多落点直流电网的安全稳定运行.pdf

2 0 1 5年第 2期 上海电力 7 多落点直流电网的安全稳定运行 崔 勇 ， 武 霄 ， 杨增辉 ( 1 国网上海市 电力公 司电力科学研究院 ， 上 海2 0 0 4 3 7 ； 2 上海 电力学 院 电气工程系 ， 上海2 0 0 0 9 0 ) 摘要： 世界上已建成了很多复杂大规模的多落点直流电网， 多回直流密集馈入给电网带来的新问题将受到 广泛关注。本文首先系统阐述了多落点直流电网安全稳定运行的关键问题， 然后， 以上海多落点直流电网为 例， 介绍了上海多落点直流电网面临的挑战和采取的措施 ， 为世界上其它多落点直流电网提供参考。 关键词： 直流输电； 多落点直流电网； 上海电网； 稳定 中图分类号： T M7 2 ； T M7 1 2 文献标志码： A 0 引言 随着经济的快速增长、 电网建设水平的提升 ， 以及高压直流输 电技术的发展 ， 中国经过多 回直 流从西向东输送大量的水电。两个或两个以上的 高压直流输电系统通过电气 连接 的交流系统 ， 被 称为多落点直流电网。例如 ， 现在华东电网和广 东电网已有七 回高压直流输 电线。根据规划 ， 中 国将建设更多大规模的多落点直流电网。由于直 流输电系统大容量和紧密的电气联 系， 直 流系统 的正常运行对多落点直流电网至关重要。多 回直 流和多落点直流的安全稳定运行带来的新问题值 得关注。 在本文中首先系统阐述了多回直流电网安全 稳定运行 的关键问题。分析了多落点直流受端电 网的影响， 指出了多回直流 电网存在的问题 和相 应的策略。然后 ， 以上海多落点直流电网为例 ， 介 绍了上海多落点直流电网面临的挑战和采取 的措 施 ， 以确保上海 电网的安全稳 定运行 。这将 为世 界上 的其它多落点直流电网提供有力的参考 。最 后 ， 对多落点直流电网的安全稳定运行进行 了总 结和展望 ， 并给出了一些建议。 1 多落点 直流 电网的关键 问题 多落点直流电网安全稳定运行有如下几个关 键 问题。 1 1电能计划安排 在多落点直流 电网中 ， 直流的送电计 划需要 根据 电网电力平衡来安排 ， 若冬季水 电少发使得 直流送电功率变小 ， 则引起电力平衡困难 。安排 系统备用容量时， 需要考虑单 回直流双极闭锁因 素。多回直流送 电功率之间可进行协调 ， 使得 电 网潮流分布更加合理 ， 系统网损最小。 1 2 系统调峰 直流是否参与 系统调峰对调 峰平衡影 响较 大。直流参与调峰 ， 缺 口将变小 ， 否则调峰缺 口将 变大 。 1 3无功电压控制 直流系统的无 功电压控制策略 比较复杂， 直 流正常运行时， 消耗大量无功功率， 需要在换流站 内配备足够的无功补偿装置 。直流送 电功率较低 时， 由于交流滤波器仍然投入， 直流向交流系统注 入大量无功功率。交流系统故障导致直流换相失 败时 ， 换流器消耗的无功功率增加 ， 而交流滤波器 提供 的无功减少 ， 导致从交流系统吸收大量无功 功率 。直流发生闭锁后 ， 交流滤波器来不及切除 ， 剩余大量无功功率将注入交 流系统 ， 引起交流暂 态过 电压 。直流恢复过程 中， 随着无功消耗 的增 大 ， 从交流 系统吸收无 功， 若多 回直流同时恢复 ， 无功需求将很大 ， 若交流 系统较弱或者无功储备 不足 ， 则直流恢复较为困难 。 1 4交直流 系统交互影响 多落点直流电网的交直流相互作用程度采用 多馈人短路 比来衡 量 ， 若交流系统 的 MI S C R3 ， 则认为弱交流系统。 随着 同一地区馈人直流数量 的增加 ， 短路 比 进一步变小。短路 比变小 ， 意味着系统稳定裕度 减小 ， 直流闭锁引起的暂态过电压升高 ， 多回直流 同时换相失败的可能性增大。交流系统发生故障 时 ， 直流逆变站换流母线交流 电压降低 ， 直流电压 也降低 ， 从而使直流电流升高 ， 换相 电压的降低和 直流电流的升高都会 引起换相角变大 ， 由于逆变 8 上海电力 2 0 1 5年第 2期 侧 的触发超前角还没来得及变化 ， 所 以熄弧角降 低 ， 若小于正常换相所要求熄弧角的最小值 ， 则直 流发生换相失败 ， 换相失败使直流系统在一定时 间内出现直流电输送功率降低甚至 中断的现象 。 