云廣直流孤島運(yùn)行靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度分析

云廣直流孤島運(yùn)行靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度分析

在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，云光直隸省建立了一條孤島運(yùn)營模式，即云光直隸省雙極運(yùn)營的正常運(yùn)行方式之一。《南方電網(wǎng)2010年運(yùn)行模式報(bào)告》還建議，如果云光直接雙極功能超過3000w，則需要安排孤島運(yùn)營。由于配套電源遠(yuǎn)離換流站,云廣直流孤島運(yùn)行方式下送端電網(wǎng)十分薄弱,有效短路比很低,對(duì)其孤島運(yùn)行方式下系統(tǒng)的穩(wěn)定特性和相關(guān)措施需要進(jìn)行深入的研究。本文基于前期系統(tǒng)研究和成套設(shè)計(jì)成果基礎(chǔ),緊密結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)和工程進(jìn)度等邊界條件,針對(duì)孤島運(yùn)行可能出現(xiàn)的典型方式,綜合應(yīng)用BPA、EMTDC、RTDS等仿真工具,開展了全面的潮流穩(wěn)定計(jì)算分析。1計(jì)算和分析中考慮的典型工作方法1.1孤島運(yùn)行原理和平變電站500kV接線為3/2接線,其中和楚甲線和小和線同串,通過斷開該串的兩個(gè)邊開關(guān),將和楚甲線和小和線配串,同時(shí)斷開和楚乙線,或者同時(shí)斷開和楚雙線,可以實(shí)現(xiàn)和平站與換流站的電氣隔離,實(shí)現(xiàn)云廣直流送端孤島運(yùn)行方式。孤島運(yùn)行主要接線方式圖1所示。其中,接線方式1為金安橋未投產(chǎn)時(shí)的接線方式,考慮小灣合廠運(yùn)行,在和平站將和楚甲線和小和線配串;接線方式2是在接線方式1基礎(chǔ)上考慮金安橋投產(chǎn)的方式;接線方式3是考慮直接開斷和楚雙線,同時(shí)小灣分廠運(yùn)行的方式。1.2啟動(dòng)方法和直接功率根據(jù)工程投產(chǎn)計(jì)劃情況,擬定了2011—2012年可能出現(xiàn)的7個(gè)典型方式,各方式下機(jī)組開機(jī)和出力、直流功率情況如表1中所示。2孤獨(dú)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析2.1送端孤島方式HVDC系統(tǒng)在輸送電力的同時(shí),兩側(cè)需要消耗的無功功率約為直流傳輸功率的40%~60%,這給交流系統(tǒng)的電壓支撐能力帶來了壓力,使得交直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性問題變得日益突出,也得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。以往的文獻(xiàn),往往感興趣的是和受端交流系統(tǒng)相連的逆變側(cè),但云廣直流送端孤島方式下由于功率遠(yuǎn)距離大容量輸送,也存在突出的電壓穩(wěn)定問題。當(dāng)不考慮換流站無功小組的投切時(shí),對(duì)于投入一定的無功小組數(shù)目,采用連續(xù)潮流法,可分別得出相應(yīng)的PV曲線。如考慮直流功率升降過程中無功小組按一定策略進(jìn)行投切(Q模式或U模式),則交直流系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)也由投切前無功小組對(duì)應(yīng)的PV曲線轉(zhuǎn)移到投切后無功小組對(duì)應(yīng)的PV曲線上。以小灣6機(jī)3線方式為例,考慮觸發(fā)角正常為15度左右,無功負(fù)荷隨其有功功率變化,無功控制采用U模式,當(dāng)換流站電壓低于500kV(標(biāo)幺值0.952)時(shí)投入無功小組,可以得到楚雄換流站完整的PV曲線如圖2所示,曲線上有功功率的最大值即為該方式下的穩(wěn)定極限。