（电力系统及其自动化专业论文）宁东直流输电对山东电网影响的仿真研究.pdf

山东大学硕士学位论文 压为7 3 0 k v ) 。 关键词：高压直流输电；受端电网；安全稳定；过电压 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e i m p l e m e n t a t i o no fp o w e rg r i d i n t e r c o n n e c t i o na n dt h e p o w e r t r a n s m i s s i o nf r o mw e s tt oe a s t ，t h en a t i o n a lp o w e rg r i do fc h i n ah a sd e v e l o p e d q u i c k l yi nr e c e n ty e a r s ah y b r i da c d cp o w e rg r i dw i l lb ef o r m e di nt h ef u t u r e a c c o r d i n gt ot h ep l a n n i n go fs t a t eg r i dc o r p o r a t i o n ，s h a n d o n gp o w e rg r i dw i l l a c c e p t4 0 0 0 m wf r o mn o r t h w e s tp o w e rg d dt h r o u g ht h en i n g x i a - s h a n d o n gd cl i n e s i n2 010 s h a n d o n gp o w e rg r i dw i l lg r a d u a l l yc h a n g et ob er e c e i v i n ge n da n dh y b r i d a c d cp o w e rg r i d t h e r e f o r e ，t h es t a b i l i t ys t u d i e so fr e c e i v i n ge n d ，w h i c hm a i n l y c o n s i d e r st h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e na ca n dd cs y s t e m s ，a r ei m p o r t a n t b e s i d e s ，w i t h t h eo p e r a t i o no fm o r ea n dm o r ed cl i n e s ，o v e r v o l t a g ec a u s e db yf a u l t so ro p e r a t i o n b e c o m e st h em a i nt h r e a tt od e v i c ei n s u l a t i o no fc o n v e r t e rs t a t i o n s o ，o v e r v o l t a g e r e s e a r c hb a s e do na c t u a ld c p r o j e c ti sv e r yu s e f u l t h i st h e s i sp e r f o r m sas t u d yf r o mt w oa s p e c t so ft h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e na c a n dd cs y s t e m s ，i n c l u d i n gt h es t a b i l i t yo fr e c e i v i n ge n da n dt h eo v e r v o l t a g eo fa c b u sa tc o n v e n e rs t a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r es t a t e db e l o w u s i n gad i g i t a ls i m u l a t o rp s a s p , t h es t a b i l i t ys t r e n g t ho fs h a n d o n gp o w e r 酣d a n ds t e a d y s t a t er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na tq i n g d a oc o n v e n e rs t a t i o na r es t u d i e d b a s e do nt h ep o w e rg r i dp l a n n i n go f2 010 t h ei n f l u e n c eo fd cf a u l t so nt h e s t a b i l i t y o fr e c e i v i n ge n d ，c o m b i