陳 虎，賀 洋，張英敏，李興源，王渝紅，趙 睿

(1.四川大學電氣信息學院，成都 610065;2.重慶市電力公司永川供電局，永川 402160)

高壓直流輸電因為其在大容量、遠距離輸電的優(yōu)勢，在我國“西電東送”戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要作用。四川水力資源豐富，是西電東送的水電基地。到2012年四川電網(wǎng)將形成全世界獨有的1000 kV特高壓交流、500 kV超高壓交流、±800 kV特高壓直流和±500 kV高壓直流的交直流混聯(lián)系統(tǒng)。多回直流輸電送端落點集中使得系統(tǒng)的相互作用更加復(fù)雜，帶來了許多特殊問題［1～9］。

文獻［10～12］利用多饋入相互作用因子和多饋入短路比等指標，對南方電網(wǎng)和華中 －華東電網(wǎng)多饋入直流系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性分析，但四川電網(wǎng)是典型的直流輸電系統(tǒng)送端多落點，與上述受端多落點不同，送端交流線路短路、大容量發(fā)電機退出運行和直流系統(tǒng)緊急停運等典型送端故障，都會對四川電網(wǎng)正常運行造成影響。因此十分有必要對四川電網(wǎng)多回直流輸電系統(tǒng)的交互影響進行分析。文獻［13］針對四川電網(wǎng)所在的西南水電基地系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了仿真分析，但并未結(jié)合交直流互聯(lián)系統(tǒng)的量化分析指標對交互影響進行量化分析。

本文針對四川電網(wǎng)2012年豐大運行方式，利用多饋入相互作用因子、多送出運行短路比、折算功率影響因子等量化分析指標和故障下的直流功率相互支援對四川電網(wǎng)多送出直流輸電系統(tǒng)進行交互影響分析。

1 2012年四川電網(wǎng)概況

2012年四川電網(wǎng)外送電分散，分別向西北、華中和華東三大電網(wǎng)送電，且輸送方式和電壓等級都較為復(fù)雜:1號斷面通過德陽-寶雞500 kV高壓直流向西北電網(wǎng)輸電;2、4號斷面通過廣安-萬縣、洪溝-板橋500 kV超高壓交流向華中電網(wǎng)輸電;3號斷面通過雅安-荊門1000 kV特高壓交流向華中電網(wǎng)輸電;5、6號斷面通過復(fù)龍-南匯、錦屏-蘇州800 kV特高壓直流向華東電網(wǎng)輸電。1-6號斷面共同形成特有的復(fù)雜交直流混合互聯(lián)輸電系統(tǒng)。如圖1所示。

三條直流系統(tǒng)的送端換流站落點于較為集中的同一地區(qū)電網(wǎng)，存在耦合關(guān)系，交互影響復(fù)雜［13］。本文將這種具有送端多落點特點的系統(tǒng)定義為多送出直流MSDC(multi-send DC)輸電系統(tǒng)。三條直流的基本情況如表1所示。

表1 2012年四川電網(wǎng)3條直流基本情況Tab.1 Basic conditions of 3 HVDC lines of 2012 Sichuan power grid

圖1 2012年四川電網(wǎng)Fig.1 2012 Sichuan power grid

2 量化評估指標

2.1 多饋入相互作用因子MIIF

對于多條直流輸電系統(tǒng)，直流與直流之間的相互作用不容忽視。由CIGRE WG B4工作組提出了用于衡量多條直流系統(tǒng)中各換流站之間電壓交互作用的指標: 多饋入相互作用因子MIIF(multi-infeed interaction factor)。它反映了任意兩個換流站之間電氣耦合的緊密程度，可作為描述換流站之間電氣距離的量化指標。其定義如下:

式中:ΔUi是原直流系統(tǒng)在額定功率下運行，在其換流站換流母線上投切一個并聯(lián)無功功率支路，造成其換流母線電壓階躍變化的變化量(以百分數(shù)表示，通常為1%);ΔUj是待考察一回直流輸電換流站換流母線電壓變化量響應(yīng)值(以百分數(shù)表示)。