如果多个换流站 同时出现换相失败 ， 将给受端系 统造成较大 的瞬时有功 冲击 ， 影响系统运行 。如 果故障切除时间较长或受端系统较弱 ， 受端系统 内出现较大的功率和电压波动， 将 引发系统功角 失稳或电压崩溃， 当换相失败持续时间较长， 将导 致直流闭锁 。 t在多落点直流电网中还需要关注如下问题 ， 交流系统发生故 障后 ， 是否会导致多个逆变站 同 时或相继发生换相失败?某一直流系统发生换相 失败或闭锁故障后 ， 是否会引发 其它逆变站换相 失败或闭锁 ， 甚至导致交流系统暂态失稳?换相 失败后各逆 变站 恢复 时间需 要多久?换 相失败 后 ， 直流系统和交流系统应采取哪些 控制措施才 能最大限度地保证系统安全稳定运行? 为了预防和控制换相失败 可采取 如下 的措 施 ： ( 1 ) 减小多馈入交互因子 ， MI I F越小 ， 直流系 统发生相继 同时换相失败的可能性就越小 ， 增大 短路 比和电气 距离 降低直流 功率可以减小 MI I F。 ( 2 ) 增大超前触发 角或熄 弧角的整定值 ， 限 制交流母线电压的变化 ， 也可防止换相失败的发 生。但增大触发角或熄弧角的整定值将降低直流 系统 的传输容量 ， 增大换流阀电压 、 系统消耗的无 功功率和换流变压器的额定功率 。 ( 3 ) 使用新 型直流输 电技术 ， 如 电容器换 相 的换 流 器 ( C a p a c i t o r C o m mu t a t e d C o n v e r t e r ， 简 称 为 C C C ) 可有效减少 换相失败发生的概率 ， 可容 许存在 1 5 2 0 的换相压降而不发生换相失 败 ； 电压源换流器 ( V o i h a g e S o u r c e d C o n v e r t e r ， 简 称为 v s c ) 则可以完全避免换相失败 的发生。 ( 4 ) 采用动态无功补偿装 置进行无 功补偿 ， 增大系统有效短路 比， 以减少交流电压 大幅度下 降时换相失败的概率 。 ( 5 ) 当系统检测到交流扰动可能会引发换相 失败时 ， 提前发 出出发脉 冲， 减小 触发角 ， 增加换 相裕度， 避免换相失败 的发生。 1 5 交直流 系统协调控制 通过交直流协调控制 ， 可 以大幅提 高交直流 系统 的稳定性。直流功率调制 ( D C P o w e r Mo d u 1 a t i o n ， 简称为 D C M) 是在直流集控 系统 中加人附 加直流调制器 ， 从两端交流系统中提取反映系统 异常的信号来调节直流的传输功率 ， 使之快速吸 收或补偿其所连交流系统的功率过剩或缺额 ， 起 紧急支援和阻尼振荡的作用。这种方法称为直流 功率调制。 阻尼控制也称小方式 调制 ， 主要用 于提高多 馈入系统动态稳定性 ， 抑制功率振荡。直流紧急 功率支援也称大方式调制 ， 一般直流具有 1 1倍 的长期过负荷能力和 1 5倍的短期过负荷能力。 当某条直流因故停运 ， 可利用正常运行 的直流备 用容量或短时过负荷能力来承担停运直流的部分 或全部功率 。或者交流系统中突然 出现大量的功 率缺额 ， 可利用与其相连的直流来快速补充功率 缺额。 多回直流之间也可 以进行协调控制 ， 提 高系 统阻尼 ， 抑制低频振荡发生。 1 6多回直流 同时闭锁 当多 回直流同时发生闭锁 ， 将对多落点直流 电网产生重大影响， 甚至可能引发系统功角稳定 、 电压稳定或者频率稳定等稳定 问题 ， 导致系统大 规模停电。 提高多落点直流电网安全稳定性 的措施有 ： 加强交流系统强度 ， 交流系统增加动态无功补偿 ， 如 S V C、 S T A T C O M、 同步调相机 ， 优化直流控制器 参数， 采用直流功率紧急提升， 多回直流之间进行 协调控制 ， 直流闭锁后采用安控装置切机 、 切负荷 或者实施系统解列。 