特高压直流输电接入江西电网动态电压稳定分析

1、第28卷第6期2011年12月现代电力M o d e r n E l e c t r i c P o w e r V o l .28No .6D e c.2011文章编号:1007-2322(201106-0017-06文献标志码:A中图分类号:TM 71特高压直流输电接入江西电网动态电压稳定分析蔡恒1,刘东兴2,刘崇茹2,韩民晓2,王康2(1.江西省电力科学研究院,江西南昌330096;2.华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206D y n a m i c V o l t a g e S t a b i l i t y A n a l y s i s o n U H V D C A

2、c c e s s i n g t o J i a n g x i P o w e r G r i d C A I H e n g 1,L I U D o n g x i n g 2,L I U C h o n g r u 2,HA N M i n x i a o 2,WA N G K a n g2(1.J i a n g x i E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ,N a n c h a n g330096,C h i n a ;2.S c h o o l o f E l e c t r i c a l a

3、 n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ,N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 102206,C h i n a 基金项目:国家自然科学基金项目(50807013;中央高校基本科研业务费专项资金资助(10Z G 02;教育部“111”引智项目(B 08013摘要:以特高压直流输电线路接入江西电网为背景,基于江西电网规划数据,采用B P A 作为分析软件,对江西省电网的动态电压稳定性进行分析。结合稳定曲线分析工具,依据动

4、态电压稳定判据进行仿真计算,结果表明:江西电网系统内所有500k V (除赣高安、赣芦洲、赣新余外及其以上电压等级交流线路发生三相短路故障,江西电网无需采取任何措施,江西省内枢纽母线动态电压稳定;赣高安、赣芦洲、赣新余分别发生三相短路故障后会引起赣换流母线电压失稳,采用直流功率调制措施后失稳现象消失;直流系统发生闭锁故障后,赣换流母线电压偏高,采取切除无功补偿措施,母线电压恢复正常。关键词:特高压直流输电;动态电压稳定;直流功率调制;直流闭锁A b s t r a c t :I n t h e b a c k g r o u n d o f U H V D C t r a n s m i s

5、s i o n l i n e a c c e s s i n g t o J i a n g x i p o w e r g r i d ,o n t h e b a s i s o f J i a n g x i p o w -e r s y s t e m p l a n n i n g d a t a ,t h e d y n a m i c v o l t a g e s t a b i l i t y o f J i a n g x i p o w e r g r i d i s a n a l y z e d b y u s i n g o f B P A.W i t h s t

6、 a b l e c u r v e a n a l y s i s t o o l ,b a s e d o n d y n a m i c v o l t a g e s t a b i l i t y c r i t e -r i o n ,s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h r e e -p h a s e s h o r t c i r c u i t f a u l t o c c u r s o n a l l t h e 500k V a n d a b o v e t r a n s m

7、i s s i o n l i n e s i n J i a n g x i g r i d s y s t e m (e x c e pt G a n G a o a n ,G a n L u z h o u ,G a n X i n y u ,n o m e a s u r e s n e e d t o b e t a k e n f o r J i a n g x i p o w e r g r i d ,a n d t h e d y n a m i c v o l t a g e o f t h e h u b b u -s e s i s s t a b l e .V o l

8、t a g e i n s t a b i l i t y o c c u r s i n G a n c o n v e r t e r b u s w h e n t h r e e -p h a s e s h o r t c i r c u i t f a u l t o c c u r s i n G a n G a o a n ,G a n L u z h o u ,o r G a n X i n y u ,a n d t h e i n s t a b i l i t y d i s a p p e a r s b y D C p o w e r m o d u l a t i

9、o n .T h e v o l t a g e l e v e l o f G a n c o n v e r t -e r b u s i s s l i g h t l y h i g h e r w h e n b l o c k f a u l t o c c u r i n g i n D C s y s -t e m ,a n d t h e v o l t a g e l e v e l r e c o v e d t o s t a n d a r d n o r m a l b y r e -m o v i n g r e a c t i v e p o w e r c o

