交直流混合输电系统运行特性分析

交直流混合输电系统运行特性分析

0交直流混合输电系统稳定性运行难点及对策交通流混合输送线系统在促进区域电网互联方面发挥着重要作用。其运营规律是目前能源领域研究的重要课题之一。2001-06-26500kV天广直流双极投运,成为世界上10多例交直流并联运行系统之一,且系统容量、输送功率之大乃世界罕见。大规模交直流混合输电系统安全稳定运行的技术难点较多。总结运行实践经验,开展这方面的理论研究,掌握交直流混合输电系统安全运行规律,对于保证南方电网的安全稳定运行具有重要意义。本文通过介绍天广交直系统运行以来几次比较大的事件,特别是对2006-06-23罗马线区外故障引发天广直流双极闭锁的保护动作、直流运行特性的分析,引申提出直流输电工程需要认真研究解决的几个问题。1直流系统运行分析天广直流双极投运后总体运行情况良好,在历年的迎峰度夏期间长期满负荷运行,截至2006年6月底累积外送电量32.1GWh,为南方电网的电力供应做出重大贡献。南方电网交直流混合运行的电网结构形成了较强的输电系统(见图1),在系统故障情况下交直流系统互相支援,可以分散受电方的电力损失风险,提高电网安全运行稳定能力。2001-03-08天平双回跳闸,西部网与东部网以天广直流双极带500MW互联继续稳定运行;2001-05-07天平一回线检修,天生桥地区雷击导致天平二回线和天贵线跳闸,云南电网与东部电网通过直流系统互联继续稳定运行。两次事故中直流系统的PSD动作,为广东电网提供了重要的电力支援,对系统稳定起到了重要作用。交直流混合运行后,直流系统的调制功能可以抵消电力系统扰动引起的功率变化,还具有随交流频率、系统电压变化及时调整、起到抑制系统低频振荡的作用。但是交直流混和运行也有一些新的特点并带来一些新的问题。(1)天生桥系统控制系统主要为:①直流输电系统故障对交流稳定冲击,特别是双极闭锁冲击很大。如2001-08-14直流双极闭锁,甩负荷1550MW。天生桥一级电厂切机4台共1150MW,并解列云南电网,系统低周达49.54Hz。天平线潮流由1480MW增加到1620MW,天广交流沿线电压短时大幅下降,梧州电压由523kV降为508kV。②直流输电系统接地极电流入侵交流变压器会导致变压器励磁电流畸变。(2)直流系统存在问题突出表现为:①逆变站附近的交流线路发生接地故障,经常造成换相失败。如2006年7月增城一回线单相故障导致天广、贵广、三广3条直流同时换相失败等。②交直流系统混合运行的保护配合问题研究不够深入,存在定值不当、直流保护系统考虑不周等,发生过交流系统故障引起直流系统未避开区外故障而双极闭锁的事故。典型事故为2004-04-04直流区外马窝站原220kV罗马线故障,由于天广直流极Ⅰ、极Ⅱ换流变小差保护(KBCH130)的电流滤波回路设置有缺陷(电流滤波回路中,换流变三角型侧电流输入未接入零序滤波器),而造成双极闭锁,甩负荷1400MW,天生桥一级电厂切机3台共900MW,并解列云南电网,系统低周达49.41Hz。2006-06-23500kV罗马线区外故障,交直流系统保护定值配合不当导致天广直流双极闭锁。2交流电压下降交流系统故障对直流系统的影响是通过加在换流器上的换相电压变化而起作用。交流系统发生故障时,交流电压下降的速度、幅度以及相位的变化都会影响直流系统的运行。下面以2006-06-23罗马线区外故障引发天广直流双极闭锁事件为例,分析其保护动作情况和直流系统运行特性。2.1关闭过程2.1.1交流场及直流南方电网西部通道全接线运行(见图1),马窝换流站220kV和500kV交流场以全接线方式运行。天广直流双极以定功率方式带1440MW运行,盘天线带-98MW(潮流向天二电厂),天广一、二、三、四回分别带593MW、596MW、313MW、936MW。天生桥地区西电东送3878MW。2.1.2错误消息(1)流保护基频保护段04:36:26.411s,马窝站天广直流系统极Ⅰ、极Ⅱ各自的3套直流保护基频保护Ⅰ段均告警。04:36:27.156s,直流极Ⅰ、极Ⅱ换流变零序过流保护(7SJ711)出口,天广直流双极闭锁。04:36:27.215s,极Ⅰ、极Ⅱ各自的3套直流保护基频保护Ⅱ段均出口。(2)500kv通信工作站信息04:36:27s,500kV罗马线LFP902D保护和LFP901D保护A相接地距离II段均出口跳闸。(3)保护及2-距离iii动作罗马线主一保护(R561):A、B、C三相跳闸;PHS-STFW-A;ZM2(距离II)动作;ARBLOCK。罗马线主二保护(LFP902D):A、B、C三相跳闸;1016ms;Z2(距离II)动作;A故障;测距77.3km。