對(duì)于系統(tǒng)無功不足,電壓顯著降低的異常情況,直流觸發(fā)角最小可以達(dá)到5°以減小無功消耗。采用同樣方法,可以得到相應(yīng)的PV曲線和穩(wěn)定極限。與觸發(fā)角15°情況相比,由于直流的無功消耗可以減少,穩(wěn)定極限可以相應(yīng)地提高。2.2靜態(tài)電壓穩(wěn)定性儲(chǔ)備系數(shù)k《南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析導(dǎo)則》中定義靜態(tài)電壓穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)為:式中:UZ、UC分別為母線的正常電壓和臨界電壓。并要求靜態(tài)電壓穩(wěn)定儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)為:(a)在正常方式下,KV不得低于10%~15%;(b)在特殊方式下,KV不得低于8%。前述分析可見,由于孤島系統(tǒng)的PV曲線與換流站的無功控制密切相關(guān),PV曲線的具體形狀非單調(diào)而呈鋸齒狀,因此上述靜態(tài)電壓穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)指標(biāo)也不適用于孤島系統(tǒng)。以圖2中的PV曲線為例,A點(diǎn)為電壓失穩(wěn)的臨界點(diǎn),C點(diǎn)的電壓儲(chǔ)備系數(shù)最高,但是其功率已接近靜穩(wěn)極限,B點(diǎn)的電壓儲(chǔ)備系數(shù)基本為零,但其功率距離極限功率還有較大的裕度。對(duì)于孤島系統(tǒng),建議采用正常功率相對(duì)于極限功率的裕度作為衡量靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的指標(biāo):式中:PZ、PC分別為母線的正常功率和極限功率。2.3u模式下u模式下功率裕度分布根據(jù)計(jì)算得到的穩(wěn)定極限,各典型方式的穩(wěn)定裕度如表2所示(極限取觸發(fā)角5°,U模式下的穩(wěn)定極限):可見各方式均有一定的功率裕度,其中2012大方式(小灣分廠)裕度最小,約為9.9%。3孤獨(dú)系統(tǒng)的暫時(shí)穩(wěn)定分析3.1直流系統(tǒng)故障孤島系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析考慮了以下故障:2)線路故障考慮線路單瞬、單永、無故障跳閘、線路故障跳雙回;3)直流系統(tǒng)故障考慮直流線路故障、單閥組閉鎖、單極閉鎖和雙極閉鎖;4)嚴(yán)重故障考慮了交流系統(tǒng)故障情況下主保護(hù)拒動(dòng)和開關(guān)拒動(dòng)等情況。3.2安全穩(wěn)定計(jì)算導(dǎo)則和分析導(dǎo)則南方電網(wǎng)目前計(jì)算中的穩(wěn)定判據(jù)原則上以《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》和《南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析導(dǎo)則》為依據(jù)?？紤]到孤島系統(tǒng)的實(shí)際情況,建議沿用目前的暫穩(wěn)、熱穩(wěn)和動(dòng)穩(wěn)判據(jù),但在電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定方面采用以下特殊判據(jù):3.3穩(wěn)定性分析與計(jì)算多數(shù)故障情況下孤島系統(tǒng)都可以穩(wěn)定,只是在部分嚴(yán)重故障情況下系統(tǒng)有可能電壓或頻率失穩(wěn),失穩(wěn)的故障情況如表4所示。孤島系統(tǒng)發(fā)生不同的故障,系統(tǒng)主要有以下特征:1)孤島系統(tǒng)發(fā)生交流線路單瞬故障或直流線路故障再啟動(dòng)成功,系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行;2)500kV線路單永、三永(保護(hù)正確動(dòng)作快速切除故障)、無故障跳閘故障后系統(tǒng)可以穩(wěn)定,動(dòng)態(tài)過程中會(huì)引起無功小組的投入和換流變分接頭的調(diào)整,但無功小組投入有利于電壓的恢復(fù),分接頭的調(diào)整卻會(huì)導(dǎo)致電壓進(jìn)一步下降。