多馈入交互因子在多馈入交直流电网中的应用

汪惟源，杨林，史慧杰，曹敏敏，殷婷

（1.江苏省电力公司，南京210024；2.华东电力设计院，上海 200063）

多馈入交互因子在多馈入交直流电网中的应用

汪惟源1，杨林1，史慧杰2，曹敏敏2，殷婷2

（1.江苏省电力公司，南京210024；2.华东电力设计院，上海 200063）

随着“西电东送、南北互供”战略的全面实施以及直流输电技术的快速发展，我国将形成世界上直流输电线路最多、直流输送容量最大、结构最复杂的交直流输电系统［1］。对于大规模多馈入交直流受端系统，由于直流逆变站之间电气距离近，系统接受的馈入功率大，直流与直流、直流与交流之间的相互作用更强。一个换流站的换相失败故障，可能会导致其他换流站换相失败；在交流系统故障下，各直流换流站有可能同时或相继发生换相失败，严重时可能导致系统崩溃［2］。因此，研究系统中交直流相互影响关系、发现直流站换相失败的潜在风险及制定相应的预防措施对保证系统的安全稳定运行是十分重要的［3-6］。

实际工程应用中，常利用多馈入短路比［6］作为判断多馈入交直流系统强弱的指标，但该指标是一个相对宏观的结构性指标，很难与电网的具体动态行为和表征建立对应的指示关系，不能直观地给出交直流之间的相互作用关系。多馈入交互因子（multiinfeed interaction factor，MIIF）［7-8］是由CIGRE WG B4工作组提出的工程规划阶段用于衡量多馈入交直流系统中直流换流站间相互作用强弱的量化指标。文献［9］从交流故障引起换相失败的主要矛盾——换相电压降落出发，讨论了多馈入交互因子指标的意义及与多馈入直流系统换相失败的关系，将单馈入直流换相失败的最小电压降落法推广到多馈入直流系统，阐述了换相电压交互作用的机制，采用MIIF量化电压降落判据中的耦合系数，对换相失败初期研究具有指导作用。

本文以江苏电网典型多馈入交直流系统为例，对多馈入交互因子在实际电网规划和运行中的分析方法进行了扩展研究，并得出了有意义的结论。

1 多馈入交互因子MIIF

在描述交流系统运行状态的参数中，最直接反映某一逆变站与交流系统相互作用的运行状态变量是逆变站换流母线电压。多馈入交互因子MIIF，反映了任意两个逆变站换流母线电压之间的相互作用关系，其定义如下：

即假设系统中存在编号分别为i和j的两个直流换流站，当换流母线i投入对称三相电抗器使得该母线上的电压降恰好为1%时，换流母线j的电压变化。

对于受端系统中存在的n个直流输电逆变站的情况，可以应用式（1）方法分别计算MIIFi，j值，最终可以形成一个n×n阶矩阵。

多馈入直流系统落点集中于同一个交流网络，对某一个换流站施加扰动后，另一换流站的动态响应必然包含了交流系统与其他换流站对它的共同作用。对于图1所示的三馈入直流输电系统，有［3］：

图1 三馈入直流输电系统模型Fig.1 Three-infeed HVDC transmission system

假设换相电压刚好跌落到换相失败阀值，对应的电压跌落幅值为ΔUL1，由叠加定理可得：

由式（4）可见，逆变站的换相失败既受直接与之相连的交流系统等效电势源影响，且受与之耦合的逆变站电压的影响，它们之间的耦合系数由交流系统戴维南等效阻抗XΣ及各逆变站之间的耦合阻抗决定。

同时可以看出，由式（4）所得的换相电压跌落未计及无功补偿以及直流传输功率等重要因素在逆变站电压交互过程中的重要作用，而这些要素在实际系统中是不能忽略的。

MIIF基于实际电网模型，综合考虑了逆变站间电气距离、各换流母线的有效短路比、实际直流传输功率等因素，采用时域仿真计算而得，作为衡量2个逆变站之间的电压交互作用的指标，较单独由交流戴维南等效阻抗和逆变站间耦合阻抗决定的电压耦合系数更为合理。

