901D):A、B、C三相跳閘;1016ms;Z2(距離II)動(dòng)作;A故障;測(cè)距78.3km。2.1.3天廣直流雙極0mw500kV羅馬線跳閘、天廣直流雙極閉鎖后,系統(tǒng)潮流為:盤天線125MW(潮流向盤電),天廣一、二、三、四回分別帶879、886、882、0MW,天廣直流雙極0MW,天生橋地區(qū)西電東送2647MW(不包括盤天線),減少1579MW。2.2直流系統(tǒng)正常運(yùn)行維護(hù)直流雙極閉鎖后分析認(rèn)為:500kV羅馬線3套主保護(hù)的后備保護(hù)距離二段同時(shí)動(dòng)作,說明發(fā)生了區(qū)外故障,故障點(diǎn)未能及時(shí)切除,造成羅馬線后備保護(hù)動(dòng)作;直流系統(tǒng)100Hz基頻保護(hù)Ⅰ、Ⅱ段分別動(dòng)作,直流電流出現(xiàn)振蕩,表明交流系統(tǒng)發(fā)生了激烈擾動(dòng);同時(shí),系統(tǒng)出現(xiàn)零序電流,導(dǎo)致?lián)Q流變中性點(diǎn)零序過流保護(hù)動(dòng)作,而換流變其它保護(hù)未動(dòng)作,初步判斷換流變發(fā)生故障可能性較小,本次直流閉鎖應(yīng)是由于交流系統(tǒng)發(fā)生激烈擾動(dòng)所致,在切除交流故障點(diǎn),系統(tǒng)擾動(dòng)消除后可盡快恢復(fù)直流系統(tǒng)運(yùn)行。在分析故障同時(shí),為及時(shí)恢復(fù)直流系統(tǒng)運(yùn)行,現(xiàn)場(chǎng)立即檢查換流變等設(shè)備,未發(fā)現(xiàn)異常。直流閉鎖40min后恢復(fù)正常運(yùn)行。2.3直流保護(hù)行為與直流運(yùn)行性能的分析2.3.1動(dòng)保護(hù)故障判斷由羅馬線故障錄波(見圖3)可見,4:35:26.148s,羅馬線保護(hù)檢測(cè)到A相接地故障,A相電流增加、電壓下降,產(chǎn)生零序電流。主一、主二高頻距離未收到對(duì)側(cè)允許信號(hào),主一電流差動(dòng)保護(hù)未啟動(dòng),故障發(fā)生1.016s后,羅馬線主一保護(hù)REL561的后備保護(hù)距離Ⅱ段、主二保護(hù)(LFP-902D)的后備保護(hù)距離Ⅱ段、主三保護(hù)(LFP-901D)的后備保護(hù)距離Ⅱ段均出口跳閘切除故障。REL561保護(hù)接地距離二段正序電阻定值11.57Ω,動(dòng)作時(shí)間1.00s;LFP-902D保護(hù)接地距離二段電阻定值11.7Ω,動(dòng)作時(shí)間1.00s;LFP-901D保護(hù)接地距離二段電阻定值11.7Ω,動(dòng)作時(shí)間1.00s。羅馬線全長(zhǎng)87.19km,主二、主三保護(hù)測(cè)距分別為77.3、78.3km,均判斷A相故障。羅馬線保護(hù)正確動(dòng)作。2.3.2不平衡換相機(jī)變工況分析(1)天廣直流換流器正?？刂?見圖4a):整流側(cè)(天側(cè))以定電流控制、最小觸發(fā)角αmin限制,逆變側(cè)(廣側(cè))以定電壓控制,直流系統(tǒng)運(yùn)行于A點(diǎn)。(2)6月23日羅馬線A相發(fā)生區(qū)外單相接地故障時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)生較大的零序電流分量,系統(tǒng)E1下降。根據(jù)理論計(jì)算公式:Udl=1.35E1cosα-(3/π)Xγ1Id,系統(tǒng)E1下降將導(dǎo)致直流電壓Udl下降,而引起直流電流下降。故障時(shí)直流電流下降。為穩(wěn)定電流,天側(cè)直流系統(tǒng)觸發(fā)角迅速移相,α角降至最小觸發(fā)角(5°),整流站轉(zhuǎn)換為最小觸發(fā)角αmin控制,直流電流仍未恢復(fù)到對(duì)應(yīng)的功率設(shè)定值(1440MW),此時(shí),逆變站由定電壓轉(zhuǎn)換為定電流控制,直流系統(tǒng)帶1296MW運(yùn)行(90%Idref)。天廣直流系統(tǒng)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)換為B點(diǎn)運(yùn)行(見圖4b)。天廣直流仍處于穩(wěn)定運(yùn)行工況。(3)由于不平衡換相電壓的影響,在直流系統(tǒng)中產(chǎn)生100Hz基頻,從故障錄波中(見圖5)可以看出,直流電流、電壓均出現(xiàn)明顯的交流分量波動(dòng),400ms內(nèi)有40個(gè)周波即100Hz的波動(dòng)。此時(shí),極Ⅰ、極Ⅱ各自的3套直流保護(hù)基頻保護(hù)Ⅰ段均啟動(dòng),經(jīng)過約300ms的延時(shí)后,觸發(fā)直流系統(tǒng)降電流指令(定值為30%Idref)。觸發(fā)角α移相至約22°運(yùn)行(見圖6),直流功率降為430MW運(yùn)行。天廣直流仍處于穩(wěn)定運(yùn)行工況。2.3.3極、極的電路設(shè)計(jì)故障錄波表明(見圖7),羅馬線A相故障時(shí),直流極Ⅰ、極Ⅱ換流變的零序過流保護(hù)(7SJ711)均檢測(cè)到零序電流。極Ⅰ、極Ⅱ換流變的零序電流均為0.28A,超過啟動(dòng)值(定值0.20A)。到達(dá)延時(shí)(1s)后動(dòng)作,極Ⅰ、極Ⅱ換流變的零序過流保護(hù)均出口,跳各自的進(jìn)線開關(guān),分別啟動(dòng)極Ⅰ、極Ⅱ的ESOF順序。直流極控系統(tǒng)收到ESOF命令后立即移相到120°(見圖5),同時(shí)向?qū)?cè)發(fā)出ESOF命令,直流電流很快降為零,直流線路呈線路電容放電狀態(tài)緩慢下降,逆變站收到ESOF命令,將觸發(fā)角限定在160°。直流雙極轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)。直流系統(tǒng)100Hz基頻保護(hù)Ⅱ段,到達(dá)延時(shí)(1s)后也動(dòng)作出口,從直流工作站SER(見圖2)看,比換流變零序過流保護(hù)(7SJ711)約晚50ms。2.3.4hs基頻保護(hù)羅馬線A相發(fā)生區(qū)外故障,系統(tǒng)未能及時(shí)切除故障點(diǎn),羅馬線后備保護(hù)動(dòng)作出口,同時(shí),由于換流變零序過流保護(hù)、直流100Hz基頻保護(hù)與羅馬線后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間相同,換流變零序過流保護(hù)動(dòng)作出口,導(dǎo)致直流雙極閉鎖。羅馬線保護(hù)和直流系統(tǒng)保護(hù)均正確動(dòng)作,但擴(kuò)大了事故。天廣直流系統(tǒng)在故障時(shí)期處于穩(wěn)定運(yùn)行工況,達(dá)到了天廣直流系統(tǒng)固有的運(yùn)行特性,并且在直流閉鎖前已經(jīng)降額30%運(yùn)行,為直流閉鎖后系統(tǒng)的穩(wěn)定提供了有力