调相机接入对浙江电网的影响研究

2018-03-08赵一琰黄弘扬宋春燕

浙江电力 2018年1期

赵一琰，华文，邓晖，黄弘扬，宋春燕

（1．国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2．国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

“十三五”期间，随着特高压交直流输电技术的发展与完善，我国电网将逐步形成长距离大容量交直流并列运行、多直流在受端电网集中馈入的基本特征[1]，电网规模日益扩大，交直流系统电气联系更为紧密，交互影响特性更为复杂多变[2-4]。当特高压直流受电比例不断提高，区外直流功率取代了大量常规机组，将导致交流电网动态无功支撑能力减弱，存在一定的安全隐患[5-7]。

在交流系统发生故障或直流系统恢复过程中，交直流系统间将产生较大的无功交换，若电网无功支撑不足可能导致直流系统连续换相失败[8]。近年来，我国电网曾经发生数起因交流系统故障引发多回直流同时换相失败的案例[9-10]，严重情况下甚至导致直流闭锁[11]，对电网造成较大冲击。此外，直流系统故障也可能引发交流系统电压稳定问题[12-13]。因此，为进一步保障交直流混联电网的安全稳定运行，必须采取有效的无功补偿手段[14]。

调相机作为电力系统重要的动态无功补偿设备，能快速向电网提供无极连续调节的容性或感性无功，可用于改善功率因数、降低网络损耗、调节地区电压、提高电压稳定水平[15]。相比于电容器等常规静态无功补偿装置，动态无功补偿设备不受电压约束，响应速率快，可进一步提高暂态电压稳定性[16]。因此，在交直流系统故障中可以快速提供无功支撑，加快电压恢复速率并降低换相失败风险。

根据“十三五”规划，华东电网将在特高压直流换流站引入调相机，提高交直流电网风险抵御能力。对此，以宾金、灵绍两大特高压直流接入后的浙江交直流混联电网为例，根据浙江电网的基本运行特征，分析调相机接入后对电网安全稳定水平的影响，研究成果将为今后调相机的实际运行提供参考。

1 浙江电网运行特性及仿真方法

1.1 浙江交直流混联电网运行概况

随着浙江省国民经济和电力工业的快速增长，特高压交直流电网发展迅速。2016年夏季，浙江省内第二个特高压直流输变电工程—±800 kV灵绍特高压直流输变电工程投运。至此，浙江电网已形成“两交两直”特高压网架结构。随着区外直流馈入功率的提高，浙江电网特高压直流受电比重进一步提高：2015年仅宾金单回直流接入时，特高压直流受电比例达到全省统调最高负荷的12.8%；预计2017年灵绍直流满功率送电后该比例将进一步提升至23.1%。

对于浙江交直流混联电网而言，交直流系统间电气联系紧密，某些交流线路故障可能引发单回直流连续换相失败，严重情况下会导致两回特高压直流同时换相失败，存在风险隐患[17]。国家电网就换相失败保护动作作出规定：“若宾金直流连续发生3次换相失败将执行双极闭锁指令”。此外，特高压直流输电系统中设备元件多、系统复杂、线路距离长，容易由于环境或设备原因导致故障，仅2015年内宾金直流已发生2起闭锁事故。一旦发生直流双极闭锁事故，将造成浙江电网潮流大范围转移，可能出现局部地区低电压等稳定问题[18]。

1.2 交直流混联输电系统问题的物理机理

当换流站交流母线电压快速跌落时，直流系统将发生换相失败，从而导致直流功率的大幅下降，继而影响交直流系统的稳定运行[19]。

工程上习惯采用换相失败临界电压Ucritical近似描述换相失败发生的条件。由于换相失败是由换流站交流母线电压的瞬间跌落造成的，非瞬间跌落式电压下降不会引起换相失败。

根据直流输电系统准稳态数学模型，可以近似推导得到Ucritical的解析式[20]：

加装调相机后，可在交直流系统故障过程中快速提供动态无功支撑，提高母线运行电压并加快电压恢复速率，在一定程度上避免故障后电压低于Ucritical，从而降低换相失败发生几率。

1.3 调相机参数及运行方式

根据“十三五”规划，华东电网将于2017年在各特高压直流落点换流站加装2台300 Mvar调相机，每台调相机通过22/525 kV专用升压变压器（以下简称升压变）接入对应换流站的交流母线。调相机及其升压变参数均采用上海电机厂提供的典型参数，如表1所示。

