交直流电力外送通道的协调控制分析

边宏宇,郭崇军（国家电网公司华中电力调控分中心,湖北武汉43OO77）

文章编号：lOO7-2322（2Ol5）O6-OO36-O4 文献标志码：A 中图分类号：TM743

交直流电力外送通道的协调控制分析

边宏宇,郭崇军
（国家电网公司华中电力调控分中心,湖北武汉43OO77）

0 引 言

随着近几年电力资源迅速开发,电力外送需求急剧增大。高压直流持续满功率外送有效缓解了电力富余地区的外送压力。高压直流输电线路在用电高峰时段满载、重载逐步成为电网运行的新常态,在我国清洁能源外送、大范围资源优化配置中的重要作用日益凸显,在电网安全稳定运行、电力可靠供应方面的重要影响更是牵一发而动全身。但是,随着交直流外送通道耦合关系进一步增强,高压直流换相失败、再启动等故障都可能引起大量不平衡功率在交流电网涌动,造成交流外送断面等通道的潮流、电压大幅波动,可能造成送端交流电网解列。某些电力资源富集地区装机容量逐年增大,电力外送需求增加与外送通道能力有限的矛盾逐渐显露。

交流系统承受大功率转移的能力与直流功率及故障形态、交流断面初始功率、交流系统电压支撑等3个因素密切相关［1-5］。从这3方面入手,基于PSASP仿真程序,分析了高压直流外送与交流外送通道的协调控制特性。分析发现,直流功率越大、换相失败次数或 （降压）再启动次数越多,对

交流系统冲击幅度越大；交流断面初始功率越大,静稳裕度越小；交流电网开机容量越大,交流外送断面静稳极限越高,承受直流故障后功率转移的能

力越强,交直流协同外送能力越强。基于此特性,文中在保证虚拟系统稳定的基础上,探索了交直流协调预控策略以保证送端的电力外送能力。

1 研究网架联网结构及外送特性

文中构造了一个复杂的交直流外送电网为研究对象（如图1所示）,其中构造了三回直流外送、第一级交流外送断面（以下简称第一级断面）、第二级交流外送断面（以下简称第二级断面）及其开机容量对第二级断面功率转移有重要支撑作用的地区定义为中间网架,第一级断面人工配置了无功补偿装置以提高支撑能力,第二级断面配置了低压解列装置；直流外送断面仿真了三回高压直流（以下简称三回直流）与受端电网相联。以下重点分析三回直流与第一级断面、第二级交流断面的协调控制。

图1 虚拟电网交直流外送潮流示意图

2 直流换相失败、再启动故障的原因及影响介绍

高压直流输电技术广泛应用于长距离输电工程,文中所研究虚拟系统的三回直流额定外送功率总和为2 OOO万kW,且以上直流落点集中在受端电网负荷中心,落点近区由于暴雨台风等自然原因造成的较多单、三相永久故障均可能导致三回直流连续换相失败、再启动等故障。另外夏季负荷低谷时段送端交流电网开机水平较低,第一、二级断面稳定水平下降,如三回直流在低谷时段功率满送,单一直流再启动或三回直流同时换相失败转移至第二级交流断面的富余功率可能达到5OO万kW及以上,可能超过该断面静稳极限而解列,威胁系统安全［6-9］。

3 三回直流同时换相失败、再启动仿真对比

3.1 计算条件

计算程序:机电暂态仿真程序。

故障设置,线路三永故障切除时间设置:近故障侧O.O9s、远故障侧O.lOs；线路单相故障设置:O.lOs跳单相,1.ls重合,若为永久故障重合不成功1.2s跳三相。

计算边界:第二级断面配置了低压解列装置,振荡时若振荡中心最低电压低于低压解列定值,低压解列装置即启动切除该断面。

3.2 受端交流故障引起直流故障与人工设置直流故障对比

遍历受端主网线路及主变的三相永久N-1、N-2故障和单相永久N-1故障。三回直流满功率运行时,受端某些严重故障可能引发三回直流同时换相失败2次,故障后三回直流功率仿真曲线如图2所示。

直流换相失败的人工设置:ls换相失败模拟受端单永故障引起的直流第一次换相失败,2s再次换相失败模拟受端单永故障重合闸引起的直流第二次换相失败,故障后直流功率仿真曲线如图3所示。

