含多馈入直流输电的交流系统谐振特性

刁冠勋，乔光尧，吉程，文俊

(1. 国网上海市电力公司检修公司，上海市 200063；2. 国网智能电网研究院，北京市 102209；3. 华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 102206)



含多馈入直流输电的交流系统谐振特性

刁冠勋1，乔光尧2，吉程3，文俊3

(1. 国网上海市电力公司检修公司，上海市 200063；2. 国网智能电网研究院，北京市 102209；3. 华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 102206)

针对由6回高压直流输电及特高压直流输电组成的超大规模多馈入直流输电系统共同接入的电网——华东电网，首先分析了12脉动换流器向电网注入谐波的工作机理以及电网谐振发生的原因。采用PSASP程序对上海电网所有500 kV及部分220 kV变电站进行谐振扫描，扫描类型包括正常运行及可能导致电网谐振的故障工况。结果表明：正常运行时，一些变电站存在低次频率的串联及并联谐振频率；而在故障工况下，某些变电站的谐振特性将发生很大改变，将新增针对第8次、11次及13次的并联谐振频率，因此可能与交流系统第7次背景谐波以及12脉动换流器的第11次及13次特征谐波产生谐波放大甚至谐振，从而产生谐振过电压及过电流。最后提出了抑制谐振的措施。

多馈入直流输电；多馈入交直流输电系统；谐振；阻抗扫描；过电压；谐波

0 引 言

高压直流(high-voltage direct current， HVDC)输电由于其输电距离不受同步运行的稳定性限制、输送容量大、损耗小、功率调节迅速灵活、节约土地资源等优点，在远距离大容量输电、跨海峡送电以及电网的非同步联网等方面得到了十分广泛的应用。我国能源资源和生产力发展极不均衡，需要在全国范围内进行能源的优化配置。由此提出的“西电东送，全国联网”的能源战略，主要通过高压直流输电来实现[1-3]。

当两回及以上回高压直流输电落点于同一交流系统时，由此形成的直流输电系统称为多馈入直流(multi-infeed direct current，MIDC)输电系统，该交流系统称为含有多馈入直流输电系统的电网，包含多馈入直流输电系统及所接入交流系统的互连系统统称为多馈入交直流(multi-infeed direct current & alternative current，MIDC-AC)输电系统。目前，我国已形成2个含有超大规模多馈入直流输电系统的电网，分别是：1)华东电网，其多馈入直流输电系统由6回直流组成：葛南直流(±500 kV、1 200 MW、1.2 kA)，龙政、宜华及林枫直流(±500 kV、3 000 MW、3 kA)，复奉特高压直流(±800 kV、6400 MW、4 kA)，锦苏特高压直流(±800 kV、7200 MW、4.5 kA)；2)广东电网，其多馈入直流输电系统包含5回直流，分别是：天广直流(±500 kV、1800 MW、1.8 kA)，三广、高肇及兴安直流(±500 kV、3000 MW、3 kA)，云广特高压直流(±800 kV、5000 MW、3.125 kA)。

与单回直流输电比较，多馈入直流输电系统的特点有[4-6]：

(1)输送容量巨大。尤其是特高压直流输电的出现，使多馈入直流输电系统的直流总输送功率大大增加。

(2)运行方式更加灵活。

(3)每回直流间的相互影响不容忽视。由于多回直流通过同一交流系统实现互连，当各换流站间电气耦合紧密时，可能出现以下严重后果：

1)单回直流故障范围扩大。单回直流故障可能导致多回直流运行困难，甚至相继闭锁，使直流总输送功率急剧降低，即存在直流小扰动失稳的风险。

2)故障后的恢复更加困难。单回直流故障清除后，其他直流的作用可能会使其在故障后的恢复过程中发生换相失败，甚至不能恢复运行，还可能引发正常运行的直流停运。

3)谐波的相互作用错综复杂，谐波不稳定发生的概率增大。对于交流系统而言，每组换流器都是一个巨大的谐波源，这些谐波在一个相对狭窄的交流系统内相互作用，可能导致按现有滤波器设计原则安装的交流滤波器过载，也可能因为与交流系统的某些特定运行方式产生并联谐振，或谐波放大，出现谐波不稳定，使换流母线电压严重畸变，从而导致直流运行困难甚至闭锁。

