基于PSASP的特高压直流与湖南受端交流系统相互影响研究

游文霞，周子恒，陈磊，王阳光

（1．三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌　443002；2．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京　100084；3．湖南省电力公司，湖南长沙　410007）



基于PSASP的特高压直流与湖南受端交流系统相互影响研究

游文霞1，周子恒1，陈磊2，王阳光3

（1．三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002；2．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；3．湖南省电力公司，湖南长沙410007）

摘要：基于湖南电网规划数据，采用电力系统分析综合程序，从直流闭锁时湖南电网频率、潮流、功角和电压的变化、以及直流受端发生交流系统接地故障时部分参数变化等方面，探讨了酒泉—湘潭±800 kV直流线路和湖南受端交流系统间可能存在的相互影响。结果表明：若发生直流闭锁，湖南电网未超出正常运行条件下频率偏差限值，湘鄂联络线的岗市—葛换线路出现过载问题，省内发电机未出现功角失稳，湖南换流站的交流母线出现过电压；直流线路受端的交流系统若发生接地故障，由此引起连续换相失败并带来直流闭锁的可能性不大。

关键词：特高压直流；单极闭锁；湖南电网；换相失败

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51377002）；Science and Technology Projects of State Grid Hunan Electric Power Company（SGHN0000DKJS1300221）.

随着经济的快速发展，湖南省的电力负荷也随之迅速增长。为提高电网输送能力并配合国家电网公司正在实施的特高压战略，目前规划湖南电网将接入“一交一直”的特高压线路，因此，研究特高压线路接入电力系统后的稳定问题，具有重要意义。

目前，国内已经有许多省份陆续进行了特高压直流线路接入后电力系统稳定性的研究，这些省份多从发生直流闭锁后，省内电网的频率、功角、重要断面的潮流以及省内关键电压4个方面研究特高压直流对交流系统的影响。锦苏直流[1]双极闭锁时，江苏电网的最大频率瞬时偏差为±0.19 Hz，这一偏差不会引起低频减载的启动[2]；此时，皖苏联络线和苏南500 kV网络中，当涂—迥峰山单线、石牌—车坊单线功率都即将达到各自的热稳定极限时，需防止线路过载[3]；同时，为了预防换流站交流母线发生过电压，换流站需要连续分组切除交流滤波器[3]。金沙江一期、锦屏任一回发生直流单极闭锁时，华中、华东电网不实施其他稳控措施，都可使系统电压满足要求；向家坝—南汇直流双极闭锁时，华东大片区域出现了机端电压过低的问题[4]。准东—成都特高压直流发生单极闭锁不会造成四川省内机组发生功角失稳，但双极闭锁则会造成功角失稳[5]。福建电网在远期接入大容量直流输电系统后，发生单极/双极闭锁后主要问题则是引起局部500 kV网架过载[6]。

此外，有的文献探讨了已有交流系统可能对特高压直流造成的影响。文献[7-8]基于云广直流对南方电网所辖区域送端、通道和受端500 kV交流骨干线路做了三相短路N-1校核，发现如果在云、贵、桂三省区换流站周围的500 kV交流母线发生此类故障，这将使所在地区作为始端的单回直流线路发生短时间闭锁，但剩余的直流线路仍可正常工作。

本文依据湖南电网规划的±800 kV酒泉—湘潭特高压直流单极投运后夏季大负荷方式数据，将电力系统分析综合程序（power system analysis software package，PSASP 6.28）作为工具，研究了甘湘直流（酒泉—湘潭线路）和湖南电网之间在安全稳定性上的相互影响。

1　酒泉—湘潭直流输电线路模型

1.1直流输电系统

直流输电系统由换流站（即整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及其他保护和控制装置共同组成。其中换流站在直流输电系统里最为重要，因为其功能是让电能在交流系统和直流系统之间相互变换。本文中的直流线路选用的是PSASP 6.28中的1型直流线模型。该模型没有考虑整流器和逆变器的暂态过程，不能详细模拟快速变化的电磁暂态过程，但考虑了直流输电系统中调节器的相关动态特性。图1所示为本文所选用直流系统模型的稳态运行等值电路，该模型的暂态等值电路见图2。

