直流輸電線路雙極關(guān)閉故障暫態(tài)穩(wěn)定性分析

直流輸電線路雙極關(guān)閉故障暫態(tài)穩(wěn)定性分析

0直流輸電故障穩(wěn)定性分析南方電網(wǎng)由端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)組成。發(fā)端包括云南、貴州、廣西三省區(qū),受端則為經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)、用電需求量較高的廣東省以及港澳地區(qū)。兩部分之間通過聯(lián)絡(luò)線,從發(fā)端向受端輸送大量功率。由于直流輸電具有調(diào)節(jié)速度快、運行可靠、線路有功損耗小、相同的線路走廊輸送容量更大等優(yōu)點,適用于遠(yuǎn)距離、大容量輸電以及大區(qū)交流電網(wǎng)的互聯(lián)。根據(jù)2015年南方電網(wǎng)的規(guī)劃,作為“西電東送”南線通道的落點,將有6條直流線路饋入廣東電網(wǎng),形成多饋入的交直流混合電網(wǎng)。這6條直流線路分別是:天廣、三廣、貴廣1、貴廣2、云廣1和云廣2。在很短的電氣距離內(nèi)共有6個直流換流變電站,這么多直流集中輸電在國際上也是很罕見的。預(yù)計到2015年,南方電網(wǎng)(含海南省、香港特別行政區(qū))發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)127.2GW,其中廣東電網(wǎng)(含海南省、香港特別行政區(qū))總裝機(jī)容量約占47.9%,貴州電網(wǎng)總裝機(jī)容量約占21.5%,云南電網(wǎng)總裝機(jī)容量約占18.0%,廣西電網(wǎng)總裝機(jī)容量約占12.6%。而6條直流輸電的總送電容量也達(dá)到20.8GW。直流輸電對受端系統(tǒng)穩(wěn)定問題有3個特點:通道上的輸電功率比交流通道兩回輸電線同時故障的概率要大;非故障的直流一般具有恒功率特性;故障后的不平衡功率不能由其他正常運行的直流線路分擔(dān),而是由交流輸電聯(lián)絡(luò)線分擔(dān)。技術(shù)分析說明,直流輸電故障是負(fù)荷中心暫態(tài)電壓不穩(wěn)定的重要起因。在直流雙極閉鎖故障下,有很多常用策略來提高電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性,例如直流功率提升、發(fā)電端切機(jī)等。本文提出一種保留故障直流換流站處電容器的方法,來提高故障下的暫態(tài)穩(wěn)定性。通過仿真分析,說明其可行性。1直流開關(guān)故障穩(wěn)定性本研究分別對饋入廣東電網(wǎng)的6條直流線路即天廣(1.8GW)、三廣(3GW)、貴廣1(3GW)、貴廣2(3GW)、云廣1(5GW)和云廣2(5GW)進(jìn)行直流閉鎖故障仿真。電壓穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)取為:電壓低于0.75(標(biāo)幺值)的時間不超過1s。設(shè)定的直流雙極閉鎖故障是將直流線路從系統(tǒng)切除,連帶切除換流站補(bǔ)償電容器組。1.1直流線路輸送容量取負(fù)荷類型為:70%靜負(fù)荷、30%動負(fù)荷。仿真結(jié)果如表1所示?？梢?直流線路的輸送容量越大,直流閉鎖后的穩(wěn)定性越差。對于容量為5GW的云廣1、云廣2,在直流閉鎖故障下會發(fā)生暫態(tài)電壓不穩(wěn)定。1.2啟動時的旋轉(zhuǎn)由圖1可以看出,在故障下發(fā)端轉(zhuǎn)速提高進(jìn)而失步。2受端電壓仿真結(jié)果根據(jù)電力系統(tǒng)理論,如圖2所示,在某一條直流線路發(fā)生雙極閉鎖后,瞬時大量的有功功率無法通過此直流線路輸送,系統(tǒng)潮流進(jìn)行了重新分配。這一部分缺額功率由正常運行的交流聯(lián)絡(luò)線路承擔(dān)。交流聯(lián)絡(luò)線路上的輸送功率P將提高,線路注入受端電網(wǎng)的電流I也大為提高。由于Q=I2X,因此受端電網(wǎng)在故障下無功需求急劇增大。在原有的網(wǎng)絡(luò)條件下,缺乏交流落點處額外的無功補(bǔ)償,導(dǎo)致受端電壓最初下降,發(fā)端功率無法送出,發(fā)端發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高甚至失步。下面的仿真結(jié)果也驗證了上述理論分析的結(jié)論。取貴廣1直流閉鎖故障,監(jiān)視貴州與廣東交流聯(lián)絡(luò)線上功率與電流以及受端母線電壓的變化如圖3、圖4所示。由圖3可以看到,貴廣1在故障后1s處,貴州與廣東交流聯(lián)絡(luò)線上的P,I均提高。驗證說明了交流聯(lián)絡(luò)線路承擔(dān)了故障直流線路的輸送容量。而且在3s時,受端電網(wǎng)電壓跌落到最低點(見圖4),交流聯(lián)絡(luò)線路上的電流同時也是最大值(見圖3),說明注入受端電網(wǎng)電流的升高,導(dǎo)致了電壓的下降,即交流聯(lián)絡(luò)線注入電流的升高是電壓降低的最初原因。