n e dw i t ht h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e na ca n dd cs y s t e m s ，i s m a i n l yr e s e a r c h e d s h a n d o n gp o w e r 鲥d ，a sr e c e i v i n ge n d ，h a sl a r g ep o w e rr e c e i v i n g c a p a c i t yi n2 0 10 u n d e rd cb i p o l a ro p e r a t i o nm o d e ，12s e t so fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ts h o u l db ei n p u t t e da tq i n g d a oc o n v e r t e rs t a t i o n m o s tf a u l t s o f5 0 0 k va cl i n e si ns h a n d o n gp o w e rg r i dc a nc a u s ec o m m u t a t i o nf a i l u r e s b u t ，t h e s t a b i l i t yi s n td a m a g e db e c a u s ed cs y s t e mc a nr e c o v e rf r o mc o m m u t a t i o nf a i l u r e s a f t e rf a u l t sd i s a p p e a r g e n e r a l l y , t h ef a u l to fn i n g x i a - s h a n d o n gd cc o u l d n tl e a dt o t h ev o l t a g eo rf r e q u e n c ys t a b i l i t yp r o b l e mi nr e c e i v i n ge n d b u t ，i tc o u l dm a k et h e v o l t a g eo fl o a dc e n t e rd r o p i no r d e rt oo v e r c o m et h i sp r o b l e m ，s o m er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t sa r eh e l da tc o n v e r t e rs t a t i o n a f t e rt h ec o m m i s s i o no f b i n z h o ut i e l i n e s ，l o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o nm a yh a p p e nb e t w e e ns h a n d o n ga n d i l i 山东大学硕士学位论文 w e s t e r ni n n e rm o n g o l i ag d db e c a u s eo fd cb l o c k i tc a nb ep r e s e n t e da sp o w e r o s c i l l a t i o no ft h et i el i n e sb e t w e e ns h a n d o n gp o w e rg r i da n dn o r t hc h i n a p o w e rg r i d b e s i d e s ，t h em a x i m u mt r a n s m i s s i o np o w e ro ft h et i el i n e sb e t w e e ns h a n d o n gp o w e r g r i da n dn o r t hc h i n ap o w e rg r i di sa n a l y z e d e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tm o d e lo fn i n g x i a - q i n g d a od cs y s t e mi se s t a b l i s h e d b a s e do nad i g i t a ls i m u l a t o re m t d c t h ea ct r a n s i e n to v e r v o l t a g ea tq i n g d a o c o n v e n e rs t a t i o ni sr e s e a r c h e df r o mf o u ra s p e c t si n c l u d i n gl o a dr e j e c t i o no v e r v o l t a g e 、 o v e r v o l t a g ec a u s e db ye n