1.2直流输电调节器

PSASP 6.28所提供的直流线路调节器分布于直流线路2侧的换流站。其中整流站的模型中有电流调节器和功率调节器2种调节器，可选择其一单独工作，本文选择的是电流调节器；而逆变站模型共包含3种调节器，分别是电流调节器、电压调节器和熄弧角调节器。

图1　直流线路模型的稳态运行等值电路Fig. 1 Steady state operation equivalent circuit of the DC line

图2　直流线路模型的暂态运行等值电路Fig. 2 Transient operation equivalent circuit of the DC line

整流站中的电流调节器通过调节α角使得Id为恒定值，整流站中的功率调节器则通过调节α角使得Pd为恒定值。逆变站中的电流调节器通过调节β角使得直流电流Id－Im保持恒定值，其中Im为电流余裕值。逆变站中的电压调节器通过改变β角使得整流侧直流电压保持恒定值。此外，逆变站中的熄弧角调节器通过改变β角使得γ角保持恒定值。

逆变站中的电流调节器仅在整流站α=αmin时工作。当α≠αmin时，需要电压调节器和熄弧角调节器工作，但通过比较后，选取两者中能使β角更大者参与β控制。图3所示展现了本文所采用1型直流线路调节器的配置。图3中每种调节器由动态传递函数框图和限幅器构成。该处PSASP 6.28中的动态传递函数有4种不同的形式可供选择，本文选择2型即比例积分控制，其框图如图4所示。

2　电网结构概况

2.1湖南电网与外界联系的规划情况

根据特高压直流（落点湘南）单极投运后的湖南夏大方式的PSASP规划数据，湖南省内发电机的出力总和为16 143 MW，甘湘特高压直流线酒泉侧输出有功4 000 MW，湘潭侧输入湖南省内的有功为3 656.25 MW，鄂、桂、黔3省区交流联络线输入湖南省内的总有功为6 095.225 MW。这3部分供给湖南省的总有功为25 894.475 MW。此外，湖南省内总有功负荷为25 198.55 MW。

图3　1型直流输电系统调节器的配置Fig. 3 Configuration of DC transmission system regulator（type 1）

图4　比例积分控制框图Fig. 4 Block diagram of PI controller

按照规划，即将有2条特高压线路接入湖南电网，其中一条为甘肃酒泉—湖南湘潭±800 kV特高压直流线路，另一条为湖北荆门—湖南长沙1 000 kV双回特高压交流线路。除此之外，湖南与湖北间现有2处交流联络线，分别为湖北葛换—湖南岗市的500 kV单回交流线和湖北江陵—湖南常德的500 kV双回交流线。图5所示为2015年湖南主干网架结构简图。

2.2湖南省内电网的其他主要结构特点

1）电源分布和负荷分布不均衡。湖南资源的不均衡分布导致了电厂位置的不均衡分布。湖南省利用西部的水力资源修建了水电站，利用北部运煤通道运抵湖南的煤矿资源修建了火电厂。而东部和南部由于自然资源相对缺乏，电厂数量不多，总装机容量也不大。截止2014年，湖南西部地区电源在全省装机容量的比重约为44%，但西部负荷在全省负荷中只占约22%；湖南东部地区负荷在全省负荷的比重约为78%，而东部电源在全省装机容量中只占约56%。湖南西部地区所发电力需要输送至湖南其他地区[9]。