一旦電壓開始降低,受端電網(wǎng)中電動機(jī)負(fù)荷的無功需求開始增加,同時,固定電容器提供的無功補(bǔ)償開始減小。在這種情況下,全網(wǎng)電壓進(jìn)一步降低。因此,在直流閉鎖故障下,電網(wǎng)的主要穩(wěn)定問題是暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題。3在雙極封閉失敗下維護(hù)補(bǔ)償容量的對策3.1電容器組反滲透膜治療為了在直流雙極閉鎖的情況下提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性,使系統(tǒng)能夠正常運行,需要采取必要的措施。常用措施包括:發(fā)電端切機(jī)、提升正常運行直流線路的功率等。本文探索提出了一種新的措施:在直流閉鎖故障后,保留故障線路換流站交流母線處的補(bǔ)償電容器組。在這種措施下,當(dāng)某條直流線路發(fā)生雙極閉鎖故障后,控制策略是保留故障線路換流站的電容器組,而不是將電容器組連同直流線路一起從系統(tǒng)中切斷。由于直流輸電線路起點、落點處的電容器組的容量一般來說相當(dāng)于輸送有功功率的一半左右,對于云廣直流這樣大容量的線路來說,電容器組的容量在2500Mvar左右,如果在直流線路發(fā)生閉鎖故障后,能夠有效利用這部分寶貴的無功功率,則有可能提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。具體而言,希望此電容器組提供的巨額無功能夠滿足在直流線路故障后當(dāng)輸送功率通過其他送電通道注入受端系統(tǒng)時所產(chǎn)生的大量無功需求。由于電容器組始終接在系統(tǒng)內(nèi),是在故障時即刻投入,同時由于是在主網(wǎng)架上補(bǔ)償?shù)臒o功,各點間電氣距離很短,對于全網(wǎng)有很好的補(bǔ)償效果,這樣在閉鎖故障的初始就能有效支撐受端電壓,提高受端電網(wǎng)的電壓水平。但是,存在一種擔(dān)心,即當(dāng)電容器組在故障時不切除是否會引起過電壓。下面的仿真結(jié)果回答了這種疑問,并且檢驗了上述分析。3.2雙極關(guān)閉故障后保留補(bǔ)償電容器組對故障點電壓的影響通過仿真可以得到保留無功補(bǔ)償電容器組對于提高母線電壓、減少切機(jī)容量所起的積極作用。分別陳述如下。如果在直流雙極閉鎖故障后切斷起點、落點的無功補(bǔ)償電容器,三廣、天廣、貴廣1、貴廣2的最低電壓(標(biāo)幺值)分別為:0.915,0.885,0.750,0.660;如果在直流雙極閉鎖故障后保留起點、落點的無功補(bǔ)償電容器,三廣、天廣、貴廣1、貴廣2的最低電壓則分別為:0.92,0.92,0.860,0.700,最低電壓分別提高了0.5%,3.5%,11%和4%。如果在直流雙極閉鎖故障后切斷起點、落點的無功補(bǔ)償電容器,云廣1、云廣2使系統(tǒng)穩(wěn)定的切機(jī)容量分別為:4470MW,6670MW;如果在直流雙極閉鎖故障后保留起點、落點的無功補(bǔ)償電容器,云廣1、云廣2使系統(tǒng)穩(wěn)定的切機(jī)容量分別為:3880MW,4480MW,發(fā)電機(jī)切機(jī)容量分別減小890MW和2190MW。另外,各條線路故障后保留補(bǔ)償電容器組產(chǎn)生的最高過電壓如表2所示。除了故障處的電壓略有升高且很快回落以外,其余各點的電壓在故障后均未升高,未出現(xiàn)因保留補(bǔ)償電容器組而產(chǎn)生危險的過電壓的情況。保留故障線路換流站補(bǔ)償電容器組可以提高雙極閉鎖故障時系統(tǒng)的電壓,減小發(fā)電端的切機(jī)容量,同時又沒有造成過高的沖擊電壓。仿真顯示此策略可提高暫態(tài)穩(wěn)定水平。4直流線路故障穩(wěn)定性仿真1)直流雙極閉鎖故障所引起的功率缺失與潮流轉(zhuǎn)移是2015年南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行面臨的重要問題,它既是一個典型的負(fù)荷側(cè)暫態(tài)穩(wěn)定問題,又是交直流并聯(lián)輸電的負(fù)荷中心的穩(wěn)定問題。2)分析并且用仿真驗證了在直流雙極閉鎖故障下引發(fā)的是暫態(tài)電壓不穩(wěn)定問題,其特點是負(fù)荷側(cè)電動機(jī)導(dǎo)致的電壓持續(xù)降低。3)提出一種在直流雙極閉鎖故障下提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的新措施。在保留無功補(bǔ)償電容器組的措施下,仿真表明:①保留直流故障處的無功補(bǔ)償,可以提高母線電壓,對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性水平有積極的貢獻(xiàn)。不同直流線路故障,該策略可使最低電壓提高程度不同,最大可提高5%～10%。②仿真顯示,保留故障線路處的電容器組,可使故障處的母線電壓大為提高。同時,此策略沒有造成故障母線處的過電壓。③保留故障線路處