e r g i z i n g c o n v e n e rt r a n s f o r m e r 、a cf i l t e r s w i t c h i n g o v e r v o l t a g ea n dc l e a r i n go v e r v o l t a g eo fa ce a r t hf a u l t t h em a x i m u ml o a dr e j e c t i o n o v e r v o l t a g ei s1 2 6 8 p u ( p e a kv o l t a g ei s5 6 9 k v ) a tq i n g d a oc o n v e n e rs t a t i o n ，w h i c h h a p p e n su n d e rd cb i p o l a ro v e r l o a do p e r a t i o nm o d e t h e r e f o r e ，t h e r ei sn on e e dt o t a k em e a s u r e st ol i m i to v e r v o l t a g e b o t ho v e r v o l t a g ec a u s e db ye n e r g i z i n gc o n v e n e r t r a n s f o r m e ra n da cf i l t e r s w i t c h i n go v e r v o l t a g ea l ev e r ys m a l l ，w h i c hc a nb e c o n t r o l l e db yp a r a l l e l i n gr e s i s t a n c eo nb r e a k e r t h ec l e a t i n go v e r v o l t a g eo fa ce a r t h f a u l ti sm a i n l yc o n c e m e dw i t ht h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n ta tf a u l tc l e a r i n gt i m ea n dt h e d i s t a n c eb e t w e e nt h eb u sa n dt h ef a u l tp o i n t t h ec l e a r i n go v e r v o l t a g eo fa ce a r t h f a u l t ，a tq i n g d a oc o n v e n e rs t a t i o n ，i s1 9 2 6 p u ( p e a kv o l t a g ei s8 6 5 k v ) w i t h o u t a r r e s t e r b u t ，i tr e d u c e st o1 6 2 5 p u ( p e a kv o l t a g ei s7 3 0 k v ) a f t e ra r r e s t e r si n s t a l l e do n c o n v e n e rt r a n s f o r m e r sa n da cf i l t e r s k e yw o r d s ：h v d c ；r e c e i v i n ge n d ；s a f e t ya n ds t a b i l i t y ；o v e r v o l t a g e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 塑塞! 窒：日期：! 矽；寸 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：】蜀鍪耋：导师签名：理：l 量：! 珀1 1 期：型垒垒兰 l，、l 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 高压直流输电( h v d c ) 因为不存在功角稳定问题、可实现功率快速调节和 运行可靠等优点，利于应用在远距离、大容量输电和电网互联。 我国能源分布与负荷发展很不平衡。水力资源主要分布在西南数省，煤炭资 源主要集中在山西、陕西和内蒙西部，而2 3 以上的负荷位于东部沿海地区。采 用高压直流输电方式，可实现远距离、大规模的西电东送，有利于资源优化配置； 另一方面，利用直流输电进行大区电网互联具有技术、安全和经济方面的优势。 因此，直流输电在我国的应用前景将变得非常广阔【2 ，3 1 。 截至2 0 0 7 年1 0 月，我国已建成并正式投运葛( 洲坝) 沪( 上海) 、三( 峡) 常( 州) 等7 个超高压直流输电工程和灵宝直流背靠背工程，直流输电线路总长 度7 0 8 5 k m ，输送容量1 8 5 6 g w ，线路总长度和输送容量均居世界第一。根据规 划，n 2 0 l o 年前后，8 0 0 k v 向家坝一上海直流工程将建成投运；至1 j 2 0 2 0 年前后， 溪洛渡一株洲、溪洛渡一浙西等特高压直流工程也将建成。