4)直流及交流接地网电压上升，危及电气设备的绝缘，对直流系统的安全稳定运行构成威胁。

与仅含有单馈入直流输电的交流系统相比，含有多馈入直流输电系统的电网具有以下特点[4，7-8]：

(1)频率稳定困难。当多回直流相继甚至同时停运时，电网有功功率缺额急剧增加，如果缺乏足够充裕的备用机组以及快速灵活且协调的控制手段，则必将导致电网频率崩溃。

(2)电压稳定难度大为增加。当来自交直流系统的的扰动导致多回直流相继闭锁时，各换流站母线电压急剧波动，可能使交流系统电压失稳。

(3)电网的背景谐波大为增加。换流器向交流系统注入特征及非特征谐波电流，并在换流母线上产生相应的背景谐波电压。可能引发交流滤波器与交流系统的某些特定运行方式产生谐波放大，甚至并联谐振。频率小于20 kHz的低次谐波对电气设备的影响主要是：①谐波放大甚至谐振，危及电气设备及人员的安全；②由于附加损耗增加，引起设备过热、寿命缩短；③使旋转设备机械振动加剧。

综上所述，多馈入交直流输电系统由于连接形式的复杂程度大大增加，必然给交直流系统的安全稳定及控制带来诸多问题。在不利情况下，可能会导致系统性能的下降，甚至威胁到系统的安全稳定运行。上海电网近几年来发生了几次谐波超标事件，甚至波及到0.4 kV电压等级的用电设备的安全。

在此背景下，本文针对上海电网所有500 kV变电站及部分220 kV变电站进行谐振扫描，判定各变电站的固有谐振频率及其谐振特性，并结合可能导致电网谐振的故障工况，研究其对变电站谐振特性的影响，进而提出抑制谐振的措施。本文的研究成果对电网的谐波安全稳定运行具有一定的指导作用。

1 换流器注入电网的谐波分析

高压直流输电由整流站、逆变站和直流输电线路3部分组成。其中整流站和逆变站主要包括12脉动换流器(12p)，换流变压器(T1、T2)，交直流滤波器(ACF、DCF)，无功补偿装置(QC)以及直流平波电抗器(Ld)等设备，如图1所示。

图1 换流站单极接线图Fig.1 Schematic diagram of converter station with one pole

在每个电源周期，12个换流阀以V1，V2，…V12的顺序间隔30°轮流触发导通，从而将直流极线上近似恒定的直流电流Id转变为换流器交流三相电流，相电流is的波形见图2[9]。由图2可见，is含有谐波，因此对于交流系统而言，12脉动换流器是谐波电流源。

图2 12脉动换流器交流相电流波形Fig.2 Waveform of AC phase current of 12-pulse converters

利用换流器经典谐波解析方法—开关函数法，对图2所示的相电流进行分解，可得到以下结论[10-13]：

1)数值最大、谐波危害最严重的特征谐波为12k±1=11、13、23、25……次谐波(k为自然数)，此外还包含除特征谐波以外的所有频率成分的谐波，这些谐波的数值远小于特征谐波，属于非特征谐波。

2)当直流电流中还含有第m次背景谐波时，换流器注入交流系统的谐波主要包含以下2部分：

(a)对应恒定直流电流的特征谐波，即11、13、23、25……次谐波；

(b)由第m次直流谐波电流产生的主导非特征谐波，即|m±1|次谐波。

2 华东电网简介

本文针对以上海为中心的华东电网展开谐振特性研究。华东电网由上海、江苏、浙江、山东、安徽、江西以及福建7个地区电网共同组成。6回多馈入直流输电系统接入华东电网的接线图如图3所示。其中含有馈入直流的2个子网——上海及江苏电网的部分数据见表1。

图3 华东电网与多馈入直流输电系统示意图Fig.3 Schematic diagram of East-China Power Grid & MIDC transmission systems表1 上海及江苏电网部分数据Table 1 Parameters of ShangHai & JiangShu power grids

由表1和图3可知，两回直流接入江苏电网的500 kV电压等级，即龙政直流和锦苏特高压直流；接入上海电网500 kV电压等级的有宜华、林枫直流以及复奉特高压直流，接入上海电网220 kV电压等级的是葛南直流。上海电网共有500 kV变电站20座，分别是国奉贤，国枫泾，国华新，沪徐行，沪黄渡，沪练塘，沪泗泾，沪新余，沪南桥，沪亭卫，沪三林，沪杨高，沪静安，沪远东，沪顾路，沪杨行，沪上漕，沪外二，沪外三以及沪石二。

3 电网谐振特性研究

交流系统由于包含感性和容性设备，因此存在多个由电气设备参数和电网运行方式共同决定的固有谐振频率。当交流系统中出现这些频率分量的谐波源时，将引起电网局部发生串联谐振或并联谐振，使参与谐振的电气设备产生过电压和过电流，危害设备的安全，进而危及电网的安全稳定运行。对于含有多馈入直流输电系统的电网而言，注入的谐波成分极大增加，同时谐波的总干扰强度极大增强，在电网的某些特定运行方式下，可能导致个别变电站发生谐波放大甚至谐振[14-15]。为此，本文针对上海电网所有500 kV变电站及部分220 kV变电站进行谐振扫描，判定各变电站的固有谐振频率及其谐振特性，并结合可能导致电网谐振的故障工况，研究其对变电站谐振特性的影响。