2）湖南电网500kV网络维持“三横”、“两纵”、“两环网”主体架构。“三横”线路即湘西牌楼—邵阳长阳铺（双回）；湘西艳山红—永州宗元（单回）和益阳复兴-长沙沙坪（双回）。“两纵”线路即长沙艾家冲—湘潭鹤岭（双回）和长沙沙坪—长沙星城（双回）。“两环网”线路中的第一环即益阳复兴—长沙沙坪—长沙星城—株洲云田—湘潭鹤岭—长沙艾家冲—益阳复兴，其中长沙星城—株洲云田为单回线，其余各段均为双回线；第二环为邵阳长阳铺—衡阳船山—郴州苏耽—永州紫霞—永州宗元-邵阳长阳铺，各段均为单回线[9]。

图5　湖南电网特高压直流单极投运规划骨干线路简图Fig. 5 Backbone transmission lines after the commissioning of monopole UHVDC in Hunan

3　酒泉—湘潭直流闭锁对电网的影响

3.1对湖南电网频率的影响

直流闭锁后会导致有功功率缺额，这时作用在发电机转子上的负载阻力矩大于转动力矩，发电机转子就会减速，从而使得频率降低。

此处选定如图6所示长沙周围的一处母线为代表，研究湖南电网频率的变化。酒泉—湘潭单极直流闭锁后，该母线频率最低下降到49.947 Hz左右，而当直流闭锁7 s后，随着系统内发电机组调速器的作用，该母线频率趋于稳定在49.975 Hz左右。

文献[10]规定，在正常运行时，标称频率为50 Hz的电力系统频率偏差限值为±0.2 Hz。根据仿真结果，发生直流闭锁后，系统频率未超出正常运行条件下频率偏差限值±0.2 Hz，符合国标要求。

图6　母线湘T长沙1000的频率在直流闭锁前后的变化Fig. 6 Frequency of a bus in Changsha before and after DC blocking

由文献[11]异常运行时大多数机组允许长期运行的频率范围在48.5～50.5 Hz，仿真所得的频率波动仍在该范围内，故不会引起发电机频率异常保护的动作。

由文献[12]可知，最高一轮低频整定值一般选为49.1～49.2 Hz，仿真所得的频率仍高于此值，故无需安排整定，按频率降低自动减负荷。

由此可知，发生直流闭锁后，湖南电网的频率变化未越过国标标准，没有引发继电保护动作，无需要安排低频减负荷。因此，特高压交直流入湘并没有给湖南电网带来重大的频率问题。

3.2对湘鄂交流联络线潮流变化的影响

直流闭锁可能引起湘鄂交流联络线的过载问题。当酒泉—湘潭直流线路发生直流闭锁时，由于整个受端同步电网的频率下降，整个系统内的发电机在调速器作用下都会增加出力，其中湖南省内的发电机组会自动增发一小部分功率，三华同步电网中湖南省外的发电机同时也会增发一部分功率，后者增发的功率经由湘鄂交流联络线流入湖南电网，使得湖南电网的出力和负荷再次达到平衡。在这一过程中，湘鄂交流联络线上的潮流可能超过对应线路的热稳定极限，导致过载问题的发生。

通过仿真可以发现，当发生直流闭锁时，会导致湘鄂断面的潮流大幅增加。在发生直流闭锁前后，华中电网通过湘鄂交流联络线向湖南输送的功率变化如图7所示。将图7中的数据进行整理，可以得到如表1所示的湘鄂交流联络线在直流闭锁前后的功率变化值。

目前湖南电网实际运行中设定的岗市—葛换线热稳定极限为1 628 MW[13]，常德—江陵线（单回）的热稳定极限为1 918 MW。荆门—长沙特高压线路（单回）的热稳定极限由于正处规划阶段，未查找到相关数据，而南阳—荆门特高压线路投产后单回传输功率最高达5 000 MW[14]，荆门—长沙特高压线路的热稳定极限应该和该值相近。

图7　直流闭锁前后的湘鄂联络线潮流变化Fig. 7 Power variation of tie lines between Hunan and Hubei before and after DC blocking

表1　湘鄂交流联络线在直流闭锁前后的潮流变化值Tab. 1 Power variation of tie lines between Hunan and Hubei before and after DC blocking