图3 三回直流功率仿真曲线二

单一直流再启动失败的人工设置:单极2次全压再启动失败切机、另一极直接闭锁切机。计算分析中发现:直流再启动失败后安控切机比直流再启动成功对系统冲击大。因此,文中均基于单一直流故障极Ⅰ两次全压重启失败闭锁切机后极II直接闭锁切机校核对第二级断面的功率冲击。

以上3种故障对第二级断面的功率冲击仿真结果对比如表1所示。由表1可见,就三回直流满功率运行时对第二级断面的冲击程度而言,“人工设置三回直流两次同时换相失败”略大于 “受端交流故障引起的三回直流两次同时换相失败”大于 “人工设置单一直流再启动失败切机”,因此文中分析计算均采用 “人工设置三回直流两次同时换相失败”代替扫描受端交流故障,可兼顾安全性和可操作性。仿真分析同时发现,直流满功率运行时,受端单永交流故障引起三回直流两次同时换相失败对第二级断面的冲击较单一直流再启动失败更严重；随着三回直流功率之和降低,受端交流故障引起直流换相失败的情况减弱（如单永故障不会引起直流换相失败）,单一直流再启动失败对系统冲击可能较严重。大约降低三回直流功率总和至1 5OO万kW（即2OOO万kW的75％）时,单一直流再启动失败对第二级断面的功率冲击超过三回直流两次同时换相失败。

表1 3种故障的仿真结果对比 万kW

3.3 定功率总和情况下三回直流不同功率组合比较

以三回直流送电功率之和为1 5OO万kW（额定功率之和2OOO万kW的75％）为例,考虑三回直流功率组合为以下3种方式,方式1:三回直流均匀送电；方式2:一回直流满功率送电,其余二回直流均匀降低；方式3:二回直流满功率送电,另外一回直流降低功率。比较3种组合方式下三回直流一次同时换相失败对第二级断面的功率冲击,结果如图4所示,3种组合方式对断面的冲击功率基本一致,因此分析三回直流同时换相失败对第一、二级断面冲击时可以用三回直流功率之和作为分档标准。

图4 第二级断面功率冲击仿真曲线对比

3.4 中间网架开机位置及容量对直流冲击的影响

中间网架开机位置及容量对直流故障后大量功率转移提供重要电压支持,针对中间网架不同开机位置、开机容量进行对比,结果如表2所示。

表2 第二级断面静稳极限和静稳裕度 万kW

通过对中间网架开机位置及容量对比,发现3种方式对提高第二级断面静稳极限效果较明显。

①通过提高中间网架正旋备容量可以同时提高电压支持且降低第二级断面初始潮流以提高该断面静稳裕度,为直流故障预留功率冲击空间,但该方法会导致中间网架受电比例高,不利于机组经济运行。

②通过同时降低第一级、第二级断面初始功率以提高静稳裕度,该方法可以提高中间网架机组经济运行效益,但会导致送端电力外送减少。

③通过增加中间网架东部开机容量可以提高第二级断面的静稳极限及静稳裕度,因为中间网架东部机组距离第二级断面电气距离近,但若中间网架负荷中心不在东部,与东部电气距离较远,该方法也有一定局限性。

鉴于以上3种方法的优缺点,分析中可综合应用,在电网安全前提下尽量提高送端电力外送能力。

3.5 第一、二级断面外送能力预控分析

第一、二级断面的初始功率与三回直流故障后潮流转移是否引起第二级断面低压解列装置动作密切相关。第二级断面初始功率越高,直流故障后越容易引起第二级断面低压解列装置动作。以下分别就三回直流满功率运行对第一、二级断面外送的约束以及保证第一、二级断面外送能力对三回直流功率的需求进行分析。

计算要点:①三回直流两次同时换相失败后第二级断面不解列；②任一直流一极再启动成功或失败切机另一极闭锁后第二级断面不解列；③中间网架电网开机容量对直流故障后功率转移的支持效果明显,以中间网架电网开机容量为5OO万kW、8OO万kW分档进行计算分析。

3.5.1 三回直流满功率运行

计算分析中保证三回直流满功率,标准为三回直流两次同时换相失败后第二级断面低压解列装置不动作,计算结果如表3所示。

表3 第一、二级断面的功率限制 万kW

由表3可见,通过对第一、二级断面进行预控,三回直流可以在送端电网低谷负荷方式下满功率输送,但需要限制第一、二级断面初始功率及中间网架开机容量；通过优化中间网架开机方式,当其开机容量由5OO万kW提高至8OO万kW时,可

