特高压直流分层接入方式下层间交互影响研究

2017-04-14管永高张诗滔许文超

电力工程技术 2017年2期

关键词：换流站等值暂态

管永高，张诗滔，许文超

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏南京211102）

特高压直流分层接入方式下层间交互影响研究

管永高，张诗滔，许文超

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏南京211102）

为研究特高压直流分层接入方式对电力系统带来的影响，分析了直流分层接入方式下层间交互影响因子的计算方法，对比不同计算方法之间的差异，分析其产生的原因。通过与传统接入方式的对比，研究了直流分层接入方式对层间交互影响、有效短路比以及暂态过电压的影响。结果表明直流分层接入方式下层间交互影响更小，各层有效短路比更大，暂态过电压更小。相比传统接入方式，直流分层接入方式更优。

分层接入；层间交互影响因子；有效短路比；暂态过电压

0 引言

随着高压直流输电技术的不断发展，直流接入电力系统的方式得到了越来越多的研究。2013年有学者提出了特高压直流分层的接入方式［1］。随后有学者进一步分析了分层接入方式的优点［2］，并从无功电压耦合特性［3］和受端接纳能力［4］等角度分析了特高压直流分层接入方式对电网带来的影响。

特高压直流分层接入方式作为一种新型直流接入方式，其层间交互作用以及给系统带来的影响亟待研究。目前对于直流分层接入系统的分析主要借鉴多馈入直流系统的分析方法，多馈入交互影响因子（multi⁃infeed interaction factor，MIIF）是其中主要的指标之一［5］，MIIF主要表征多馈入直流系统各馈路间的交互影响程度。对于直流分层接入方式下层间交互影响因子（hierarchical interaction factor，HIF）的研究可借鉴MIIF的分析方法。目前关于MIIF的理论计算方法主要采用Denis提出的近似计算方法［6，7］。该方法是建立在受端交流系统等值的基础上，利用节点阻抗矩阵分析得到相应的MIIF，已有研究证明该方法和多馈入电压灵敏度因子、多馈入最大直流功率指标之间具有相同的物理意义［8］。同时，有学者对该方法进行了补充［9－12］。文献［9］研究发现考虑直流功率外特性后对MIIF计算将带来影响；文献［10］提出用暂态电压支撑强度指标来评估MIIF；文献［11］研究了整流侧换流站与逆变侧换流站之间的交互影响；文献［12］则研究了不同控制方式对MIIF的影响。近年来，随着一系列特高压交直流工程落点江苏，给江苏电网安全稳定运行带来了新的挑战［13－15］。其中，锡盟—泰州特高压直流落点江苏苏北地区后将采用分层方式接入江苏电网，需对其带来的影响进行分析。

综上，直流分层接入方式下层间交互影响因子的计算方法仍需要进一步分析，而直流分层接入方式对层间交互影响又会带来怎样的影响仍不明确。鉴于此，本文将基于锡盟—泰州特高压直流分层接入系统对比分析直流分层接入方式下层间交互影响因子的不同计算方法，分析不同计算方法之间的差别。研究直流分层接入方式对HIF、有效短路比（effective short circuit ratio，ESCR）以及暂态过电压（transient over⁃voltage，TOV）的影响。

1 直流分层接入方式下HIF计算方法

图1为一个简单的双桥双极直流分层系统。由图1可知，与传统直流接入方式不同，直流分层接入方式下，换流站低端逆变后接入1000 kV交流电网，换流站高端逆变后接入500 kV交流电网。不同换流母线间存在一定的电气联系，某一换流母线的电压变化将会引起另一换流母线的电压波动，对此需要研究直流分层接入方式下层间交互影响。

图1 直流分层接入系统示意图Fig.1 Schematic diagram of UHVDC hierarchical connection mode

根据CIGRE高压直流工作组对系统直流回路间作用的强弱的定义［16］：当直流回路i的换流母线电压下降1%时，直流回路j的换流母线电压下降率。相应的直流分层接入方式下HIF可表示为：

相应的RHIF在0～1变化，当RHIF的值越接近1，层间两换流母线间的电气联系越强；反之，当RHIF的值越接近于0，则表示层间两换流母线间的电气距离越大，两者间的交互影响越小。