本文对MIIF指标进行了扩展应用，除用来分析直流逆变站之间的交互关系外，还用于分析交流枢纽站与直流逆变站的交互关系。通过MIIF可以了解一个交流枢纽站或换流站电压下降时其他换流站电压对它的参与度；当某交流枢纽站或换流站电压遭受大扰动，通过MIIF可以估计其他换流站电压受扰程度，判断换流站承受系统故障的能力强弱；结合最小电压降落法确定的电压阈值，可以得出多个逆变站同时或相继经历换相失败的可能的组合及风险大小。

2 多馈入交互因子应用研究

2.1 系统概况

本文以江苏电网2020年规划网络为研究对象，进行了仿真计算。采用电力系统暂态计算软件BPA作为仿真工具，直流模型采用准稳态模型。

江苏电网是典型的多馈入交直流受端电网，据规划，2020年江苏500 kV电网将形成“六纵六横”网架结构，并建设成1 000 kV连云港—徐州—南京—泰州—苏州特高压交流通道；同时，将有11回高压直流线路馈入到华东电网，其中有4回直流馈入江苏电网。表1给出了馈入华东电网的各直流输电系统的交、直流侧的电压等级和输送容量。

2.2 各逆变站之间交互作用影响

在江苏电网高峰运行方式下，针对华东电网11条直流进行MIIF计算，分别在每个逆变站施加扰动（投切电容），并记录华东电网其他10条直流逆变站的电压变化情况，通过MIIF值可以看出一个换流站电压下降时，其他换流站对他的参与程度。由表2结果可知：

表1 华东电网各直流系统电压等级及输送容量Tab.1 Voltage level and transmission capacity of DC systems in East China Power Grid

1）MIIF值对角元素都是1，MIIF较大值在0.3～1.0，这些值位置多集中在对角线附近，多发生于江苏、上海、浙江各省市内部的直流互相影响时的情况。比如晋北—南京直流电压波动为1时，泰州直流MIIF值为0.4左右；同里直流波动1，政平直流MIIF为0.46。而上海由于电气距离更近，4根直流相互之间的MIFF值更高，如沪西直流电压波动为1，其余4根直流MIIF值在0.5以上。这也解释了在苏北直流逆变站附近N-1故障时，一般只有2条直流发生换相失败，而上海电网主网架线路N-1，几乎会导致所有直流换向失败。

2）特高压直流由于特高压线路阻抗小，直流容量大，电压波动时，不仅会带动本区大部分直流，也会影响到相邻区域的直流。如泰州特高压直流逆变站电压波动1时，区内南京直流MIIF为0.37，华新和沪西分别为0.3和0.31，其余直流的MIIF明显高于其他500 kV直流对它的影响。这也解释了为何在特高压线路上发生N-1三相故障时，会引起省内及跨省多条直流换相失败。

3）两条直流之间的MIIF并不是对称分布的，这和直流本身容量及直流所在位置的耦合阻抗和无功补偿容量有关。如同里直流电压波动为1时，政平MIFF为0.46，而政平直流电压波动为1时，同里MIFF为0.24。

由上，通过MIIF表可以较直观判断江苏电网各逆变站发生同时或相继换相失败的几率大小及可能存在的组合，MIIF越大，发生同时换相失败的风险性越高。

2.3 交流枢纽站与逆变站之间交互作用影响

为看清各交流枢纽站与逆变站之间的交互作用，在江苏电网特高压站点、过江通道、苏南、苏北电源基地等各个站点施加扰动（投切电容），并记录华东电网11条直流逆变站的电压变化情况，通过MIIF值可以看出各交流枢纽站电压下降时，其他换流站对它的参与程度。结果见表3（部分省略）。