届时，我国将建成特 高压直流工程1 5 个，包括特高压直流换流站3 0 座，线路约2 6 0 0 0 k m ，输送容量达 至f j 9 4 4 0 g w 。 山东地处东部沿海，水力和煤炭资源相对匮乏。而随着人民生活和经济水平 的提高，电力需求快速增长，大规模电力输入是山东电网发展的必然选择。按照 国家电网公司规划，继2 0 1 0 年前后宁东一青岛直流线路进入山东后，蒙古一寿 光、呼盟一高密等直流线路先后落点山东，交流特高压和海阳核电也相继投运， 届时山东将形成强大的交直流互联电网。因此，针对山东电网开展交直流系统相 互影响研究对于电网安全稳定意义重大。 1 2 交直流相互影响研究现状及存在的问题 对于交直流相互影响的研究目前主要集中在电压稳定性、换相失败、过电压 和低频振荡四个方面，本节总结了以上四个方面国内外研究现状并阐述了存在的 问题。 1 2 1 国内外研究现状 一、电压稳定性研究 山东大学硕士学位论文 换流器消耗的无功功率通常是直流输送功率的4 0 - - 6 0 ，这给电力系统 带来了不利的负荷特性。而高压直流输电用于远距离大容量输电时，通常落点重 负荷区，难以向换流站提供无功。这使得与直流线路相连的交流系统电压稳定问 题变得日益严重。尤其对于弱交流系统，此问题尤为突出。 关于交直流系统电压稳定性的研究主要集中在电压稳定性分析方法上。影响 系统电压稳定的因素较多，如交流系统强度、直流系统控制方式和换流站无功补 偿等。所以寻找一种评价交直流系统电压稳定性的方法变得相当复杂。目前常用 的方法根据数学模型的不同分为两类：一类是基于潮流方程的静态分析方法；另 一类是基于微分方程的动态分析方法。 静态分析方法无需求解微分方程，分析方法较简单，有短路比法、电压稳定 指标法、延拓法和崩溃点法等。文献 4 通过对直流输电系统输送能力研究，提 出了以短路比( s h o r tc u r r e n tr a t i o ，s c r ) 来衡量与换流站相连交流母线的电压 稳定性。此方法将交流系统进行了戴维南等值，并计及滤波和无功补偿设备，能 快速评估系统电压稳定性，但没有考虑直流本身的控制方式。文献 5 参照 d q d v 判据，提出了基于电压稳定指标( v o l t a g es t a b i l i t yi n d e x ，v s i ) 的电压稳定 性分析方法，并用该法分析了不同控制方式下逆变侧交流母线电压稳定性。文献 6 ，7 提出通过电压稳定系数( v o l t a g es t a b i l i t yf a c t o r , v s f ) 乒i j 断系统电压稳定性， 跟文献 5 中的v s i 两者本质是一样的。文献 8 ，9 】通过分析崩溃点法和延拓法在 交直流系统电压稳定性分析中的优缺点，提出将两者结合用于交直流系统电压稳 定性分析的思路。文献 1 0 在文献 8 的基础上提出了基于延拓法的交直流系统 电压稳定性耦合分析方法。该法用于分析换流站不同无功补偿和直流控制方式对 电压稳定性的影响，结果表明，换流站合适的无功补偿及直流控制方式有利于系 统电压稳定。 动态分析方法需求解微分方程以判断系统电压稳定性，主要研究方法有模态 分析法、分岔理论分析法等。文献 1 1 在模态分析的基础上，提出新的电压失稳 模式与功角失稳模式的鉴别方法，阐述了完整的判断系统电压稳定性的算法。并 通过算例分析直流输电系统运行方式及控制参数对动态电压稳定性的影响，验证 了该方法的合理性。文献 1 2 阐述了分岔理论的基本原理，从静态分岔和动态分 岔两个方面介绍了分岔理论在交流系统电压稳定分析中的应用，但应用于交直流 2 山东大学硕士学位论文 系统电压稳定性分析还有待进一步研究。 二、换相失败研究 当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间 内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕， 这两种情况在阀电压转变为正向时被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒 换相，这称之为换相失败n3 。换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，通常 发生在逆变侧。它可能导致直流电压降低、直流电流增加、换流阀寿命减小、换 流变压器直流偏磁及直流系统谐振过电压等后果。如果控制不利有可能演化为连 续换相失败，最后导致直流输送功率中断。目前对于换相失败的研究主要围绕导 致换相失败的因素及其预防控制措施展开。 1 、导致换相失败的因素。 造成换相失败的直接原因是换流阀运行的关断角厂小于其最小关断角。 交流系统对称运行时，逆变器的关断角为n 2 1 一c o s 警如s 司 ， 其中：k 为换流变压器变比，吮为逆变器交流侧母线线电压有效值，厶为直流电 流，t 为换相电抗，为超前触发角。 当逆变侧交流系统发生不对称故障，交流线电压过零点前移角度为妒时，逆 变器的关断角为 一。s 警+ c o s 卜 2 ， 由式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 可知，熄弧角，的大小与交流电压、直流电流l 、超前触 发角、换流变压器变比七和换相电抗t 有关。