2.2 多饋入短路比MSCR

交直流相互作用強度的大小，主要取決于交流系統(tǒng)相對于直流系統(tǒng)容量的相對強弱，所以通常用短路比來評估交直流相互作用。對于單條直流系統(tǒng)，傳統(tǒng)短路比SCR(short circuit ratio)和有效短路比ESCR(effective short circuit ratio)已有明確定義［3］。但在多條直流系統(tǒng)同時運行的情況下，傳統(tǒng)的短路比和有效短路比因不能計及直流與直流之間的相互作用而使得計算結(jié)果偏于樂觀。文獻［14］給出了考慮多條直流通過交流電網(wǎng)的相互作用和影響后，直流系統(tǒng) i的多饋入短路比MSCR(multi-infeed short circuit ratio)和多饋入有效短路比MESCR(multi-infeed effective short circuit ratio):

式中:Saci為換流站 i換流母線處三相短路容量;QCNi為當換流站i交流母線電壓為額定值、直流功率為額定值時，換流站交流濾波器和并聯(lián)電容器提供的三相基頻無功功率總和;PdNi、PdNj為直流系統(tǒng)i、直流系統(tǒng) j額定容量，MIIFj，i由定義(1) 得到。

2.3 多送出運行短路比MOSCR

由定義可知，MESCR計算公式中的各變量，都是在直流系統(tǒng)處于額定運行狀態(tài)下得到的。但是當直流降功率運行或運行方式改變時，傳統(tǒng)的多饋入短路比難以正確反映系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，所以有必要提出適用于不同運行方式且用于評估多送出直流系統(tǒng)的多送出運行短路比MOSCR(multi-send operating short circuit ratio)，多送出運行有效短路比MOESCR(multi-send operating effective short circuit ratio):

式中:Saco_i為整流站i換流母線處在系統(tǒng)對應(yīng)運行方式下的三相短路容量;Qco_i為整流站交流濾波器和并聯(lián)電容器提供的實際無功功率;Pdi、Pdj為直流系統(tǒng) i、直流系統(tǒng) j的實際運行容量。MIIFj，i中 ΔUi是原直流系統(tǒng)在某方式下運行，并按實際的換流母線電壓水平和無功控制方式在其整流站換流母線上投切一個并聯(lián)無功功率支路，造成其換流母線電壓階躍變化的變化量(以百分數(shù)表示，通常為1%);ΔUj是待考察一回直流輸電整流站換流母線電壓變化量響應(yīng)值(以百分數(shù)表示)。

2.4 折算功率影響因子RPIF

多送出運行短路比綜合考慮了各個直流系統(tǒng)的容量及各直流系統(tǒng)間相互作用的影響，能夠很好地反映多條直流輸電系統(tǒng)中各個直流系統(tǒng)之間的耦合程度。其他直流系統(tǒng)對直流i的影響通過對應(yīng)的多饋入相互作用因子與其直流運行容量乘積來表示，乘積所得到的功率與直流系統(tǒng)i的容量比值，本文定義為折算功率影響因子RPIF(reduced power influence factor):

式中:Pdi、Pdj、MIIFj，i與定義(5) 相同。

計算多送出運行短路比時，直流系統(tǒng)的折算功率影響因子RPIF越大，則表示當計及其他直流影響時，本直流受其他直流的影響越大，計算得到的多送出運行短路比相對于傳統(tǒng)的單條直流短路比下降的就越多。折算功率影響因子能夠有效地表征本直流系統(tǒng)受其他直流的影響程度。

3 多送出直流系統(tǒng)交互影響分析

3.1 指標計算及分析

針對四川電網(wǎng)2012年豐大運行方式，利用BPA計算程序，分別在各換流站母線上投切一個并聯(lián)無功功率支路，造成其換流母線電壓階躍變化1%，考察其它兩回直流系統(tǒng)換流站母線電壓變化量響應(yīng)值，可計算得3回直流輸電系統(tǒng)整流站多饋入相互作用因子矩陣，如表2所示。

表2 直流換流站MIIF矩陣Tab.2 MIIF matrix of DC converter station

分析數(shù)據(jù)得出:

①MIIF矩陣為非對稱矩陣，原因在于矩陣中的對角元素不僅取決于所對應(yīng)的兩個換流站之間等值阻抗的大小，還受到兩個換流母線上以及它們之間的所有其他母線上并聯(lián)阻抗的影響，在實際的四川電網(wǎng)中，不可能存在對稱的并聯(lián)阻抗，所以計算得出的表2矩陣為非對稱陣。