以2011大方式(無金安橋,小灣6機(jī)3線4100MW)為例,如小楚乙線小灣側(cè)三永故障跳閘,系統(tǒng)響應(yīng)情況如圖3所示。3)孤島系統(tǒng)發(fā)生2臺(tái)以內(nèi)機(jī)組跳閘或失磁故障,借助直流頻率限制功能(FLC)迅速調(diào)低直流功率,系統(tǒng)可以穩(wěn)定。4)孤島系統(tǒng)發(fā)生單極(閥組)閉鎖故障,系統(tǒng)頻率將升高,單閥組閉鎖頻率最高約52.5Hz,滿足頻率穩(wěn)定要求;直流功率4000MW以上的方式單極閉鎖頻率升高至55Hz以上,不滿足頻率穩(wěn)定要求。如由安穩(wěn)裝置根據(jù)故障前直流雙極功率,按適當(dāng)欠切原則聯(lián)切電廠機(jī)組(欠切量盡量控制在500MW),可將孤島系統(tǒng)頻率控制在55Hz以內(nèi)。5)電壓穩(wěn)定裕度較低的孤島方式下發(fā)生線路N-2故障后,楚雄換流站母線電壓標(biāo)幺值在0.5~0.8之間振蕩,不滿足電壓穩(wěn)定要求。以10機(jī)5線5000MW方式為例,小楚線發(fā)生三永故障切除小楚雙線,系統(tǒng)存在電壓穩(wěn)定問題,具體情況如圖4所示:對(duì)于上述問題,綜合采取限制直流負(fù)荷(閉鎖單極或快速降低直流電流)、切除送端機(jī)組的措施后系統(tǒng)可以穩(wěn)定。6)500kV線路故障,主保護(hù)拒動(dòng),本側(cè)0.1s跳開,對(duì)側(cè)2s跳開,因故障持續(xù)時(shí)間較長,各方式下楚雄站均將有2s左右維持較低的電壓(標(biāo)幺值約0.6~0.8),不滿足電壓穩(wěn)定要求。7)小灣、金安橋、和平出線三相短路單相開關(guān)失靈,失靈保護(hù)動(dòng)作后系統(tǒng)穩(wěn)定。8)金楚甲乙線、小楚甲線楚雄站開關(guān)拒動(dòng)跳開線路及同串內(nèi)的換流變,可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率升高,但上升的幅度不大,最高約52.0Hz,滿足頻率穩(wěn)定要求;和楚甲線楚雄側(cè)開關(guān)拒動(dòng)跳開線路及同串內(nèi)的第2大組濾波器,穩(wěn)定裕度較低的方式電壓不能滿足電壓穩(wěn)定要求。可見各方式下均可以滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》關(guān)于元件N-1后系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。穩(wěn)定問題主要集中于有功或無功功率不平衡引起的電壓穩(wěn)定問題及有功功率不平衡引起的頻率穩(wěn)定問題。各小方式穩(wěn)定水平相對(duì)較高,大方式穩(wěn)定水平相對(duì)較低。頻率穩(wěn)定問題需要采取切機(jī)措施予以解決,電壓穩(wěn)定問題需要綜合采取限制直流負(fù)荷和切除送端機(jī)組的措施,此外還需要加強(qiáng)對(duì)孤島系統(tǒng)內(nèi)保護(hù)和開關(guān)的維護(hù),確保故障后可以正確動(dòng)作。3.4系統(tǒng)暫態(tài)過程中運(yùn)行點(diǎn)的轉(zhuǎn)移孤島系統(tǒng)單極閉鎖后頻率失穩(wěn)的機(jī)理,在于機(jī)組機(jī)械功率大于電氣功率,必然造成頻率升高。暫態(tài)電壓失穩(wěn)的機(jī)理可用以下暫態(tài)電壓穩(wěn)定與靜態(tài)電壓穩(wěn)定的關(guān)系予以解釋。暫態(tài)過程中,直流的控制系統(tǒng)會(huì)隨外界條件的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)其運(yùn)行點(diǎn),導(dǎo)致其有功和無功負(fù)荷相應(yīng)的發(fā)生改變,但是任何時(shí)刻,直流負(fù)荷和交流系統(tǒng)的潮流方程是必須滿足的,因此暫態(tài)過程中的每個(gè)中間過程,楚雄換流站的有功、無功負(fù)荷和其電壓必然在交流系統(tǒng)一定的PV曲線上。