罗马线主三保护(LFP901D):A、B、C三相跳闸;1016ms;Z2(距离II)动作;A故障;测距78.3km。2.1.3天广直流双极0mw500kV罗马线跳闸、天广直流双极闭锁后,系统潮流为:盘天线125MW(潮流向盘电),天广一、二、三、四回分别带879、886、882、0MW,天广直流双极0MW,天生桥地区西电东送2647MW(不包括盘天线),减少1579MW。2.2直流系统正常运行维护直流双极闭锁后分析认为:500kV罗马线3套主保护的后备保护距离二段同时动作,说明发生了区外故障,故障点未能及时切除,造成罗马线后备保护动作;直流系统100Hz基频保护Ⅰ、Ⅱ段分别动作,直流电流出现振荡,表明交流系统发生了激烈扰动;同时,系统出现零序电流,导致换流变中性点零序过流保护动作,而换流变其它保护未动作,初步判断换流变发生故障可能性较小,本次直流闭锁应是由于交流系统发生激烈扰动所致,在切除交流故障点,系统扰动消除后可尽快恢复直流系统运行。在分析故障同时,为及时恢复直流系统运行,现场立即检查换流变等设备,未发现异常。直流闭锁40min后恢复正常运行。2.3直流保护行为与直流运行性能的分析2.3.1动保护故障判断由罗马线故障录波(见图3)可见,4:35:26.148s,罗马线保护检测到A相接地故障,A相电流增加、电压下降,产生零序电流。主一、主二高频距离未收到对侧允许信号,主一电流差动保护未启动,故障发生1.016s后,罗马线主一保护REL561的后备保护距离Ⅱ段、主二保护(LFP-902D)的后备保护距离Ⅱ段、主三保护(LFP-901D)的后备保护距离Ⅱ段均出口跳闸切除故障。REL561保护接地距离二段正序电阻定值11.57Ω,动作时间1.00s;LFP-902D保护接地距离二段电阻定值11.7Ω,动作时间1.00s;LFP-901D保护接地距离二段电阻定值11.7Ω,动作时间1.00s。罗马线全长87.19km,主二、主三保护测距分别为77.3、78.3km,均判断A相故障。罗马线保护正确动作。2.3.2不平衡换相机变工况分析(1)天广直流换流器正常控制(见图4a):整流侧(天侧)以定电流控制、最小触发角αmin限制,逆变侧(广侧)以定电压控制,直流系统运行于A点。(2)6月23日罗马线A相发生区外单相接地故障时,系统产生较大的零序电流分量,系统E1下降。根据理论计算公式:Udl=1.35E1cosα-(3/π)Xγ1Id,系统E1下降将导致直流电压Udl下降,而引起直流电流下降。故障时直流电流下降。为稳定电流,天侧直流系统触发角迅速移相,α角降至最小触发角(5°),整流站转换为最小触发角αmin控制,直流电流仍未恢复到对应的功率设定值(1440MW),此时,逆变站由定电压转换为定电流控制,直流系统带1296MW运行(90%Idref)。天广直流系统由A点转换为B点运行(见图4b)。天广直流仍处于稳定运行工况。(3)由于不平衡换相电压的影响,在直流系统中产生100Hz基频,从故障录波中(见图5)可以看出,直流电流、电压均出现明显的交流分量波动,400ms内有40个周波即100Hz的波动。此时,极Ⅰ、极Ⅱ各自的3套直流保护基频保护Ⅰ段均启动,经过约300ms的延时后,触发直流系统降电流指令(定值为30%Idref)。触发角α移相至约22°运行(见图6),直流功率降为430MW运行。天广直流仍处于稳定运行工况。2.3.3极、极的电路设计故障录波表明(见图7),罗马线A相故障时,直流极Ⅰ、极Ⅱ换流变的零序过流保护(7SJ711)均检测到零序电流。极Ⅰ、极Ⅱ换流变的零序电流均为0.28A,超过启动值(定值0.20A)。到达延时(1s)后动作,极Ⅰ、极Ⅱ换流变的零序过流保护均出口,跳各自的进线开关,分别启动极Ⅰ、极Ⅱ的ESOF顺序。直流极控系统收到ESOF命令后立即移相到120°(见图5),同时向对侧发出ESOF命令,直流电流很快降为零,直流线路呈线路电容放电状态缓慢下降,逆变站收到ESOF命令,将触发角限定在160°。直流双极转为备用状态。直流系统100Hz基频保护Ⅱ段,到达延时(1s)后也动作出口,从直流工作站SER(见图2)看,比换流变零序过流保护(7SJ711)约晚50ms。2.3.4hs基频保护罗马线A相发生区外故障,系统未能及时切除故障点,罗马线后备保护动作出口,同时,由于换流变零序过流保护、直流100Hz基频保护与罗马线后备保护动作时间相同,换流变零序过流保护动作出口,导致直流双极闭锁。罗马线保护和直流系统保护均正确动作,但扩大了事故。天广直流系统在故障时期处于稳定运行工况,达到了天广直流系统固有的运行特性,并且在直流闭锁前已经降额30%运行,为直流闭锁后系统的稳定提供了有力