10、 m p e n s a t i o n .K e y w o r d s :U H V D C ;d y n a m i c v o l t a g e s t a b i l i t y ;D C p o w e r m o d u l a t i o n ;D C b l oc k 0引言通过采用高压直流输电技术,能够缓解原有高压交流输电网络高短路电流水平这一不利的情况,同时直流线路也对两侧交流线路中的振荡起一定的阻尼作用,但交直流相互作用产生的不稳定现象也值得重视1。正常工作时,换流站需要吸收大量的无功功率,大约为直流输送功率的50%60%2,虽然这部分功率一般由换流站自身的无功补偿设

11、备提供,但是直流线路无功功率波动将会引起换流母线电压出现较大波动,直流线路的输送距离和功率增加使得交直流母线电压稳定问题日益严重3。根据扰动的大小,动态电压稳定可以分为小扰动稳定和大扰动稳定,根据响应时间的长短,动态电压稳定包括暂态稳定、中期稳定和长期稳定4。动态电压稳定分析的具体方法主要有3种:特征分析法,方法通过求解线性化状态方程系数矩阵的特征值及特征向量,然后求解出特征值的相关因子和相关比,可以得出与系统稳定相关的信息,帮助分析失稳的原因,进而提出预防和控制电压失稳的策略5;动态最大功率曲线法,该方法与静态最大功率法不同的是考虑直流线路、发电机、励磁参数、控制装置等动态模型对于直流线路最

12、大传输功率的影响6;时域仿真法,该方法一般适用于分析大扰动下系统的暂态或中长期电压稳定性,以潮流计算得到的稳定运行点作为模型的平衡点,通过一阶线性化手段得出系统线性化模型,并利用时域积分方法得到小扰动下系统中各个节点电压随时间变化的曲线7。判断系统的动态电压稳定问题,可以通过建立系统D D A E (D i f f e r e n c e D i f f e r e n t i a l A l ge b r a i c E -qu a t i o n s 模型的方法,利用差分方程可以考虑到系统实际正常运行的动态特性,尤其是系统内部的旋转元件(如发电机和自动化控制设备(如励磁调节器、调速器等,利

13、用代数方程能够合适地描述网络中静态元件的稳态运行特性(如变压器、输电线路、无功补偿电容等,目前对这些元件在系统崩溃故障中的作用情况缺乏统一的认识,动态电压稳定分析的理论和方法还有待更深的发展,一般利用时域仿真的方法判断系统中节点是否会出现持续低于电压允许值下限的情况8。本文采用时域仿真法,通过B P A 仿真软件进行特高压接入后江西电网的动态电压稳定分析。1动态电压稳定判据本文采用时域仿真法,其动态电压稳定判据:枢纽母线电压低于0.75(p.u .,持续时间0.8s 以内:稳定。枢纽母线电压低于0.75(p .u .,持续时间0.81.0s 范围内:临界稳定。枢纽母线电压低于0.75(p .u

14、 .,持续时间1.0s 以上:不稳定。此外,本文还引入动态过电压判据如图1所示。其中横坐标为允许过电压持续时间,纵坐标为交流电压的标幺有效值 。图1动态过电压判据2交直流系统动态电压稳定控制方案在发电机输出功率和负荷调节方式给定的情况下,提高交直流联合系统电压稳定水平的交流侧控制措施主要有切负荷、投切无功补偿、调节发电机励磁以调节发电机无功输出和调节有载调压变压器(O L T C 的抽头等。直流侧控制措施主要有改变换流站无功补偿容量、减小整流侧换流变压器变比、增加逆变侧换流变压器变比,减少整流器的给定电流值和逆变器的给定熄弧角以及直流功率调制。本文主要考虑交直流系统直流侧动态电压稳定控制措施中