在交流系统发生不对称故障时， 还与电压过零点偏移角度缈有关。其中，z 主要由换流变压器电抗决定，其值越 小，越不容易发生换相失败。后是静态调节参数，用于维持y 在合适的范围内。 因此，在故障过程中能用于调节的状态量有、l 、，。降低，厶增大， 山东大学硕士学位论文 p 、y 减小都可能引起换相失败。在电力系统实际运行中，引起换相失败的主要 原因有1 4 叫”： 1 ) 换流站交流母线电压u ，下降； 2 ) 直流电流厶上升： 3 ) 超前触发角或熄弧角y 设定值过小； 4 ) 交流系统不对称故障导致交流线电压过零点前移； 5 ) 换流阀触发系统故障； 6 ) 换流站交流母线受谐波影响，电压波形畸变。 对于多馈入交直流互联系统，除了以上因素外，不同换流站之间的电气距离 也是导致多个换流站同时或相继发生换相失败的重要因素。 2 、换相失败预防措施 关于换相失败预防措施的研究，主要从换相失败影响因素入手1 8 之0 1 ，集中在 以下几个方面： 1 ) 增大或y 的整定值。增大或y 的整定值能有效的减少逆变器换相失 败，但同时也会增大逆变器的无功吸收。在逆变侧交流母线电压不变的情况下， 如果直流电流不变，增大或y 的整定值能减小直流电压，降低直流线路的传输 容量，增大逆变器的无功吸收，因此该方法是以经济性为代价的。 2 ) 提前发出触发脉冲【2 i - 2 4 1 。当检测到交流系统故障可能引起换相失败时， 提前发出触发脉冲，增大超前触发角可预防换相失败。 3 ) 采用新型换流器。采用电容器换相换流器( c a p a c i t o rc o m m u t a t e d c o n v e r t e r , c c c ) 能有效减少换相失败发生的几率。但换流器发生逆弧故障时， 电容上易产生过电压【2 5 , 2 6 】。电容器换相换流器属于有源逆变器，采用的是半控型 器件，仍然无法从根本上避免换相失败。基于电压源换流器的新型直流输电系统 ( v s c h v d c ) 以全控型器件为基础，可工作在无源逆变方式，电流能够自关 断，能从根本上解决换相失败问题妇7 1 。 4 ) 利用无功补偿维持换相电压稳定。利用无功补偿装置对直流系统尤其是 联于弱交流系统的直流系统进行无功补偿，能够增大交流系统的有效短路比n 1 ， 4 山东大学硕士学位论文 降低交流母线电压对暂态故障的敏感度，预防换相失败的发生。 除了上述方法外，采用较大的平波电抗器抑制直流电流上升，改善交流系统 的频谱特性，降低换流变压器的短路电抗等也可减小换相失败发生的几率n 8 | 。 3 、换相失败控制措施 逆变器发生换相失败后，如果不及时采取控制措施，有可能演化为连续的换 相失败，严重时有可能导致直流闭锁，功率传输中断。因此，为了防止发生连续 换相失败，应该采取必要的控制措施，如依赖于电压的电流限制( v o l t a g e d e p e n d e n tc u r r e n to r d e rl i m i t ，v d c o l ) 、改变触发脉冲次序、采用合适的直流 恢复速率等口引。 v d c o l 的作用是当逆变侧交流电压严重下降时，根据交流电压变化强制降 低直流电流，便于逆变器换相，使其从换相失败中恢复过来，并保持低电压小电 流运行，直到交流系统故障消除。另一方面，v d c o l 减小了直流输送功率，同 时减少了逆变器无功消耗，有利于交流电压的恢复乜引。 改变换流器触发脉冲次序可以控制换相失败的发展过程，降低直流电流，避 免连续换相失败的发生。 如果逆变侧交流电压下降严重，两次连续换相失败后，通常需要投入包括最 后一个开通阀在内的旁通对。旁通对投入后，直流线路通过旁通短路，避免了直 流电流进入换流变压器造成直流偏磁。如果旁通后交流电压依然继续下降，通常 需要发出换流器闭锁信号，直流系统停运。 交流系统故障切除后直流输电系统的快速恢复有助于缓解交流系统的功率 不平衡，提高交流系统的稳定性。但快速的直流恢复速度通常需要交流系统大量 的无功支持。如果直流功率恢复过快，有可能导致后继的换相失败和交流电压失 稳。因此，为保证换相失败重启动的成功，应根据交流系统强度采用合适的直流 恢复速率。 三、过电压研究 换流站交流侧过电压可分为工频过电压和操作过电压，这也是目前换流站交 流侧过电压研究的主要内容。 l 、工频过电压 工频过电压是由直流甩负荷引起的，也称直流甩负荷过电压。影响工频过电 山东大学硕士学位论文 压大小和持续时间的因素有故障f ； 换流站投入滤波器容量、交流系统的短路容 量、换流变饱和励磁特性、换流站对故障的响应策略( 重新启动和v d c o l 方式) 和过电压的控制策略等。文献 2 9 利用电磁暂态仿真工具e m t p e 计算天广直流 紧急停运时换流站交流母线的过电压水平，并在此基础上提出过电压控制措施。 2 、操作过电压 操作过电压研究主要集中在换流变投入引起的过电压、交流滤波器合闸操作 过电压和交流接地故障清除过电压三个方面。其中，前两个通常过电压并不严重， 可以采取断路器加装合闸电阻和选相合闸装置措施加以控制，而交流接地故障清 除过电压通常较高，也是进行换流站交流侧避雷器配置与绝缘配合的主要工况。 