3.1 谐振扫描工具及实现方法

电力系统分析综合程序(power system analysis software package， PSASP)由中国电力科学研究院研发，在国内得到了广泛应用。该程序与国内普遍使用的其他主流潮流计算软件，如BPA、PSS/E等，具有良好的兼容性，可以轻松实现不同数据的相互转换，同时还与Excel、AutoCAD、Matlab等通用分析软件的接口方便，因此本文采用PSASP实现谐振计算，即进行谐波阻抗扫描，以判定电网的谐振特性。

谐波阻抗扫描的实现步骤是：

(1)确定设备的谐波模型；

(2)确定扫描的母线及其类型；

(3)确定谐波潮流计算类型，可选项有：单相谐波潮流计算、三相对称谐波潮流计算和三相不对称谐波潮流计算；

(4)电网主潮流计算；

(5)多谐波源潮流计算；

(6)输出谐波阻抗扫描结果。

谐波阻抗扫描的频率范围取为50～2 500 Hz。

3.2 谐振扫描结果分析

3.2.1 正常运行

以2014年夏大潮流为基础，对上海电网20座500 kV变电站及部分220 kV变电站进行谐振扫描。由于篇幅所限，本文仅列出具有25次以下谐振频率的变电站的谐振扫描结果，如表2所示。

表2 正常运行时谐振扫描结果

Table 2 Resonance scan results in normal operation

交流系统的主要背景谐波是3、5、7次。由表2可知，正常运行时，可能引起与这些背景谐波产生谐波放大甚至谐振的变电站有：国奉贤、沪练塘、沪泗泾、沪新余、沪南桥、沪亭卫、沪三林、沪杨高、沪静安、沪远东和沪上漕，为此应注意消除500 kV电网的这些背景谐波，以防发生谐振或谐波放大。逆变站产生的主要特征谐波包含11、13、23、25次，交流滤波器主要针对这些谐波进行抑制。如果交流滤波器故障，必然导致这些谐波大量注入交流系统，引起谐波严重超标，如果变电站具有这些频率附件的固有谐振频率，就可能发生谐振或谐波放大，这些变电站有：国枫泾、沪徐行、沪练塘、沪南桥、沪三林、沪杨高、沪静安、沪远东和沪石二。其中，国枫泾和沪南桥变电站同时也是直流逆变站，因此发生针对第11次谐波的并联谐振的风险很大。为此，建议重点加强对这2个站的谐波检测，一旦发现该次数的谐波超标，可考虑对应直流降功率运行，乃至单极停运。

3.2.2 电网故障运行

针对500 kV输电线路的N-1运行进行谐振扫描，发现存在以下谐振现象：

(1)与变电站电气距离远的输电线路断线时，对该变电站的谐振特性几乎没有影响，即不会增加或减少串并联谐振频率，而且对谐振阻抗的数值也几乎无影响。

(2)与变电站直接相连的输电线路断线时，对该变电站的谐振特性有一定影响，通常不会改变正常运行方式下的串并联谐振频率，但是其谐振阻抗值有所变化，影响程度如图4(a)所示。这些变电站包含：1)国奉贤，影响线路是沪远东—沪三林，沪远东—沪顾路和沪远东—沪亭卫；2)国枫泾，影响线路是沪黄渡—沪泗泾及沪练塘—沪泗泾；3)沪徐行，影响线路是沪黄渡—沪徐行、沪黄渡—沪泗泾；4)沪练塘，影响线路是沪练塘—沪泗泾和沪练塘—沪亭卫；5)沪泗泾，影响线路是沪黄渡—沪泗泾及沪练塘—沪泗泾；6)沪新余，影响线路是南桥—沪新余；7)沪南桥，影响线路是沪南桥—沪新余和沪南桥—沪亭卫；8)沪三林，影响线路是沪远东—沪顾路和沪远东—沪亭卫；9)沪石二，影响线路是沪黄渡—沪徐行。