表1 调相机及其升压变主要参数

为进一步提高交直流电网风险抵御能力，安排调相机在电网正常运行时不参与换流站无功调节，仅在交直流故障过程中提供动态无功支撑。

1.4 浙江电网模型及相关参数

以下研究基于浙江电网2017年夏季平均高峰运行方式，考虑全省负荷水平约65 000 MW，宾金、灵绍直流落地功率7 500 MW。采用换流站近区小开机方式，即关停换流站近区内抽蓄机组、天然气机组和水电机组，负荷中心区域动态无功储备大幅下降，系统运行条件较为严苛。

利用BPA仿真软件，负荷采用电动机模型，包含60%的电动机模型以及40%的恒阻抗模型。发电机采用六绕组模型，励磁及PSS系统均采用实测参数。直流采用新型DA模型，采用整流侧定功率控制、逆变侧定关断角控制，与实际运行工况保持一致。

2 调相机接入对交流系统故障的影响

考虑500 kV线路主保护动作时间为近端90 ms切除，远端100 ms切除。对浙江省内500 kV线路进行N-2故障扫描可知：若乔司—涌潮线路发生三相永久性短路故障，容易导致灵绍直流连续换相失败。调相机接入前后，灵绍直流在该故障下的暂态仿真结果如图1所示。

图1 乔司—涌潮N-2三相永久性故障灵绍直流仿真结果

由图1仿真结果可知：未加装调相机时线路故障将造成灵绍直流连续8次换相失败，换相失败持续时间达到1.45 s，存在换相失败保护动作风险。在绍兴站接入调相机后，灵绍直流仅在短路接地过程中发生换相失败，故障切除后能够快速从换相失败中恢复。

因此，调相机接入可增强特高压直流连续换相失败抵御能力，在一定程度上避免因直流连续换相失败引起的直流闭锁事故。

3 调相机接入对直流系统故障的影响

3.1 调相机对直流系统重启动的影响

当直流线路发生瞬时性故障时，引起直流控制的再启动动作。若全压重启动失败，则直流系统会进入降压重启动，并设置直流运行电压为降压后的电压。由于保护降压重启动过程时间短，换流变压器分接头和滤波器均不能及时响应，使得换流器需要吸收更多无功功率，近区母线电压迅速降低。

根据宾金直流金华站控制保护定值单，宾金直流全压重启动的次数为2次，当宾金直流处于单极运行且通信正常时，宾金直流采用1次全压重启动，去游离时间为150 ms；若第1次全压重启动不成功，再进行一次降压启动，去游离时间为200 ms。

若宾金直流单极运行时正极线路发生瞬时性故障，第1次全压重启不成功，第2次降压重启动成功，直流运行电压为560 kV，仿真结果如图2所示。

由仿真结果可得：保护降压运行后金华站需要从交流系统吸收大量的无功功率，若不加装调相机，金华站需向交流系统吸收无功功率约1 290 Mvar；加装调相机后，单台调相机的无功功率提升至200 Mvar，金华站从交流系统吸收的无功功率降低至930 Mvar；加装调相机可使得故障后的金华站母线电压提升约5 kV。

保护降压运行期间金华换流站近区兰溪发电厂无功响应特性如图3所示。若无调相机，兰溪发电厂机组在故障后稳态无功功率达到了350 Mvar，超过了机组的额定无功功率319 Mvar，容易引起机组的过无功、过励限制等动作；加装调相机后，机组稳态无功功率降至297 Mvar，低于机组的额定无功。

因此，加装调相机可以减轻直流重启动对近区母线电压的影响，同时降低近区发电厂机组的无功输出，避免机组各种限制动作。

3.2 调相机接入对换流站大组滤波器母线故障的影响

图2 宾金直流保护降压运行金华站仿真结果

图3 宾金直流保护降压运行兰溪电厂仿真结果

由于特高压换流站大组母线包含4—5小组滤波器，以金华站为例，金华站内滤波器共分为4个大组，其中第1—3大组滤波器母线下挂4小组滤波器，第4大组滤波器母线下挂5小组滤波器，每小组滤波器对应的无功容量为287 Mvar，大组滤波器母线故障后将导致换流站出现较大的无功缺额。