15、的直流功率调制和换流站投切无功补偿设备。实际直流输电工程中,直流线路被设计具有1.1倍的长期过载能力和3s 的1.5倍短时过载能力,这使得直流系统具备很强的调节能力。当两端交流系统发生故障时,直流线路可以利用过载能力快速地弥补交流网络内由于故障出现的功率缺额,减少安保措施切除的发电机和负荷的数量,不仅提供系统的供电可靠性,而且增强了系统的暂态稳定能力,并从源头上避免了由功率失衡引起的电压波动和低电压持续时间过长的现象出现。在实际应用中,直流功率调制可分为小方式调制、大方式调制和双侧频率调制。根据江西电网的特点主要研究大方式功率调制对系统动态稳定性的影响,其控制器结构如图2所示9 。图2大方式直

16、流调制原理框图大方式调制的输出信号为直流功率调制信号,主要作用是向系统同步功率支持,消除故障后交流线路上的功率振荡,除了增强系统阻尼外,还可以扩展系统暂态稳定极限,保障系统在大扰动情况下稳定运行,调制幅度一般为直流功率的20%50%。对于两端直流输电系统,整流侧和逆变侧的直流功率分别为P d r =U d r I d (1P d i =U d i I d(2式中:U d r 和U d i 分别为整流侧和逆变侧的直流电压,可由式(3和式(4表示:U d r =K r (1.35U r c o s -3I d X r /(3U d i =K i (1.35U i c o s -3I dX i /(

17、4而直流电流I d 可由式(5表示:81现代电力2011年I d=U d r-U d iR c r+R L-R c i(5式中:Ur 和Ui分别为整流器和逆变器换流变压器阀侧空载线电压;Xr 和Xi分别为整流侧和逆变侧的换相电抗;Kr 和Ki分别为整流侧和逆变侧单极六脉动换流桥数;Rc r 和Rc i分别为整流器和逆变器的等效换相电阻;RL为直流线路的等效电阻。由式(1(5可见,通过改变和可以改变直流电流,从而调整直流传输功率。换流器吸收的无功功率可表示为Q c=P d t a n(6式中:为换流器的功率因数角,即c o s=Ud c/U a c(7式中:Ud c 和Ua c分别为直流电压和交

18、流电压标幺值。换流器吸收的无功功率与直流输送的有功功率的关系由式(6确定。3算例分析3.1电网结构到2015年,根据国家电网规划,江西省电网主要由500k V/220k V为主,其中500k V线路主要集中在江西省北部,主要按东西分布,由500k V 主干线路形成局部小环或条状结构,并通过两回1000k V线路和两条500k V线路与湖北省电网相连,这3条线路分别是武汉南昌、黄石永修、咸宁梦山。整个江西境内500k V电网网架以环网为主,通过2回500k V线路将赣南与赣北地区电网相连接,这样江西省内电网形成了一个稳固并且可靠性高的输电网络。到2016年,蒙西新昌±800k V特高压

19、直流线路将建成,以双极运行的方式传输功率,额定运行功率为7500MW,这条线路建成以后将加强江西电网与其他地区电网的联系。3.2仿真条件和工具按照电力系统安全稳定导则与国家电网公司电力系统稳定计算规定,结合江西电网具体要求,本文在分析江西电网超高压直流系统受端交流母线电压稳定问题时,所设置的主要故障为:任意一回1000k V或500k V线路单回线单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开不重合;直流线路发生单极闭锁和双极闭锁。主要针对与赣换流母线连接的3条交流线路,江西省内其他交流线路故障和直流线路故障进行仿真。仿真工具为电力系统综合分析计算软件B P A。3.3仿真结果分析 。图32016年