文献 3 0 依托向家坝至南汇直流输电工程，研究了交流侧操作过电压。文献 3 1 利用e m t d c 、n e t o m a c 等仿真工具，通过计算换流站交流母线各种操作 过电压水平，提出了交流侧绝缘配合方案。 四、低频振荡及其对策研究 低频振荡是指在小扰动的作用下，发电机转子间的相对摇摆。系统发生低频 振荡后，如果电力系统有足够的阻尼，则振荡逐渐消失；如果系统成弱阻尼或负 阻尼状态，则振荡越来越剧烈，系统会失去动态稳定。通常认为，低频振荡的频 率与网络结构、运行方式、发电机参数和发电机励磁调节器特性关系密切。关于 系统产生负阻尼的原因，比较确定的结论是发电机的快速励磁系统会引起系统负 阻尼，电网负荷过重会使系统阻尼降低。此外，电网互联也会使系统阻尼降低心1 。 低频振荡常用的研究方法有特征值分析法和p r o n y 分析法【3 2 , 3 3 1 。特征值分析 法是在工作点附近将系统线性化，形成系统状态方程矩阵，进而求取特征值，并 分析系统低频振荡的模式、振型、参与因子和灵敏度等。p r o n y 分析法是用指数 函数的线性组合来拟合等间隔采样数据，从中分析出信号所包含模式的幅值、相 位、阻尼和频率，是一种时域中的模态参数辨识方法。 根据分析结果，在振荡强相关机组安装电力系统稳定器( p o w e rs y s t e m s t a b i l i z e r p s s ) 是目前常用的抑制低频振荡方法。对于含有直流线路的交直流系 统，也可以通过直流调制来抑制低频振荡。文献 3 4 通过对天广交直流系统配置 p s s 前后的仿真结果分析，证明了p s s 抑制交直流系统低频振荡的有效性。文献 3 5 分析了南方电网区域功率振荡模式，并对采用不同直流调制方式的系统进行 6 山东大学硕士学位论文 时域仿真。在此基础上设计了可以有效抑制南方电网内区域功率振荡的直流调制 控制器，并将其应用于贵广直流工程中，提高了南方电网运行的稳定性。文献 【3 6 3 8 介绍了美国西部互联电网( w s c c ) 中的太平洋直流联络线( p a c i f i ch v d c i n t e r t i e ) 和山区电力工程( i n t e r m o u n t a i np o w e rp r o j e c t ) ，利用它们的直流调制功 能成功抑制了并列运行的交流联络线上的功率振荡，而且显著提高了交流联络线 的传输容量。 1 2 2 存在的问题 一、多馈入交直流系统电压稳定性分析方法 上文中提到的静态和动态分析方法目前仅用于分析单馈入系统。对于多馈入 系统，交直流系统问的相互作用更为复杂，直流调制和控制手段的协调策略更多， 大大增加了分析的难度。如何完善已有的分析方法并将其应用到多馈入系统中是 今后交直流系统电压稳定性研究的方向。 二、h v d c 系统模型的建立 h v d c 系统模型通常根据其对直流换流器、直流线路和直流控制系统的仿真 精度来划分，但各种模型之间的界限并不十分严格 3 9 - 4 1 1 。文献 4 2 中将h v d c 模型分为简单模型、响应模型和详细模型三类，即便是详细模型，也只是准稳态 模型，没有涉及到h v d c 电磁暂态模型。电磁暂念仿真程序如e m t d c 、i 盯d s 、 h y p e r s i m 等直流系统模型中均建立了详细换流器电磁暂态模型，可精确描述换 相失败现象n 引。但电磁暂态仿真工具往往存在仿真规模限制，难以准确分析大规 模电力系统，通常需要将交流系统进行动态等值，这就降低了仿真的准确度h 引。 因此，将大规模复杂电力系统的机电暂态仿真和局部系统的电磁暂态仿真集成在 一个进程中，通过接口技术，实现机电暂念与电磁暂态的混合仿真是今后h v d c 系统建模研究的重点。此外，通过电磁暂态模型的抽象和简化，保留引起换相失 败的特征变量，利用动态向量法等分析工具建立考虑电压畸变的直流换相相量模 型及相应的交流系统模型，从而突破准稳态模型的限制，形成更先进的直流系统 模型，是今后直流系统建模的个可行思路h 引。 三、换相失败后的控制措施及功率恢复策略【4 6 4 9 1 研究重点包括：某个直流系统发生换相失败后，直流和交流系统应采取何种 措施才能避免其它直流系统相继发生换相失败、最大限度的维持系统安全稳定； 7 山东大学硕士学位论文 故障清除后，如何克服交直流系统之间以及直流系统之间存在的不良相互作用， 制定多馈入交直流系统间功率的协调恢复策略，避免功率恢复过程中多次换相失 败的发生。 四、p s s 与直流调制控制器的协调配合 随着大量直流线路的投入运行，直流调制在抑制低频振荡方面的作用也越来 越大。如何协调p s s 之间、不同直流调制控制器之间以及p s s 与直流调制控制 器之间的参数，实现多控制器参数优化，也是目前研究的热点和难点。 1 3 本文所做的工作 本文利用电力系统仿真软件p s a s p 和p s c a d e m t d c ，结合山东电网2 0 1 0 年规划，以交直流系统相互影响为研究重点，从受端交流电网安全稳定性及换流 站交流母线过电压两个方面展开了研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 采用p s a s p 建立交直流混合系统机电暂态模型，在山东电网交流系统 强度和青岛换流站稳态无功补偿分析的基础上，围绕交直流系统相互影响，研究 了交直流故障对受端电网安全稳定性的影响。