大电网故障下的银东直流动态特性研究

郭启伟，汪希伟，李 超，张 雷，韩 旭，陈 强

(国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118)



大电网故障下的银东直流动态特性研究

郭启伟，汪希伟，李 超，张 雷，韩 旭，陈 强

(国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118)

〔摘 要〕采用一种基于物理等效的方法对直流系统的受端——山东电网500 kV大电网进行等值处理，建立银东直流PSCAD模型，分析山东电网交流联络线模拟单相接地故障和三相短路故障对银东直流动态特性的影响，为银东直流输电工程的稳定运行和故障处理提供技术指导和理论依据。

〔关键词〕直流系统；单相接地；三相短路；动态特性

1　银东直流系统PSCAD仿真模型介绍

±660 kV银东直流系统西起宁夏银川，东至山东青岛，线路全长1 333 km，额定输送电量400 万kW，为宁夏电力外送山东的重要通道，是国家电网“西电东送”的重点工程。随着我国电网结构日趋复杂以及直流系统的广泛接入，需要对系统电磁暂态过程进行分析研究，为系统运行和故障处理提供参考意见。

为此，采用PSCAD软件，对银东直流系统建立PSCAD仿真模型进行研究。该模型包括控制系统和主电路，控制系统和主电路的建模框架如图1所示，其中旁通对为换流桥中连接同一相交流端子的2个换流臂所形成的旁通通路。当换流阀故障时，将电流从故障阀转移到旁通对，尽量减少故障阀中流过直流故障电流的时间。

银东直流系统主电路结构如图2所示，其等值电路如图3所示。

图1　直流系统的总体建模框架

在图3中，Voi，Voj分别为整流侧和逆变侧换流变压器直流侧的交流电压方均根值，α，β分别为整流器的触发延迟角和逆变器的超前触发角，Rci，Rcj分别为直流平波电抗器和换流变压器以及整流器、逆变器的损耗对应的电阻，Rdc为直流输电线路的电阻，Vdi，Vdj分别为整流器、逆变器直流平波电抗器出口的直流输电线侧直流电压，Id为直流电流。

图2　银东±660 kV直流输电系统结构

图3　银东直流输电等值电路

直流输电的运行方式取决于整流侧和逆变侧换流器的控制方式。控制系统是直流系统的核心，也是模型正确建立的关键。在正常工况下，银东直流系统整流侧为定电流控制，其控制逻辑模型可采用CIGRE标准定电流控制。由于银东直流系统采用阿海珐公司的换流阀，无法实测熄弧角大小，所以逆变侧无法采用CIGRE标准定熄弧角控制；结合许继电气股份有限公司的设计理念，逆变侧采用修正的预测熄弧角控制。此外， 整流侧和逆变侧都配有低压限流(VDCOL)控制。

银东直流输电系统的控制特性如图4所示。

在图4中，曲线a-d为整流侧的控制特性，其中ab为最小触发角控制，bc为定电流控制，cd为低压限流环节；曲线e-i为逆变侧的控制特性，其中hi为最小熄弧角控制，gh为修正熄弧角控制，fg为定电流控制，ef为低压限流环节。

图4　银东直流控制系统的静态伏安特性

2　交流系统等值建模

本文对交流系统进行等值建模，包括山东电网500 kV主干网架，建模框架如图5所示。

本文采用一种基于物理等效的系统等值方法，并结合PSASP软件进行等值建模工作，等值后的主干网架结构如图6所示。

等值建模的基本步骤如下所述。

(1)将该主干网节点所在地区220 kV及其以下电压等级网络中的所有发电机聚合成1台等值发电机，等值发电机的额定容量和有功出力分别为各台发电机额定容量和有功出力之和。

(2） 依据原系统的潮流数据确定等值负荷，确保等值前后负荷的静特性、感应电动机负荷所占比例不变，确保从500 kV网架向该地区低电压等级网络传输功率不变。

（3） 得到等值发电机与等值负荷的详细参数后，建立发电机、感应电动机等元件的简化模型。通过对等值后主干网节点稳态运行以及短路电流计算的分析，确定等值母线电压、等值变压器电抗等参数，以保证等值前后该500 kV节点的电压、短路电流不变。