分别提高第一、二级断面外送功率约lOO万kW、4O万kW,若中间网架开机容量继续增大,送端电力外送能力进一步增大。

3.5.2 保证第一、二级断面外送能力分析

为保证第一、二级断面外送能力,需降低三回直流功率。计算结果表明,当三回直流功率和降低至1 2OO万kW左右且其中任一直流功率降低至5OO万kW左右时,直流故障后第二级断面稳定运行。由此可见,三回直流功率均匀安排可避免单回直流功率过大时再启动故障影响系统安全。

4 结束语

本文介绍了高压直流在缓解电力富余地区外送压力所起的作用,以及直流受端交流故障引起直流连续换相失败、再启动等故障可能引起大量不平衡功率在送端交流电网涌动,造成交流送出断面等通道的潮流、电压发生大幅波动,可能造成交流电网解列的情况,虚拟了一个交直流协调外送的送受端电网,进行了受端交流故障引起的直流故障与人工设置直流故障对比,发现用 “人工设置三回直流两次同时换相失败”代替扫描受端交流故障可兼顾安全性和可操作性；进行了定功率总和情况下三回直流不同功率组合比较,提出了用三回直流功率之和作为分档标准；进行了中间网架电网开机位置及容量对直流冲击的影响,对中间网架开机位置及容量提出了建议,同时提出了对其开机容量分档控制,以尽可能提高送端的电力外送能力。

文中最后分析了三回直流满功率运行对第一、二级断面外送的约束以及保证第一、二级断面外送能力对三回直流功率的需求,发现均匀安排直流功率有利于实现交直流外送通道协同运行,提高送端电网外送能力。

［1］ 李光琦.电力系统暂态分析 ［M］.北京:中国电力出版社,2OO7.

［2］ 倪以信,陈寿松,张宝霖.动态电力系统的理论与分析［M］.北京:清华大学出版社,2OO2.

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［7］ 何朝荣,李兴源.影响多馈入高压直流换相失败的耦合导纳研究 ［J］.中国电机工程学报,2OO8,28（7）:5l-57.

［8］ 徐政.含多个直流换流站的电力系统中交直流相互作用特性综述［J］.电网技术,l998,22（2）:l6-l9.

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（责任编辑:林海文）

Coordinated Control Analysis on AC/DC Power Transmission Channel

BIAN Hongyu,GUO Chongjun
（Central China Electric Power Control Center of the State Grid Corporation of China,Wuhan 43OO77,China）

针对高压直流大功率运行时发生换相失败、再启动等故障可能引起大量不平衡功率在送端交流电网涌动甚至造成交流电网解列的问题，对比了受端故障引起的直流故障与人工设置直流故障的影响，发现用人工设置直流两次同时换相失败代替扫描受端交流故障可兼顾安全性和可操作性。比较了定功率总和情况下直流不同功率组合故障时对送端交流断面的功率冲击，提出了用直流功率之和作为分档标准。分析了送端电网开机位置及容量对直流冲击的支持作用，提出了送端交流电网开机容量分档控制策略。应用PSASP软件分析了满足直流满功率运行对交流外送断面的约束以及保证交流外送断面能力对直流功率的需求。提出了交流断面的预控策略，在保证电网安全的基础上可提高交直流协调外送能力。

交直流耦合；协调控制；高压直流；直流换相失败；直流再启动

In view of the problem that lots of surplus power surges in the sending Grid and the AC Grid splitting caused by the commutation failure or restart of HVDC system,influences between the DC faults caused by the sending Grid fault and artificially setting DC faults are compared,and it is found that safety and operability can both be gained by twice artificially setting DCand scanning AC fault at sending grid substituted by the commutation failure.The power impact of different power combination faults under total constant power on the AC section at sending grid is also compared,so the sum of DC power can be used as a grading standard.The impact of location and capacity of plants at sending grid on DC surge is analyzed,and grading control strategy of the capacity of plants at sending AC grid is put forward.In this paper,PSASP software is used to analyze the constraint of AC transmission section when the high voltage DCsystem operates with full power and the demand of the high voltage DC system to ensure the current transmission limit of AC section.Pre-control strategy is put forward for AC section to improve the coordinated AC/DC transmission capability based on the security of power grid.

AC and DC coupling；coordinated control；high voltage direct current；commutation failure；DC restart

2Ol5-O3-ll

边宏宇（l983—）,男,硕士,工程师,主要从事电力系统稳定计算及管理工作,E-mail:bianhongyul@l63.com。