从换流母线观测受端交流系统，利用多端戴维南等值理论可得到相应的受端系统等值网络示意图，如图2所示。其中Zeq11为1000 kV换流母线下系统等值阻抗，Zeq22为500 kV换流母线下系统等值阻抗，Zeq12为换流母线间的联系阻抗。

图2 受端系统等值示意图Fig.2 Schematic diagram of receiving equivalent system

针对受端等值系统，其采用P－Q解耦法求解潮流时的无功－电压修正迭代方程为：

将式（2）左乘－B″－1得：

由式（3）可知，若换流母线i存在无功扰动ΔQi，而其他母线无扰动，引起的其他直流母线电压变化可表示为：

根据式（1）和式（4）可得：

式中：Zji为受端等值系统阻抗矩阵中j行i列的元素；Zii为受端等值系统阻抗矩阵中i行i列的元素。

由式（1）和式（5）得到的RHIF不能很好地反应直流分层接入方式下层间的动态特性，参考文献［8］提出了评估直流换流母线间交互影响强度的结构性指标——暂态电压支撑强度指标，直流分层接入方式下的RHIF为：式中：Zeqij为第i层与第j层间的联系阻抗；Zeqii为第i层系统等值阻抗。

2 锡盟—泰州直流分层接入系统说明

根据规划，±800 kV锡盟—泰州直流落入江苏苏北地区后，输电工程接入系统方案为：换流站低端逆变后直接接入泰州特高压站1000 kV母线，换流站高端接入交流500 kV母线。其中换流站500 kV母线出线6回，将500 kV旗杰—凤城双线开断环入换流站，同时建设500 kV换流站—双草变双回线路。如图3所示。下面将基于锡盟—泰州特高压直流分层接入系统，分析直流分层接入方式下不同HIF理论计算值之间的差别，研究直流分层接入方式对HIF带来的影响。进一步分析不同接入方式下短路比以及暂态过电压之间的差别。

图3 ±800 kV锡盟—泰州直流分层接入系统示意图Fig.3 Schematic diagram of the hierarchical connection to AC system for±800 kV Ximeng⁃Taizhou UHVDC

3 不同计算方式下HIF对比分析

在1000 kV换流母线和500 kV换流母线上分别改变其无功负载的大小，得到无功负载变化前后换流母线电压变化量，根据式（1）得到相应的HIF计算结果，如表1所示。

表1 RHIFji＿1计算结果Table 1 Calculated results of RHIFji＿1

由表1可以看出，直流分层接入方式下层间均存在一定的交互影响，且1000 kV换流母线给500 kV换流母线带来的影响（RHIFji＿1＝0.526）大于500 kV换流母线给1000 kV换流母线带来的影响（RHIFji＿1＝0.184）。进一步对如图2所示的受端等值系统进行分析，等值系统中各阻抗等值结果为：Zeq11＝0.000 046 5＋j0.002 181；Zeq22＝0.000 238 1＋j0.004 954；Zeq12＝0.000 3＋j0.008 5。

相应的阻抗矩阵Z为：

据此可以得到相应的RHIFji＿2，RHIFji＿3，如表2和表3所示。

表2 RHIFji＿2计算结果Table 2 Calculated results of RHIFji＿2

表3 RHIFij＿3计算结果Table 3 Calculated results of RHIFij＿3

从表2和表3的计算结果同样可以看出，1000 kV换流母线对500 kV换流母线的影响（RHIFji＿2＝0.368）大于500 kV换流母线对1000 kV换流母线的影响（RHIFji＿2＝0.204）。

另外表2和表3中通过两类方法得到的HIF计算结果相等。这主要是因为对于2层系统，式（5）可表示为：

同理可得RHIF12＿2＝RHIF21＿3。可见，对于直流分层接入方式下2层系统的RHIFji＿2和RHIFij＿3计算结果一致。

需要说明的是，RHIFij＿3是考虑暂态扰动下，换流母线与短路节点、发电厂之间的电气距离而提出的结构性指标，虽然对于2层接入系统RHIFji＿2和 RHIFij＿3计算结果相同，然而两者本质上仍然有所区别。因此对于直流分层接入方式下ESCR的计算，RHIFij＿3并不适用。