1）特高压站点电压波动为1时，大部分区内和区外直流MIIF值大于0.3，在特高压交流发生N-1故障时，会发生换相失败。

直

表2 各直流逆变站之间MIIF值Tab.2 MIIF values among DC inverter stations

表3 各交流枢纽站与直流逆变站之间MIIF值Tab.3 MIIF values among AC substations and DC inverter stations

2）江苏省内的站点来看：苏南站点基本会导致苏南政平、同里2条直流换相失败，苏北站点基本会导致泰州、南京直流换相失败，过江通道站点会导致离自己电气距离较近的直流换相失败。

3）把各个站点的MIIF值相加，得到一个新的指标，其揭示的规律为：MIIF和值越小，能够承受全网严重故障而不导致直流闭锁、系统失稳的能力越强；反之，对故障的承受能力越弱，较容易由于全网严重故障而导致直流换相失败甚至闭锁。江苏电网4条直流MIFF和值显示同里直流〉泰州直流500 kV部分〉泰州直流1 000 kV部分〉南京直流〉政平直流。说明在江苏电网的4条直流中，容量最小的政平直流抗故障能力最强，同里直流故障承受能力较弱，较容易由于全网严重故障而导致直流换相失败甚至闭锁。如果在换相失败过程中各直流系统不能得以顺利恢复，将造成大面积停电。所以应注意MIIF和值较大的直流可能存在的潜在风险，制定相应的预防措施。

4）在直流选站前期过程中，也可通过计算直流不同落点的MIFF和值，作为比选站址的一个参考指标。

3 结语

本文以典型多馈入特高压交直流受端系统—江苏电网为背景，对多馈入交互因子在实际电网规划和运行中的分析应用方法进行了研究。实例表明：通过MIIF指标可以较直观得出各直流逆变站之间、直流逆变站与交流枢纽站之间的交互作用大小，判断系统各逆变站发生同时或相继换相失败的几率大小及可能存在的组合，对发现直流站换相失败的潜在风险及制定相应的预防措施具有一定的指导作用，也可为直流站址选择提供一个参考指标。

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（编辑 董小兵）

Application of Multi-Infeed Interaction Factor in Multi-Infeed AC/DC Hybrid Power Grid

WANG Weiyuan1，YANG Lin1，SHI Huijie2，CAO Minmin2，YIN Ting2
（1.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，Jiangsu，China；2.East China Electric Power Design Institute，Shanghai 200063，China）

以江苏电网实际多馈入交直流受端系统为例，对多馈入交互因子（MIIF）在实际电网规划和运行中的分析方法进行了推广应用研究。通过计算各直流逆变站间、直流与交流枢纽站之间的MIIF指标，分析各逆变站发生同时或相继换相失败的几率大小及可能存在的组合，对发现直流站换相失败的潜在风险及制定相应的预防措施具有一定的指导作用。

多馈入交直流系统；多馈入交互因子；逆变站；换相失败

Taking Jiangsu power grid as an example，this paper looks into applications of multi-infeed interaction factor（MIIF）in the practical power grid planning and operation and calculates the indexes of MIIF between different DC inverter stations，AC substations and DC inverter stations.The potential combinations and risks of simultaneous/successive commutation failures are analyzed.The research shows that MIIF has a certain guiding significance for identifying the potential risk of commutation failures and for making preventive measures.

multi-infeed AC/DC power system；multiinfeed interaction factor；inverter stations；commutation failure

1674-3814（2015）04-0054-05

TM712

A

2014-12-16。

汪惟源（1975—），男，硕士，高级工程师，主要从事电网规划研究、电网项目前期管理工作；

杨林（1970—），男，硕士，高级工程师，主要从事电网规划研究、电网项目前期管理工作；

史慧杰（1981—），女，硕士，主要从事电力系统规划设计工作；

曹敏敏（1980—），女，硕士，高级工程师，主要从事电力系统规划设计工作；

殷婷（1989—），女，硕士，主要从事电力系统规划设计工作。