其中，交流故障研究以是否会导致 直流系统换相失败为重点；而对于直流故障闭锁的研究，从直流闭锁后山东电网 的频率变化、电压变化及华北联络线的功率振荡三个方面展开。此外，论文还对 多种运行方式下华北联络线的最大传输功率进行了分析。 ( 2 ) 在e m t d c 仿真软件下建立了宁东直流系统电磁暂态模型，在此基础 上从甩负荷过电压、换流变投入引起的过电压、交流滤波器合闸操作过电压和交 流接地故障清除过电压四个方面开展青岛换流站交流侧短时过电压研究，并根据 计算结果，提出了青岛换流站交流侧避雷器配置方案。 8 山东大学硕士学位论文 第二章受端山东电网安全稳定性分析 山东网内电源主要位于济宁、菏泽、聊城、德州等西部地区，而负荷主要在 济南、淄博、潍坊、青岛等中东部地区，负荷和电源的不平衡分布形成了山东电 网“西电东送”的潮流格局。 按照国网公司规划，宁东直流于2 0 0 8 年动工，2 0 1 0 年建成投产。基于两侧 电网的强度、优化损耗和技术经济比较的综合考虑，宁东直流输电电压定为 6 6 0 k v 。作为世界第一个+ 6 6 0 k v 的直流工程，其换流阀仍然采用与+ 5 0 0 k v 标准 设计相同的直径为1 2 5 m m ( 5i n ) 的阀片，通流能力为3 k a 。与+ 8 0 0 k v 特高压 的双极双1 2 脉动结构相比，宁东直流换流阀仍然采用双极1 2 脉动结构，需要的 换流变数目为特高压的一半，但单台换流变容量均比+ 5 0 0 k v 和+ 8 0 0 k v 直流换流 变要大。 直流的接入，与华北电网的互联，5 0 0 k v 主网架的不断完善和“西电东送” 通道的进一步加强，使得山东电网的规模和复杂性大大提高嘞1 。针对电网结构特 点和运行方式，开展受端电网运行稳定性研究，对于保障山东电网的安全稳定运 行具有重要意义。 本章基于山东电网2 0 1 0 年规划，计算了四种运行方式下山东电网的强度， 分析了不同直流运行方式下逆变站的无功补偿，围绕交直流系统相互影响，重点 研究了不同交直流故障下受端电网的稳定性，并提出了相应的安全稳定措施。 2 1 系统仿真模型和计算条件 2 0 1 0 年山东电网将在网内“五横两纵”5 0 0 k v 主网架的基础上，通过聊城、 滨州两个5 0 0 k v 变电站与华北电网连接，通过宁东- 4 - 6 6 0 k v 直流接受来自西北电 图2 12 0 1 0 年山东电网主网架示意图 9 山东大学硕士学位论文 网约4 0 0 0m w 的电力，形成初具受端电网形态的交直流混合电网。2 0 1 0 年山东 电网主网架如图2 1 所示。 按照规划，2 0 1 0 年山东电网装机容量将达5 2 g w ( 不包括宁东直流) ，全网 最高负荷4 0 g w ，5 0 0 k v 变电站3 0 个，电网规模迅速提高，系统建模和计算分析 的复杂性和难度也大大提高。 本文基于2 0 1 0 年华北、华中、华东和山东联网数据，采用电力系统分析综 合程序p s a s p 进行计算，保留了5 0 0 k v 和2 2 0 k v 两个电压等级主网络。 宁东直流传输功率很大，一旦闭锁造成的有功缺额只能依靠山东网内热备用 和华北联络线功率支援来提供，以维持其正常频率。因此，为了分析网内热备用 多少对直流闭锁后频率的影响，本章计算中根据网内热备用的多少考虑了以下四 种运行方式：方式i 为无备用；方式i i 为3 备用；方式i i i 为6 备用；方式 为1 0 备用。 2 1 1 模型选择 发电机模型：山东网内发电机采用考虑毛”，历”和岛7 变化的五阶模型，计 及励磁和调速系统，并对某些大型机组考虑了电力系统稳定器的作用；华北、华 中和华东电网发电机以六阶和五阶模型为主，有少量小容量机组采用经典模型， 计及励磁、调速系统和电力系统稳定器的作用。 负荷模型：华北、华中、华东及山东网内负荷大部分为静态负荷z i p 模型并 考虑负荷频率效应哺，只有少量负荷为恒阻抗模型。其中，z i p 模型中恒功率负 荷占6 5 ，恒阻抗负荷占3 5 。 直流模型：直流系统采用准稳态模型，整流侧为定电流控制，逆变侧定熄弧 角和定电压共同控制。 2 1 2 计算条件 故障设置：一般故障：直流单极故障和5 0 0 k v 交流线路三相永久故障0 1 s 后线路切除。严重故障：直流双极故障、5 0 0 k v 同塔双回线路同时跳掉以及 5 0 0 k v 线路三相永久故障开关拒动故障延时切除佑2 | 。 稳定计算原则：双回、多回或环网5 0 0 k v 交流线路，任一回线三相永久故 障，断开不重合，无稳定措施，保持系统稳定；直流输电线路单极故障，无稳定 措施，保持系统稳定：任一台大容量发电机组失磁或跳闸，不应引起系统稳定破 1 0 山东大学硕士学位论文 坏；同塔双回线的异名两相同时发生单相接地故障，双回线三相同时跳开，应能 保持系统稳定运行，必要时允许采取切机和切负荷等稳定控制措施；直流输电线 路双极故障，应能保持系统稳定运行，必要时允许采取切机和切负荷等稳定控制 措施。 