综合表1—3可以看出，三类HIF计算结果之间存在差异，其中的原因在于，表2和表3中所采用的方法是建立在受端交流系统等值的基础上，未考虑直流系统之间的影响，而表1所采用的方法建立在电压扰动的基础上，考虑了直流系统之间的交互影响。下面将进一步分析忽略直流系统带来HIF计算结果差异的原因。

式（2）中的无功－电压迭代修正方程是建立在受端等值系统的基础上，未考虑直流系统的功率特性。在考虑直流系统的功率特性后，换流母线i的无功电压关系为：

式中：Qis为受端等值系统节点i注入系统的无功功率；Ui为受端等值系统节点i的电压；Gij，Bij分别为受端等值系统节点导纳矩阵第i行、第j列元素的实部和虚部的值；θij为节点i与节点j的相角差；Qin为直流系统注入换流母线的无功功率。Qin可以表示为关于换流母线电压Ui、直流线路电流IDC以及逆变侧熄弧角γ的函数，即：

考虑直流系统的无功功率特性后，可将式（2）表示为：

式中：Qn为各直流系统注入各换流母线的无功功率向量；diag（X）表示以向量X为对角线元素的对角矩阵。

对式（10）进行求逆运算可得：

根据式（11）可以得到换流母线无功变化而带来的母线电压变化量，结合式（1）可得到相应的HIF计算值。由式（11）可知，由于直流系统的无功功率是与换流母线电压有关的量，电压变化量中增加了有关直流系统无功功率的微分项。而式（3）中电压变化量的计算是建立在受端等值交流系统的基础之上，忽略了直流系统的无功功率特性，从而导致了2种计算方法之间的差异。

综上，根据理论计算结果与分析结论，式（1）关于HIF的计算方法更为可靠，接下来的分析中将主要采用式（1）的计算方法进行分析。

4 分层接入方式对系统影响分析

4.1分层接入方式对HIF的影响

为了分析分层接入方式对HIF带来的影响，对比分析3种情况下HIF的变化特点。

情况一：换流站低端逆变后接入特高压站500 kV母线，换流站高端逆变后仍接入500 kV母线。

情况二：换流站低端逆变后仍接入特高压站1000 kV母线，换流站高端逆变后同样接入特高压站1000 kV母线。

情况三：换流站高端逆变接入500 kV母线，低端逆变接入特高压站1000 kV母线，即直流分层接入方式进行对比分析。

需要说明的是，换流站逆变后均接入500 kV换流母线或1000 kV母线即不存在分层接入方式，本文为了分析分层接入方式将对HIF带来的影响，仍保留高端逆变换流母线和低端逆变换流母线。通过在换流母线上改变无功负载得到相应的电压变化量，从而得到相应的HIF计算值，如表4、表5和表6所示。

表4 情况一下RHIFji＿1计算结果Table 4 Calculated results of RHIFji＿1in case 1

表5 情况二下RHIFji＿1计算结果Table 5 Calculated results of RHIFji＿1in case 2

表6 情况三下RHIFji＿1计算结果Table 6 Calculated results of RHIFji＿1in case 3

由表4－6可以看出，情况一和二中换流站接入500 kV／1000 kV换流母线后，两换流母线之间的交互影响因子均大于分层接入方式下的层间交互影响因子。进一步通过对受端系统进行等值分析两换流母线间的电气联系，不同情况下各阻抗的等值结果如表7所示。

表7 不同情况下等值阻抗计算结果Table 7 Calculated results of equivalent impedance with different cases

由表7可知，情况三中层间联系阻抗Zeq12最大，即中层间电气联系最弱。3种情况下等值系统联系阻抗的变化规律与表4—6中HIF计算结果反映出的变化规律一致，即换流母线间联系阻抗越小，则交互影响越大。

结合HIF与等值系统联系阻抗的计算结果可知，分层接入方式下的联系阻抗较大，层间电气联系相对较弱，从而层间交互影响也较小。

4.2分层接入方式对系统短路比的影响

短路比作为表征交流系统强弱的主要指标之一，可用来评估换流站交流母线电压稳定性。分层接入方式下层间有效短路比（hierarchical effective short circuit ratio，HESCR）可表示为：