在直流闭锁后，省外发电机组增加的出力通过湖南和湖北的这3处共5回的联络线由湖北送入湖南。在这5回线路中，岗市—葛换线会发生功率越限的现象。对此，需要为湖南省内的发电机组安排合理的运行方式，并且一旦发生直流闭锁，还需要安排合理的切负荷紧急控制措施。

3.3对湖南省内发电机功角的影响

直流闭锁将会带来受端大范围的潮流转移，尤其在湘鄂联络线全部为鄂送湘方式下，大量潮流将涌入湖南电网，可能导致某交流联络线上功率头摆超过静稳极限，引起联络线两端系统功角失稳[15]。

利用该规划数据潮流计算时，可见省内有出力数据的发电机共113台。发生直流闭锁时，以机组“湘白市01”为基准，其他112台机组的相对功角如图8所示。在全部112条曲线中，湘白市01—湘三江口05的相对功角振荡幅度最大，最大的相对功角差超过了60°。可以看到，省内的发电机组均没有出现失稳的情况。尽管部分机组发生直流闭锁后的功角仍然处于振荡状态，但仍未失稳。

3.4对湖南省落点处交流母线电压的影响

利用该规划数据对直流闭锁进行仿真时发现，酒泉—湘潭单极直流闭锁不会引起湖南的机端电压发生大幅度下降。

图8　直流闭锁前后湖南省内发电机组的功角波形Fig. 8 Power angle variation of generators in Hunan before and after DC blocking

查看元件数据可知，位于直流受端湘潭逆变站的无功补偿设备容量为2 300 Mvar。通过仿真可知，发生直流闭锁时，若未及时切除无功补偿装置，特高压直流线路在湖南一侧的交流母线电压变化如图9所示。显然，无论从故障瞬间还是从稳定后的角度来看，直流闭锁后，湖南换流站的交流母线电压偏高，超过了1.05 pu，即出现了过电压的情况。这是由于直流线路工作于稳态时，换流器消耗的无功大概是直流系统所传输有功的50%[16]，而当直流系统由于故障等原因突然闭锁停运时，如果不能及时跳开补偿电容和滤波器，换流器无功消耗大幅下降，无功补偿装置和空载长线路产生的过剩无功必将在交流系统中造成短时过电压。

图9　直流闭锁时湖南侧换流站的交流母线电压Fig. 9 Voltage variation of an AC bus around the converter station in Hunan when DC blocking

目前，直流闭锁后都会联切相应的无功补偿装置，因此一般不会出现过电压现象，但如果无功补偿切除时间晚于直流闭锁的时间，就会出现短时间过电压，故需快速断开相应的无功补偿装置。

4　受端交流系统接地故障对直流线路的影响

受端交流的接地故障可能导致直流逆变侧换相失败。换相失败的后果是直流电压突降、直流电流陡增和直流送电功率陡降[17]。

换相失败是直流线路常常发生的事件，会导致直流线路的输送功率瞬间变化，但在把故障切除后，直流线路能较快恢复运行，通常不会带来严重后果；仅长期换相失败可能造成直流闭锁，严重时会使电力系统失稳[18]。为了研究特高压直流引入之后，换流站交流母线附近的接地故障是否会带来换相失败，甚至是否会导致直流闭锁和让系统失去稳定，本文对酒泉—湘潭特高压直流线路在湘潭侧换流站交流母线附近的三相接地短路故障进行了仿真。

根据规划数据，可绘制出如图10所示直流2端换流站附近线路的连接情况。本文设定的故障发生在如图10所示的箭头位置。该处有三回线路，本文选择第一回进行了仿真。该故障的时序设置为：5 s时湘衡阳换500—湘船山500线路一回2%处发生三相接地短路；5.09时该线路1%处三相断线；5.1 s时该线路99%处三相断线。该故障仿真结果如图11所示，其中图11（a）为直流线路湖南落点的有功功率；图11（b）为直流线路湖南落点交流侧的母线电压。