以2012大方式(小灣合廠,10機(jī)5線),小楚線N-1故障為例,暫態(tài)過程中運(yùn)行點(diǎn)的轉(zhuǎn)移情況如圖5所示。故障前系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)位于10機(jī)5線,觸發(fā)角15°,投入14組無功小組的PV曲線上的A點(diǎn);故障后換流變抽頭和無功小組投退前,系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)位于10機(jī)4線,觸發(fā)角5°,投入14組無功小組的PV曲線上的B點(diǎn);換流變抽頭改變和投入2組無功小組后系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)位于10機(jī)4線,觸發(fā)角5°,投入16組無功小組的PV曲線上的C點(diǎn)。如故障前直流功率小于故障后系統(tǒng)的穩(wěn)定極限,故障后系統(tǒng)將試圖穩(wěn)定在新的PV曲線上的運(yùn)行點(diǎn)。但如故障前直流功率超出故障后系統(tǒng)的穩(wěn)定極限,系統(tǒng)有可能出現(xiàn)低電壓和振蕩。為確保孤島運(yùn)行方式滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的要求,建議運(yùn)行方式安排時(shí)應(yīng)確保直流功率不超過元件N-1后系統(tǒng)的穩(wěn)定極限。4雙向開關(guān)拒動(dòng)造成直流雙極鎖對(duì)受端電網(wǎng)的穩(wěn)定計(jì)算表明,受端電網(wǎng)機(jī)組跳閘、線路故障保護(hù)正確動(dòng)作切除線路、線路三相短路單相開關(guān)拒動(dòng),將引起送端孤島電網(wǎng)電壓和頻率振蕩,但系統(tǒng)可以很快恢復(fù)穩(wěn)定,但線路三相短路主保護(hù)拒動(dòng)將造成直流雙極閉鎖。為減少受端電網(wǎng)故障對(duì)送端電網(wǎng)的不利影響,建議退出直流受端的FLC功能。5關(guān)于提高孤島系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施的建議5.1定功率模式的影響在孤島方式運(yùn)行時(shí),定電流及定功率的運(yùn)行模式均可以滿足系統(tǒng)控制要求,但在故障導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓較低時(shí),定電流模式由于直流電流不變,電壓下降后直流功率自然下降;而定功率模式在這種情況下會(huì)增大電流,希望維持原有直流功率水平。因此,這種情況下定電流模式對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性更為有利。因此建議在直流功率接近穩(wěn)定極限時(shí)采用定電流控制模式。5.2換流站投切換流站無功小組的投切有兩種控制模式:Q模式根據(jù)換流站與交流系統(tǒng)的無功交換范圍進(jìn)行無功小組的投切,U模式根據(jù)換流站交流母線電壓的控制范圍進(jìn)行投切。孤島方式運(yùn)行時(shí),Q模式和U模式均可以滿足系統(tǒng)控制要求,但當(dāng)直流功率接近穩(wěn)定極限時(shí)U模式與Q模式相比,可以自動(dòng)多投入1~2個(gè)無功小組,有利于提高電壓穩(wěn)定性,因此建議接近穩(wěn)定極限時(shí)無功控制采用U模式。5.3svc注入無功功率雄換流站配置有240MvarFC+240MvarTCR的SVC。考慮SVC作用時(shí),低電壓情況下SVC可以向系統(tǒng)注入無功功率,經(jīng)計(jì)算,如考慮SVC注入系統(tǒng)無功功率240Mvar,可提高靜穩(wěn)極限200MW左右。此外SVC還可以有效抑制無功小組投切引起的電壓波動(dòng)。