20、夏大方式赣换流赣芦洲50双回线路单回线发生三相短路故障、另一回线路连锁跳闸故障(赣换流侧故障换流站500k V侧母线正序电压1.01.12(p.u.。电压曲线如图4。通过仿真分析,其余江西内500k V交流线路发生故障后,不需要采取任何措施,各枢纽母线电91第6期蔡恒等:特高压直流输电接入江西电网动态电压稳定分析 图42016年夏大方式赣换流赣高安50双回线路单回线发生三相短路故障、另一回线路连锁跳闸故障(赣换流侧故障换流站500k V 侧母线正序电压图52016年夏大方式赣换流赣新余50双回线路单回线发生三相短路故障、另一回线路连锁跳闸故障(赣换流侧故障换流站500k V侧母线正序电压针对上

21、述3种情况,采用直流功率调制将功率提升为1.1(p.u.。仿真结果如图68。特高压直流10周波时发生单极闭锁,不采取任何措施,江西省内各枢纽母线电压均高于0.75(p.u.,赣换流母线电压过高,电压失稳,而且一直处于波动中,波动范围:1.181.22 (p.u.,如图9所示。针对这种情况,在发生单极闭锁后,0.06s后送端切除无功补偿1750MV a r, 受端切除无功补偿图6赣换流赣芦洲50发生故障,直流功率提升到1.1(p.u.,换流站500k V 侧母线正序电压图7赣换流赣高安50发生故障,直流功率提升到1.1(p.u.,换流站500k V 侧母线正序电压图8赣换流赣新余50发生故障,直

22、流功率提升到1.1(p.u.,换流站500k V侧母线正序电压2500MV a r,江西省内各枢纽母线电压均高于0.75 (p.u.,电压最低节点是N a n C HM,电压大小是0.9619(p.u.,赣换流母线电压波动消失,稳定值为1.07(p.u.,系统能够保持稳定,如图10所示。2现代电力2011年 图92016年夏大方式蒙西-江西特高压直流单极闭锁故障时,换流站500k V 侧母线正序电压图102016年夏大方式蒙西-江西特高压直流单极闭锁故障时,采用切除无功补偿措施换流站500k V侧母线正序电压特高压直流10周波时发生双极闭锁,不采取任何措施,江西省内各枢纽母线电压均高于0.75

23、(p.u.,赣换流母线电压过高,电压失稳,而且一直处于波动中,波动范围:1.251.28 (p.u.,如图11所示。针对这种情况,在发生双极极闭锁后0.06s后送端切除无功3500MV a r,受端切除无功5000MV a r,江西省内各枢纽母线电压均高于0.75 (p.u.,电压最低节点是赣瑞金50,电压大小是0.8505(p.u.,赣换流母线电压波动消失,稳定值为1.05(p.u.,系统能够保持稳定,如图12所示。4结论从本文的仿真计算分析,可以得到以下结论:在夏大运行方式下,江西电网系统内所 有图112016年夏大方式蒙西-江西特高压直流双极闭锁故障时,换流站500k V 侧母线正序电压

24、图122016年夏大方式蒙西-江西特高压直流双极闭锁故障时,采用切除无功补偿措施换流站500k V侧母线正序电压500k V及其以上电压等级交流线路(除了赣高安、赣芦洲、赣新余外发生三相短路故障(包括0.1s 跳开故障线路及0.1s同时跳开同杆双回线路后,江西电网无需采取任何措施,赣换流母线的动态电压稳定。在夏大运行方式下,直流系统发生单极闭锁故障后,切除闭锁极侧的无功补偿,双极闭锁故障后,切除换流站的全部无功补偿,赣换流站母线动态电压稳定。12第6期蔡恒等:特高压直流输电接入江西电网动态电压稳定分析 参 考 文 献 现代电力 年 北京：水利电力出版社， 赵畹君 高压直流输电工程技 术 北 京： 中 国 电力出版社， 徐梅梅，李兴源，白 加 林， 等 交 直 流 并 联 系 统 的 换流母线电压 稳 定 性 分 析 电 力 系 统 自 动 化， ， （ ） ： 周保荣，金小明，吴 小 辰，等 特 高 压 直 流 对 交 直 流 并 联 电 网 安 全 稳 定 影 响 南 方 电 网 技 术， ， ： （ ）