1 7 大规模多落点直流电网建模仿真 对多落点直流 电网进行建模仿真时 ， 首先要 建立 H V D C 的模 型 ， 目前 H V D C模 型 主要 有 3 种 ： 简单模型将 H V D C表示为换流站换流母线处 注入的恒定有功和无功功率 ， 或用静态换流器方 程和直流控制的定电流、 定熄弧角、 定电压等功能 效应表示 ， 不计直流控制的动态。响应模型忽略 直流线路和极控 制的动态过程 ， 用准稳态方程描 述换流器 ， 用电阻表示直流线路 ，用控制系统的 总效果而不是硬件的实际特性表示控制功能。详 细模型计及直流线路 的动态效应 ， 用动态模 型详 细描述换流器的各种闭环控制 ， 考虑换流器的角 度限制 ，基于切换逻 辑 自动实 现控 制模式 的转 换。可以根据研究 目的来选取合适 的 H V D C模 2 0 1 5年第 2期 上海电力 9 型 。 一 直 以来 ， 由于大规模电网建模 困难 ， 直流模 型复杂 ， 以及仿真软件仿真规模和速度制约 ， 对大 规模多落 点直流 电网进行 建模仿真是 比较 困难 的。因此可以对大规模 电网进行 动态等值 ， 降低 系统规模 ， 或者采用机 电暂态与电磁暂态混合仿 真技术 ， 直流系统采用 电磁暂态模型， 其余系统采 用机 电暂态模型 ， 或者采用数字与物理混合仿真 技术 ， 将 直流控制保护装置与 R T D S实时仿真装 置连接起来 ， 进行闭环仿真 。 1 8 其他问题 此外 ， 还有一些其他问题 ， 当直流单极大地回 线运行时， 直流电流经直流接地极流人大地 ， 造成 较大范围内的地 电位变化 ， 直流 电流经变压器 中 性点侵入变压器绕组 ， 引起变压器直流偏磁。引 起变压器噪声增 大， 振 动加剧 ， 损耗增加 ， 发生过 热 ， 交流电网的谐波畸变增大。若多 回直流同时 单极运行时 ， 变压器直流偏磁现象更加严重。 由于直流换流变均接地 ， 降低了系统 的零 序 阻抗 ， 如果零序阻抗小于正序阻抗 ， 单相短路电流 大于同一地点的三相短路 电流甚 至超标 ， 目前无 专门针对 5 0 0 k V电网单相短路电流超标的有效 解决措施 。 2 上海多落点直流电网面临挑战 截止 2 0 1 2年底 ， 上海 电网总装机容量为 2 1 4 7 G W。上海 电网历史最大负荷是 2 6 1 2 1 G W。 目前 ， 上海电网为 5 0 0 k V双环 网结构 ， 如 图 1所 示。通过 3个交流通道与华东电网内的其他电网 相连 ， 通过 4回直流与华 中电网相连 ， 这 4回直 流 通过紧密的交流系统电连接， 属于多直流落点电 网。 图 1 5 0 0 k V上海 电网结构 4回直流分别是葛南直流、 宜华直流、 复奉直 流、 林枫直流 ， 表一介绍这四回直流。这四回直流 的额定容量之和为 1 2 6 G W， 约 占上海最大负荷 的 5 0 。2 0 1 2年上海 电网从直流受人 的电量 已 占总受电量的 9 8 ， 所以 ， 直流 的正常运行对上 海电网至关重要。 表 1 4回直流简介 直流名称 电压等级 k V 额定 容量 M W 投运时间 葛南直 流 5 o o 1 2 o 0 l 9 9 0 宜华直流 5 o o 3 o 0 o 2 O O 6 复奉直 流 8 o o 6 4 o o 2 0 1 0 林枫直流 5 0 0 3 O 0 0 2 0 1 1 上海多落点直流电网主要面临如下挑战。 2 1 调峰矛盾突出 上海 电网负荷特性呈现 国际化大都市特征 ， 用电峰谷差逐 年拉大 ， 预计 2 0 1 3年将 达到 1 1 6 G W o 考虑到本地机组最低技术 出力 ， 以及交直流 受电计划 ， 上海电网的调峰缺 口将达 1 G W。 2 2 无功电压控制 困难 上海电网无功电压控制较为困难 ， 尤其在低 谷时段。比如 2 0 1 1年国庆节 ， 上海电网负荷为 9 7 3 4 MW， 直流站交流流滤波器 向交流系统注入无 功功率高达 t 2 0 8 Mv a r ， 部分 5 0 0 k V母线电压 已 超过 5 3 0 k V。直流闭锁后也会引起交流暂态过 电 压