(3)一些变电站极大地受到断线故障的影响，其谐振特性变化很大，主要表现为新增低次谐振分量，如表3所示，影响程度详见图4(b)。表3表明，500 kV输电线路断线的严重后果是使7个变电站新增针对第8次、11次和13次谐波的并联谐振。如果电网中第7次背景谐波超标，则可能引发这些变电站的谐波放大。而如果4回多馈入直流输电系统的第11次和第13次谐波超标，则上述变电站可能出现这些频率分量的并联谐振。尤其对国华新变电站而言，其针对第13次谐波发生谐振的几率更大，因为它本身就是产生大量谐波的逆变站。因此，建议重点加强对这些变电站的谐波检测，一旦发现该次数的谐波超标，可考虑相应直流降功率运行，乃至单极停运。此外，表3还表明，沪远东—沪亭卫以及沪黄渡—沪徐行这2条输电线路的断线对多个变电站的谐振特性产生严重影响，因此运行中应尽量避免对这2条线的断线操作。

图4 故障对谐振特性有影响的谐振扫描结果示例图Fig.4 Samples of resonance scans with fault influence on resonance characteristics表3 故障运行时谐振特性变化严重的谐振扫描结果Table 3 Resonance scan results in fault operations with serious change of resonance characteristics

4 结 论

(1)正常运行时，国奉贤、沪练塘等11个变电站的谐振频率非常接近交流系统最主要的背景谐波，即第3次、5次和7次谐波分量，因此可能引起这些谐波频率的谐波放大甚至谐振。为此应注意控制500 kV电网的这些背景谐波不超限。

(2)国枫泾和沪南桥变电站是直流逆变站，同时具有第11次谐波的固有并联谐振频率，因此发生针对第11次谐波的并联谐振的风险很大。建议重点加强对这2个站的谐波检测，一旦发现该次数的谐波超标，可考虑对应直流降功率运行，乃至单极停运。

(3)与变电站电气距离远的输电线路断线时，对该变电站的谐振特性几乎没有影响，即不会增加或减少串并联谐振频率，而且对谐振阻抗的数值也几乎无影响。

(4)与变电站直接相连的输电线路断线时，对该变电站的谐振特性有一定影响，通常不会改变正常运行方式下的串并联谐振频率，但是其谐振阻抗值有所变化。

(5)某些500 kV输电线路断线的严重后果是使7个变电站新增针对第8次、11次和13次的并联谐振频率，因此可能与交流系统第7次背景谐波以及12脉动换流器的第11次及13次特征谐波产生谐波放大甚至谐振，从而产生谐振过电压及过电流。因此，建议重点加强对这些变电站的谐波检测，一旦发现该次数的谐波超标，可考虑相应直流降功率运行，乃至单极停运。此外，沪远东—沪亭卫以及沪黄渡—沪徐行这2条输电线路的断线对多个变电站的谐振特性产生严重影响，因此运行中应尽量避免对这2条线的断线操作。

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(编辑：张媛媛)

Resonance Characteristics of AC Systems with MIDC Transmission Systems

DIAO Guanxun1， QIAO Guangyao2， JI Cheng3， WEN Jun3

(1. Inspection & Maintenance Company, SMEPC, Shanghai 200063, China;2. State Power Intelligent Grid Research Institute, Beijing 102209, China;3. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In allusion to the East China Power Grid connected with super-large scale multi-infeed direct current (MIDC) transmission systems, which were composed of six HVDC and UHVDC transmission systems, firstly, the working mechanism of 12-pulse converter producing harmonic in grid and the reasons of power system resonance were analyzed. In addition, resonance scan was conducted for all 500 kV and part of 220 kV substations of Shanghai Power Grid with using PSASP program, scan types consisted of normal operation condition and fault operation conditions that might cause resonance in AC system. The results show that: in normal operation condition, some substations have serial and parallel resonance under low-order harmonic; while in fault operation condition, huge change may happen in some substations, the 8th, 11th and 13th harmonic parallel resonance may appear in these substations, which may cause harmonic amplification even harmonic resonance in 7th background harmonic in the AC system and the characteristic harmonics of 12-pulse converters: 11th and 13th harmonic, thereby leading to harmonic overvoltage and overcurrent. At last, the harmonic suppression measures were proposed.

multi-infeed direct current (MIDC) transmission; multi-infeed direct current & alternative current (MIDC-AC) transmission system; resonance; impedance scan; overvoltage; harmonic

国家电网公司科技项目 (SGRIDL7114006)。

TM 711

A

1000-7229(2015)06-0059-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.010

2015-03-01

2015-04-29

刁冠勋(1979)，男，硕士，从事直流换流站运行、检修和电能质量专业工作；

乔光尧(1981)，男，工程师，主要研究方向为电能质量，电力电子技术在电力系统中的应用；

吉程(1990)，男，硕士研究生，研究方向为高压直流输电系统运行分析；

文俊(1963)，女，教授，研究方向为高压直流输电系统运行分析与规划的研究。