不考慮SVC時(shí),1組無功小組投切將引起大約1.5%的穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng),考慮2組SVC時(shí),穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)僅約0.5%。因此建議孤島運(yùn)行時(shí)正常投入SVC。5.4換流變壓器換流裝置控制參數(shù)楚雄換流站換流變分接頭的控制分為角度控制和Udio控制2種。角度控制方式將觸發(fā)角α作為控制參考量,通過調(diào)整換流變壓器分接頭位置,將整流側(cè)觸發(fā)角α控制在12.5°~17.5°范圍以內(nèi)。Udio控制方式將換流變壓器閥側(cè)空載電壓作為控制參考量,通過調(diào)整換流變壓器分接頭位置,將換流變閥側(cè)空載電壓Udio控制在±0.9%的偏差范圍以內(nèi)。兩種換流變分接頭控制方式在云廣直流孤島運(yùn)行方式下均可以采用。但在直流送電容量低于額定功率時(shí)Udio控制方式會(huì)增加觸發(fā)角,相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功備用,對(duì)金安橋投產(chǎn)前孤島方式的穩(wěn)定有利,可優(yōu)先考慮。5.5低頻振蕩模式對(duì)孤島系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析的結(jié)果表明,金安橋機(jī)組投產(chǎn)后的孤島運(yùn)行方式下存在小灣機(jī)組相對(duì)于金安橋機(jī)組的低頻振蕩模式,其頻率約1Hz。在小灣和金安橋機(jī)組均投入PSS的情況下,其阻尼比約10%;但如果機(jī)組PSS退出運(yùn)行,則該振蕩模式的阻尼比在2%左右,存在低頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)。因此建議孤島運(yùn)行方式下正常投入小灣和金安橋機(jī)組的PSS。5.6站用電切換時(shí)間孤島運(yùn)行方式下,如果發(fā)生線路N-2故障會(huì)引發(fā)楚雄換流站母線電壓持續(xù)低于60%。由于目前的站用電主要來源于站內(nèi)站用變的10kV側(cè),此時(shí)站用10kV母線電壓也接近60%。采用交流站用電的閥冷卻系統(tǒng)、換流變的冷卻系統(tǒng)、全站照明系統(tǒng)等均會(huì)受到不同程度的影響。其中閥冷系統(tǒng)受影響較大,低壓會(huì)使得閥內(nèi)冷系統(tǒng)中的去離子水不流動(dòng)或流速變緩,超過500ms后,為保護(hù)晶閘管閥而停運(yùn)直流雙極(ESOF)。其他系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)電源失壓的情況下,不會(huì)危及直流系統(tǒng)運(yùn)行。為此建議優(yōu)化現(xiàn)有備自投邏輯和定值,將站用電切換時(shí)間控制在300ms內(nèi);同時(shí)考慮改變站用電供電方式,正常采用一路外接電源(云南電網(wǎng)220kV祿豐變的110kV出線)和一路站內(nèi)電源供電(另一路站內(nèi)電源為備用)。5.7正常情況下,機(jī)組和直流都參與agc,退出一次試調(diào)器功能孤島運(yùn)行方式下發(fā)電機(jī)和直流都具備頻率控制功能。考慮到同期裝置的頻差定值一般設(shè)置為0.2Hz,為便于孤島轉(zhuǎn)并聯(lián)方式的自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)操作,孤島系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率波動(dòng)應(yīng)小于±0.2Hz。此外如果正常情況下,機(jī)組和直流都參與調(diào)頻,那么由于控制特性的偏差,極易出現(xiàn)功率、頻率振蕩。因此考慮到直流調(diào)節(jié)的快速準(zhǔn)確性,正常情況下建議機(jī)組投入AGC,退出一次調(diào)頻功能;只采用直流FLC功能調(diào)頻,FLC的頻率死區(qū)設(shè)為±0.1Hz,上限20%,下限30%~50%。此時(shí)電廠按照AGC下發(fā)的曲線調(diào)整機(jī)組功率,而直流則依賴FLC功能自動(dòng)跟蹤