②錦屏和德陽換流站施加1%電壓階躍降落時對復(fù)龍換流站作用相對較強，為MIIF3，1=0.363和MIIF3，2=0.224。意味在考慮3回直流輸電系統(tǒng)相互作用后，錦屏和德陽換流站的折算功率影響因子RPIF較大，使得在計算兩條直流系統(tǒng)的多送出運行有效短路比MOESCR將比傳統(tǒng)短路比SCR有較大幅度的減小。

③考察矩陣中德陽換流站一列和復(fù)龍換流站一列，MIIF2，1＞ MIIF2，3，MIIF3，1＞ MIIF3，2，說明錦屏換流站故障時德陽、復(fù)龍受到影響較于另外一換流站故障時受到的影響大，原因在于錦屏換流站相對于德陽、復(fù)龍更靠四川送端電網(wǎng)的西側(cè)，錦屏換流站直流系統(tǒng)的波動更容易對川西電網(wǎng)的交流潮流造成影響，波動影響會沿交流通道影響德陽和復(fù)龍換流站。

④2012年四川電網(wǎng)三條直流送端交互作用強度較為合理，錦屏和復(fù)龍換流站的電氣距離相對較近。

利用BPA計算程序和表2 MIIF矩陣，可計算四川電網(wǎng)3回直流輸電整流站的短路容量、傳統(tǒng)短路比、有效短路比、多送出運行短路比、多送出運行有效短路比和折算功率影響因子等指標如表3所示。

表3 Sac，SCR，ESCR，MOSCR，MOESCR，RPIFTab.3 Sac，SCR，ESCR，MOSCR，MOESCR，RPIF

分析數(shù)據(jù)得出:

①由于復(fù)龍-南匯直流系統(tǒng)短路容量較小、直流運行功率較大，比較而言復(fù)龍換流站的短路比較小。且計及其他直流系統(tǒng)的影響后，由于復(fù)龍站的折算功率影響因子RPIF很小，復(fù)龍換流站的多送出運行短路比與傳統(tǒng)短路比相比較，變化相對較小。復(fù)龍 －南匯直流系統(tǒng)多送出運行有效短路比小于2.5，需要考慮采用適當?shù)拇胧?yīng)對電壓穩(wěn)定性問題。

②傳統(tǒng)短路比計算結(jié)果偏樂觀。錦屏、德陽換流站的傳統(tǒng)短路比均大于6，而計及其他直流系統(tǒng)的影響后，它們的多送出運行有效短路比相對于傳統(tǒng)短路比有大幅下降。這主要是由于錦屏換流站與復(fù)龍換流站的交互因子MIIF3，1=0.363較大，且復(fù)龍－南匯直流本身容量較大，這樣導致錦屏的折算功率影響因子RPIF=77.78% 最大，所以錦屏換流站的短路比下降最為明顯。德陽換流站則是因為其自身容量較小和與復(fù)龍站相互作用的共同因素，導致短路比下降也較明顯。

③從短路比計算值的大小來看，四川電網(wǎng)多送出直流系統(tǒng)中，德陽和錦屏換流站交流系統(tǒng)屬于較強系統(tǒng)，復(fù)龍換流站交流系統(tǒng)支持相對較差，為最薄弱點，短路比僅為1.834，因此復(fù)龍 －南匯直流功率的波動對系統(tǒng)沖擊最大。

3.2 直流故障對系統(tǒng)的影響

在評估直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響時，一個很重要的因素是直流突然閉鎖對系統(tǒng)的沖擊。在多送出直流系統(tǒng)中直流閉鎖會造成送端系統(tǒng)有功過剩，送端發(fā)電機機組的電磁功率無法外送，發(fā)電機機組加速，功角上升。短路比可以很好地評估這一沖擊的大小，一般認為，短路比越大，則直流閉鎖對系統(tǒng)造成的沖擊越小;短路比越小，則對系統(tǒng)造成的沖擊越大，甚至導致功角失穩(wěn)。以三條直流系統(tǒng)分別發(fā)生直流閉鎖為例，考察發(fā)電機機組功角，曲線如圖2所示。