稳定判据：功角稳定判据为故障清除后，任意两台发电机功角差不超过 1 6 5 0 且减幅振荡。电压稳定判据为故障清除后，枢纽变电站母线电压减幅振荡 并逐渐恢复到o 8 p u 以上，全网母线电压持续低于o 7 5 p u 的时间不超过1 s 。 频率稳定判据为采取切机、切负荷措施后不发生频率崩溃，且系统频率能恢复到 4 9 5 h z 以上，持续低于4 8 5 h z 的时间不超过l s 。 需要指出的是，仿真中直流系统采用准稳态模型，逆变站母线电压低于 0 7 p u 就认为导致换相失败，无法准确的反映换相失败过程，准确反映换相失败 还有待于直流模型的进一步完善瞄引。 2 2 交流系统强度分析 在电网运行中，直流系统和交流电压之间存在着闭环相互影响。直流系统运 行参数的变化会导致流入换流站有功功率和无功功率的变化，并引起换流站交流 母线电压的波动，而换流站交流母线电压变化又会对直流的运行产生重大影响。 2 2 1 短路容量与短路比 电力网络某点的短路容量等于该点三相短路电流与额定电压的乘积，如果短 路电流i 用k a 表示，相间电压u 用k v 表示，则短路容量s s c ( m v a ) 为： 8 5 c = 3 u i ( 2 1 ) 短路容量是系统电压强度的标志，短路容量大( 对应于低阻抗) ，表明网络 强，负荷、并联电容器或电抗器的投切不会引起电压幅值大的变化；相反，短路 容量小表明网络弱。 对于交直流系统相互影响的程度可以用交流系统的短路比( s h o r tc i r c u i t r a t i o ，s c r ) 来衡量，其定义如下： s c r = 鲁t z z ) n 其中，s s c 是换流站交流母线短路容量，是额定直流功率。 为了计及换流站交流滤波器和无功补偿电容器的作用，采用有效短路比 山东大学硕士学位论文 ( e f f e c t i v es h o r tc i r c u i tr a t i o ，e s c r ) 的概念， e s c r = 竖d 盈( 2 3 )， 其中，q c 为交流滤波器和无功补偿电容器在额定状态下所产生的无功功率之和。 文献 4 基于有效短路比将交流系统划分为极弱系统( e s c r 2 ) 、弱系统 ( 2 e s c r 3 ) ，根据交流系统的强弱来衡量换流站交流母 线电压的稳定性，即将直流输电作为换流站交流母线的负载，以短路比大小来衡 量交流系统带负载能力的强弱。 2 2 2 山东电网交流系统强度分析 本节计算了2 1 中提到的四种运行方式下山东电网交流系统在青岛换流站交 流母线处的短路电流和有效短路比如表2 1 所示。 表2 - 1 不同运行方式下逆变站的短路电流和有效短路比 方式i方式i i方式i i i方式 短路电流- a 2 7 8 02 7 8 82 8 0 02 9 5 3 e s c r5 8 45 8 65 8 96 2 4 由表2 1 的结果可见，在负荷一定的情况下，热备用多少对电网强度的影响 并不大。方式i 、i i 、i i i 下，换流站交流母线处的短路电流几乎没有变化。方式 在方式i i i 的基础上加开了山东电网东部部分机组，并调整了全网发电机出力， 使得短路容量有所增加。四种运行方式下，2 0 1 0 年山东电网的有效短路比都维 持在6 左右，属于强交流系统，具备大功率直流接入条件，能够承受宁东直流投 切带来的影响。 2 3 稳态分析 在直流输电系统运行过程中，由于两侧交流系统及直流系统自身运行条件的 变化，直流系统的运行方式也根据需要做出相应改变。而在不同的运行方式下两 侧换流站吸收的无功也相差很大。因此，研究直流系统不同运行方式下换流站投 入的无功小组数，对于保证交直流系统的正常运行具有重要意义。 直流系统运行方式通常分为双极运行、单极运行、双极过负荷运行和双极降 1 2 山东大学硕士学位论文 压运行等，本文基于山东电网2 0 1 0 年数据，计算了以上四种直流运行方式下青 岛换流站无功小组投入数及相应的电压水平，如表2 2 所示： 表2 2 不同直流运行方式下换流站无功小组投入数及相应电压水平 无功小组投入数换流站交流母线电压 直流系统运行方式 ( 1 8 0 m v a r 组) ( p u ) 双极运行 1 20 9 6 7 61 0 0 3 单极运行 50 9 9 5 4 0 9 8 7 双极1 1 倍过负荷运行 1 40 9 7 l 双极降压运行( 5 2 8 k v ) 1 00 9 8 8 由表2 2 可见，四种运行方式下青岛换流站交流母线电压均在正常范围内。 双极运行、双极过负荷运行和双极降压运行方式下电压在0 9 6 0 9 9 p u 之间，由 于青岛换流站位于负荷中心，无功负荷重，因此电压偏低比较正常。单极运行时 青岛换流站交流母线电压为1 0 0 3 1 p u ，高于以上三种运行方式，原因是双极运 行变为单极运行后造成的有功缺额大部分由负荷中心的发电机提供，也加强了负 荷中心的无功支撑。因此，单极运行方式下，青岛换流站可以减少投入无功小组 数为5 或4 ，其对应的交流母线电压也在正常范围内。 因此，换流站无功补偿投入组数并不是严格规定的，通常根据交流系统运行 方式的改变而做出调整，其调整依据就是换流站交流母线电压。 2 4 暂态稳定性分析 虽然电力系