图5　交流系统的总体建模框架

图6　主干网节点等值结构

3　 电网故障仿真分析

针对山东电网500 kV联络线采用故障仿真技术，考虑500 kV交流线在实际中采用故障重合闸技术，但由于其电压等级较高，从发生故障到断开断路器和完全熄弧断开的时间约1 s，相对于直流毫秒级的响应时间过长，因此，在研究500 kV交流线故障直流系统动态响应特性时，暂不考虑重合闸问题。

(1)对与银东直流系统电气距离较近的交流联络线故障仿真，现以胶东(青岛换流站)-琅琊联络线为例。在交流联络线的琅琊侧分别设置单相接地故障和三相短路故障，0.4 s接入故障，持续0.05 s消除，仿真1 s，数据均从正极测得。

由于整流侧和逆变侧的电流电压变化一致，故对输出逆变侧的电流电压进行分析，仿真图形如图7，8所示。

图7　胶东-琅琊单相接地故障下的直流波形

图8　胶东-琅琊三相短路故障下的直流波形

由图7，8得知，离银东直流系统电气距离较近的交流系统发生单相接地故障和三相短路故障，都会对直流系统造成较大影响，发生换相失败。电网发生故障时，直流线路电压骤降，电流升高，熄弧角降为0，传送的有功功率大幅降低。

(2)对与银东直流系统电气距离较远的交流联络线故障仿真，现以枣庄-邹县电厂联络线为例。在邹县电厂侧分别设置单相接地和三相短路故障，该交流线路单相接地故障和三相短路故障下的直流波形分别如图9，10所示。

图9　枣庄-邹县电厂单相接地故障下的直流波形

由图9，10得知，离银东直流系统电气距离较远的交流系统发生单相接地故障时，对直流系统影响较小，电压电流和熄弧角以及传输的有功功率均变化较小，未发生换相失败；而发生三相短路故障时，会对直流系统造成较大影响，直流线路电压骤降，电流升高，熄弧角降低为0，传送的有功功率大幅降低。

图10　枣庄-邹县电厂三相短路故障下的直流波形

(3)对与银东直流系统电气距离相对很远的交流联络线故障仿真，现以聊城-辛安联络线为例。在辛安侧分别设置单相接地和三相短路故障，其直流波形分别如图11，12所示。

图11　聊城-辛安单相接地故障下的直流波形

由图11，12得知，离银东直流系统电气距离很远的交流联络线发生单相短路故障和三相接地故障时，对直流系统影响都较小，电压电流和熄弧角以及传输的有功功率均变化较小，未发生换相失败。

4　 结论

对交流大电网500 kV交流线路进行故障仿真，随着离银东直流系统电气距离的增大，交流联络线故障对直流系统的影响减小。

图12　聊城-辛安三相接地故障下的直流波形

对于同一条联络线而言，在相同条件下，发生单相接地故障比发生三相短路故障对直流系统的影响要小，与逆变站联系比较紧密的青岛、潍坊等地区发生三相短路还会引起直流闭锁。为减小直流系统发生换相失败的概率，要对电气距离近的交流线路做好监测，防止单相接地故障和三相短路故障的发生；对于电气距离远的交流联络线，尽量避免三相短路故障的发生。因此可继续细化山东电网，对其进行故障仿真，为银东直流输电工程的稳定运行和故障处理提供新视角。

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7 荆 勇，欧开健，任 震.交流单相故障对高压直流输电换相失败的影响[J].高电压技术，2004，30(3)：60-62.

郭启伟(1985-)，男，工程师，主要从事电力系统继电保护工作，email：276964876@qq.com。

汪希伟(1981-)，男，工程师，主要从事电力系统继电保护工作。

李 超(1981-)，男，工程师，主要从事电力系统继电保护工作。

张 雷(1982-)，男，工程师，主要从事电力系统继电保护工作。

韩 旭(1989-)，女，助理工程师，主要从事电力系统继电保护工作。

陈 强(1986-)，男，助理工程师，主要从事电力系统继电保护工作。

作者简介：

收稿日期：2015-09-13。