圖2 直流閉鎖，二灘機組功角Fig.2 DC atresia power angle of Ertan generator

由圖2得:復(fù)龍－南匯直流雙極閉鎖使得潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移、送端系統(tǒng)功率過剩導致送端系統(tǒng)失穩(wěn)。德陽換流站多送出運行有效短路比大于錦屏站，因此當兩條直流分別發(fā)生閉鎖時，德陽 －寶雞直流系統(tǒng)故障對系統(tǒng)影響相對較小。在第一擺過程中，送端發(fā)電機功角加速度也是復(fù)龍 ＞錦屏 ＞德陽。錦屏換流站的外送直流功率大于德陽換流站的直流外送功率，因此錦屏-蘇州直流閉鎖后系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點較德陽-寶雞直流閉鎖后的系統(tǒng)穩(wěn)定平衡點偏移得更遠。

在多送出直流系統(tǒng)中，還可能出現(xiàn)一條直流故障引起另一條直流故障。影響的大小主要取決于兩直流換流站之間電氣距離和潮流轉(zhuǎn)移大小。在四川電網(wǎng)多送出直流系統(tǒng)中，除復(fù)龍-南匯直流雙極閉鎖使送端系統(tǒng)失穩(wěn)外，德陽-寶雞、錦屏-蘇州直流分別發(fā)生直流閉鎖時，送端系統(tǒng)頻率和其它各換流站換流母線電壓均可穩(wěn)定在合理水平，沒有引發(fā)其它相鄰直流故障。

3.3 多送出直流系統(tǒng)相互支援

復(fù)龍-南匯直流雙極閉鎖會導致送端系統(tǒng)失穩(wěn)，大量功率的轉(zhuǎn)移使送端機組的相對功角增大，為緩解送端系統(tǒng)功率過剩問題，提高送端系統(tǒng)穩(wěn)定性，可利用3條直流系統(tǒng)間的緊急功率支援控制，快速提高直流輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。錦屏 －蘇州、德陽-寶雞直流均為單極運行，2012年實際運行容量距額定輸電容量有較大提升空間。圖3給出了直流系統(tǒng)功率緊急提升多送出直流系統(tǒng)的穩(wěn)定曲線。

圖3 直流功率緊急控制，二灘機組功角Fig.3 Emergency control of DC power power angle of Ertan generator

復(fù)龍-南匯直流雙極閉鎖后，其它2回直流系統(tǒng)功率分別緊急提升750 MW。由圖3得:緊急功率支援控制能夠有效改善復(fù)龍 －南匯直流系統(tǒng)故障情況下四川電網(wǎng)送端系統(tǒng)穩(wěn)定水平;直流緊急控制支援應(yīng)選取距離故障直流系統(tǒng)電氣距離較近的直流系統(tǒng)，減少系統(tǒng)因潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移帶來的電壓穩(wěn)定等問題。查看表2得出錦屏站與發(fā)生故障的復(fù)龍－南匯直流系統(tǒng)電氣距離比德陽站小，電氣耦合更緊密，因此錦屏 －蘇州直流功率提升效果優(yōu)于德陽 －寶雞直流功率提升;錦屏－蘇州、德陽－寶雞兩條直流同時采用緊急功率支援控制，系統(tǒng)可更快地恢復(fù)穩(wěn)定、控制效果最優(yōu)，穩(wěn)定平衡點偏移相對較小。

4 結(jié)論

(1)2012年四川電網(wǎng)三條直流送端交互作用強度較為合理，錦屏和復(fù)龍換流站的電氣距離相對較近。

(2)從短路比計算結(jié)果得出，四川電網(wǎng)多送出直流系統(tǒng)中，德陽和錦屏換流站交流系統(tǒng)屬于較強系統(tǒng)，復(fù)龍換流站交流系統(tǒng)支持相對較差，為最薄弱點。

(3)短路比越大，直流閉鎖對系統(tǒng)造成的沖擊越小。德陽 －寶雞直流系統(tǒng)的多送出運行有效短路比較大，所以其直流系統(tǒng)故障對系統(tǒng)的影響相對較小。

(4)緊急功率支援控制能夠有效改善直流系統(tǒng)故障情況下四川電網(wǎng)送端系統(tǒng)穩(wěn)定水平。選取距離故障直流系統(tǒng)電氣距離較近的直流系統(tǒng)實行緊急功率支援，效果優(yōu)于其他直流系統(tǒng)。

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