当金华换流站第4大组滤波器母线三永故障后，金华站失去5小组共计1 435 Mvar容量的滤波器，仿真结果如图4所示。

图4 宾金直流大组滤波器故障金华站仿真结果

根据图4可知：若未加装调相机，金华站需从交流系统吸收无功功率约1 887 Mvar；加装调相机后，单台调相机可在故障后迅速提供约235 Mvar无功支撑，则金华站从交流系统吸收的无功功率降低至1 725 Mvar。对比母线电压可知，加装调相机可使故障后的金华站母线电压提升约8.25 kV。

因此，调相机的接入可在直流站大组滤波器故障后提供动态无功支撑，提高事故后运行电压。

4 结论

基于浙江交直流混联电网基本运行特征，通过交流系统和直流系统故障仿真分析，研究了调相机接入对浙江电网安全稳定的影响，得到调相机对交直流混联电网的主要影响如下：

（1）调相机的接入有效提高了交流系统对换流站的动态无功支撑能力，增强了特高压交直流混联电网的电压稳定性。

（2）调相机的接入能够有效降低交流系统故障导致的直流系统连续换相失败，增强特高压直流的连续换相失败抵御能力，降低交流系统故障连锁导致直流换相失败保护动作闭锁直流的风险。

（3）调相机的接入可有效补偿由于直流系统自身故障导致的换流站无功缺额，提高故障后交流系统电压水平，同时在一定程度上降低因发电机过无功带来的运行风险。

研究成果可用于调相机运行管理，并为调相机接入后的交直流电网稳定分析提供技术支撑。

[1]覃琴，郭强，周勤勇，等．国网“十三五”规划电网面临的安全稳定问题及对策[J]．中国电力，2015，48（1）∶25-32．

[2]邵瑶，汤涌．多馈入交直流混合电力系统研究的综述[J]．电网技术，2009，33（17）∶24-30．

[3]欧开健，荆勇，任震．多馈入直流输电系统换流母线电压稳定性评估模型和算法[J]．电力自动化设备，2003，（9）∶23-26．

[4]DENIS L，ANDERSSON G．Power stability analysis of multi-infeed HVDC systems[J]．Power Delivery，IEEE Transactions on，1998，13（3）∶923-931．

[5]HE JINGBO，LI MINGJIE，YI JUN，et al.Research on dynamic characteristics and countermeasures of AC-DC hybrid power system with large scale HVDC transmission[C]//2014 International Conference on Power System Technology，Chengdu，China，December 18，2014.

[6]林伟芳，汤涌，卜广全．多馈入交直流系统电压稳定性研究[J]．电网技术，2008，32（11）∶7-12．

[7]张勇军，韩东昆，刘巍．受端电网静态/动态无功补偿综合优化[J]．电力自动化设备，2009，29（3）∶32-35．

[8]欧开健，任震，荆勇．直流输电系统换相失败的研究（一）：换相失败的影响因素分析[J]．电力自动化设备，2003，23（5）∶5-9．

[9]朱韬析，王超．天广直流输电系统换相失败的分析及处理[J]．高电压技术，2008，34（8）∶1769-1773．

[10]王晶，梁志峰，江木，等．多馈入直流同时换相失败案例分析及仿真计算[J].电力系统自动化，2015，39（4）∶141-146.

[11]李国栋，皮俊波，郑力，等．±500 kV林枫直流双极闭锁故障案例仿真分析[J]．电网技术，2014，38（4）∶877-881．

[12]杨雄平，罗向东，李扬絮，等．南方电网直流闭锁故障时受端系统电压稳定问题分析[J]．电力系统保护与控制，2008，36（22）∶40-43．

[13]凌卫家，孙维真，叶琳，等．浙江交直流混联电网特性分析及运行控制[J]．浙江电力，2016，35（9）∶8-14．

[14]苏永春，程时杰，文劲宇，等．电力系统电压稳定性及其研究现状（二）[J]．电力自动化设备，2006，26（7）∶97-100．

[15]潘仁秋，何其伟，陈俊．大型调相机的保护配置及其实现[J]．江苏电机工程，2011，30（6）∶45-47．

[16]任丕德，刘发友，周胜军．动态无功补偿技术的应用现状[J]．电网技术，2004，28（23）∶81-83．

[17]高强，张小聪，施正钗，等．±800 kV宾金直流双极闭锁故障对浙江电网的影响[J]．电网与清洁能源，2014，30（11）∶47-51．