式中：Saci为第i层直流回路换流母线的三相短路容量；Pdi为第i层额定直流功率；Qci为第i层换流母线额定无功补偿容量。

为分析分层接入方式对系统短路比的影响，对比4.1节中3种情况下系统有效短路比。计算结果如表8所示。

表8 不同接入方式下有效短路比RESCR结果对比Table 8 RESCRof different connection modes

由表8可知，2种接入方式下，系统均为强系统（RESCR＞3）。对比三类情况可知，同一电压等级下，分层接入方式下各层有效短路比相比传统接入方式均得到了改善。采用分层接入方式交流系统对直流系统的电压支撑能力变强。并且分层接入方式下，1000 kV换流母线的RHESCR大于500 kV换流母线的RHESCR，即分层接入方式下，1000 kV交流受端系统对直流系统的电压支撑作用强于500 kV交流受端系统。

4.3分层接入方式对暂态过电压的影响

额定工况下，换流站无功补偿容量为直流额定输送功率的40%～60%，直流系统闭锁停运后，由于换流站无功补偿装置产生过量的无功将导致暂态过电压。考虑分层接入方式下，换流母线无功补偿装置提供的无功功率与换流站传输的有功功率比例为η，即Qdi＝ηPdi。相应的TOV可表示为［17］：

由式（13）可知，在η一定的情况下，若RHESCRi越小，即交流系统越弱，则RTOVi将越大，因此对连接弱交流系统的直流工程，需采取一定的措施防止过电压带来的危害。反之，则RTOVi将越小。

基于4.2节中得到的RESCR，考虑换流母线无功补偿装置提供的无功功率与换流站传输的有功功率比例η在40%～60%变化，进一步分析分层接入方式下暂态过电压，并与传统接入方式进行对比，结果如图4所示。

图4 不同接入方式下TOV结果对比Fig.4 TOV of different connection modes

由图4可知，不同接入方式下，η变大都会导致RTOV的增大。就同一电压等级而言，采用分层接入方式后，各层TOV均小于传统接入方式的TOV。即直流分层接入方式后，直流系统故障导致的暂态过电压问题将小于传统接入方式。对比3种情况，分层接入方式下1000 kV换流母线的TOV最小，即直流系统故障导致的暂态过电压问题对1000 kV换流母线带来的危害最小。

5 结语

针对锡盟—泰州直流分层接入系统研究了直流分层接入方式对层间交互影响、有效短路比以及暂态过电压的影响，得到的结论如下：

（1）三类HIF计算值之间存在差异，差异的产生主要是在计算HIF过程中是否考虑直流无功功率特性对HIF的影响。

（2）采用分层接入方式层间交互影响小于采用传统接入方式的交互影响。

（3）相比传统接入方式，采用分层接入方式后各层有效短路比均得到改善，即交流系统对直流系统的电压支撑能力更强；而采用分层接入方式后，同一电压等级下，暂态过电压则将比传统接入方式小。

（4）综合层间交互影响、有效短路比以及暂态过电压指标研究可知，与传统接入方式相比，分层接入方式更优。

本文的研究仍是侧重于直流分层接入系统的静态特性分析，直流输电系统的控制方式及其动态过程也会对层间交互影响带来影响，分层接入方式同样也会对直流系统的响应特性带来影响，这些都是后续需要开展的工作。

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Study on Hierarchical Interaction of UHVDC Hierarchical Connection Mode

GUAN Yonggao，ZHANG Shitao，XU Wenchao
（China Energy Engineering Group，Jiangsu Power Design Institute Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

To study the impact of ultra high⁃voltage direct current（UHVDC）hierarchical connection mode on power system，the calculation methods of hierarchical interaction factor（HIF）are proposed and the causes of the deviation between different methods are analyzed.The impacts of UHVDC hierarchical connection mode on HIF，effective short circuit ratio（ESCR）and transient over⁃voltage（TOV）are investigated compared with the traditional connection mode.The results indicate that the HIF is smaller，the ESCR is larger and the TOV is smaller under the hierarchical connection mode.The hierarchical connection mode is more superior with the traditional one.

hierarchical connection mode；hierarchical interaction factor（HIF）；effective short circuit ratio（ESCR）；transient over⁃voltage（TOV）

TM72

：A

：2096－3203（2017）02－0032－06