图10　三相接地短路的位置Fig. 10 Position of the three phase grounding short circuit fault

通过仿真，可以看到该处发生三相短路接地故障的瞬间，湖南侧换流站的交流母线电压下降，但故障线路被清除后，电压很快便恢复了。此外，特高压直流在湖南侧的注入功率也在故障瞬间下降，但故障线路被清除后，功率很快恢复了。本例中，特高压直流可能出现了短时的直流闭锁，但没有影响到该特高压直流线路的运行。

可见，湖南侧换流站交流母线附近因三相短路接地故障发生换相失败并造成直流闭锁的几率不大。

图11　直流受端交流系统接地故障对直流的影响Fig. 11 Influence of the fault in AC system near the receiving-end to the DC line

5　结论

本文依据湖南电网规划数据，利用PSASP研究了±800 kV的酒泉—湘潭直流线路单极投运后对湖南电网稳定性的影响。通过对该单极直流发生直流闭锁以及直流受端交流接地故障的仿真可知：

1）在直流闭锁过程中，湖南电网的频率最低降到49.94 Hz附近，未超出正常运行条件下频率偏差限值±0.2 Hz，不会引起发电机频率异常保护的动作，也无需安排整定按频率降低自动减负荷。

2）在直流闭锁发生后，省外发电机组增发出力由湘鄂交流联络线，岗市—葛换线发生了潮流越限的现象。对此，需要为湖南省内的发电机组安排合理的运行方式，并且一旦发生直流闭锁，还需要安排合理的切负荷紧急控制措施。

3）在直流闭锁发生后，湖南电网内发电机组没有发生功角失稳的现象。

4）直流闭锁后如果不能及时切除换流站的无功补偿设备，湖南换流站的交流母线会出现短时过电压，故直流闭锁后应快速断开相应无功补偿设备。

5）直流受端交流线路发生接地故障并清除故障线路后，湖南换流站的交流母线电压很快恢复，直流线路在湖南侧的注入功率也很快恢复，这说明湖南侧换流站交流母线附近因接地故障发生换相失败并导致直流闭锁的几率不大。

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游文霞（1978—），女，博士，副教授，研究方向为电力系统运行、新能源发电技术等；

周子恒（1990—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制；

陈磊（1982—），男，博士，副教授，研究方向为电力系统动态分析与控制；

王阳光（1982—），男，博士，工程师，研究方向为电力系统运行与控制等。

（编辑董小兵）

Study on Mutual Influences between UHVDC and the Receiving-End AC System in Hunan Based on PSASP

YOU Wenxia1，ZHOU Ziheng1，CHEN Lei2，WANG Yangguang3
（1. College of Electrical Engineering and New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China；2. Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3. State Grid Hunan Electric Power Company，Changsha 410007，Hunan，China）

ABSTRACT：To figure out the mutual impacts the±800 kV Jiuquan-Xiangtan UHVDC power transmission system and the receiving-end system in Hunan) have on each other，the frequency of the Hunan power grid，the load flow of tie lines between Hunan and Hubei，the voltage of the AC bus near the end of UHVDC transmission line in Hunan，and the power angle of every generator in Hunan after the block happens have been studied together with the working condition of the UHVDC when grounding faults occur in AC system near the end of UHVDC system in Hunan. The results of the study suggest that the frequency stability and rotor-angle stability of the Hunan power grid can still be maintained. However，the tie line between Gangshi in Hunan and Gezhouba in Hubei suffers from an overload problem，and the AC bus of the converter station in Hunan suffers from an over-voltage problem. If grounding faults occur in the AC system near the end of UHVDC transmission line in Hunan，the chances that continuous commutation failures lead to the block of the DC line is not high.

KEY WORDS：ultra-high voltage direct current（UHVDC）；mono-polar blocking；Hunan power grid；commutation failure

作者简介：

收稿日期：2015-09-16。

基金项目：国家自然科学基金项目（51377002）；国网湖南省电力公司科技项目（SGHN0000DKJS1300221）。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0018- 07

中图分类号：TM712

文献标志码：A