±800 kV天中直流单极闭锁故障近区电网暂态电压分析

张增强，辛超山，吕　盼，宋新甫，付高善

(国网新疆经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐　830047)



±800 kV天中直流单极闭锁故障近区电网暂态电压分析

张增强，辛超山，吕盼，宋新甫，付高善

(国网新疆经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐830047)

天中直流极1发生短路引发单极闭锁故障，极2快速转带极1功率，主要分析直流单极闭锁的稳态以及暂态过程，分析结果表明直流发生单极闭锁，运行方式被迫转换为单极大地运行方式，接地极入地电流大幅增加，易引发近区变电站主变压器偏磁现象。另一方面直流发生短路故障，直流电流增加，造成换流阀消耗的无功增加，会引发近区交流系统电压大幅下降，有可能造成风机进入低电压穿越，引发脱网事故。同时通过仿真分析证明随着直流传输功率的提升，在发生短路故障时，近区交流系统电压下降越大，引发近区风电脱网的风险进一步增加。

天中直流；单极闭锁；暂态电压

0　引　言

能源危机已受到世界各国的高度关注，大力发展可再生能源已成为目前社会的当务之急。风电作为中国基本能源政策对缓解能源供应、改善能源结构、保护环境、实现和谐社会和电力工业可持续发展具有重大意义，加快可再生清洁能源的发展和高效利用已成为中国能源领域的重点发展战略之一。新疆自然资源丰富，可再生能源开发规模巨大，拥有国家级千瓦级风电基地，新疆交流750 kV 交流外送通道以及±800 kV 天中直流工程的相继投运，新疆电网正式进入特高压“交、直流混联”大电网的新格局[1-3]。在复杂大电网的时代背景下，新疆电网特有的电压跨度大、交流网架薄弱、大功率外送以及交、直流混联等电网特点，势必会对电网的安全稳定运行提出较高的要求，电网安全运行的风险与压力增大，最终造成的电网区域稳定的耦合特性明显增加，复杂性也明显提高。结合天中直流的投运以及新疆电网哈密地区送端网架特点，研究天中直流故障特性，直流发生短路故障，直流电流增加，造成换流阀消耗的无功增加，会引发近区交流系统电压大幅下降，有可能造成风机进入低电压穿越，引发脱网事故[4-5]。同时通过仿真分析证明随着直流传输功率的提升，在发生短路故障时，近区交流系统电压下降越大，引发近区风电脱网的风险进一步增加。

1　系统运行概况简介

天中直流近区750 kV电网如图1所示，天中直流极1闭锁，天山站由双极三阀组方式转换为极2低端大地方式，故障前直流传输有功功率2 480 MW。花园电厂2号机运行，南湖电厂1号、2号机运行，配套火电出力共计1 174 MW，天山换流站两台联变下网有功1 469 MW，新疆交流外送906 MW，吐哈断面有功692 MW。直流近区750 kV线路全接线运行。周边主要站点断面潮流及电压见表1、表2。

图1　天中直流近区接线示意图

设备名称有功/Mvar无功/Mvar设备名称有功/MW无功/Mvar吐哈一线346-140.71号联变73499吐哈二线346-1452号联变73585哈敦一线194.9-80花园2号机36586哈敦二线193.5-80南湖1号机450140烟沙一线258-82南湖2号机359120烟沙二线258-80

表2　初始运行方式变电站电压统计

2　天中直流稳态过程分析

由于天中直流中州侧极2高端故障检修，故障前天中直流运行方式为极1高低端、极2低端双极三阀组运行，运行电压+800 kV、-400 kV。运行方式如图2所示。

图2　天中直流双极三阀组运行示意图

中州站因阀厅至平波电抗器间穿墙套管大雪天气闪络，造成极1闭锁，天中直流转为极2低端大地运行方式，运行电压-400 kV。运行方式如图3所示。原极1传输功率由极2转带，但由于极2仅低端阀组运行，额定传输功率2 000 MW，因此天中直流故障后传输功率由2 480 MW降至2 025 MW,455 MW功率涌入交流系统。

图3　天中直流极2低端运行示意图

极1故障，直流运行方式转为单极大地方式后，接地极入地电流由0最大增至5236 A，哈密地区750 kV哈密变电站、烟墩变电站和220 kV十三间房、东疆变电站主变压器中性点直流电流超过了隔直装置整定值10 A，隔置装置均动作。由于入地电流较大，国家电力调度通信中心(以下简称国调)紧急降低天中直流功率至1 160 MW，随着传输功率的下降，接地极入地电流降至2 900 A，入地电流变化如图4所示。

图4　接地极入地电流变化曲线图

天中直流由单极低端对大地方式调整为单极低端对金属回线方式后，国调调整天中直流功率升至2 000 MW。运行方式如5所示。

图5　天中直流极2低端对金属回线运行示意图

通过SCADA数据分析，天中直流单极闭锁故障前后近区变电站电压无明显变化。故障前后吐哈断面潮流减小159 MW，哈敦+烟沙潮流共增加284 MW，与天中直流所降功率吻合，同时潮流转移比例近似1∶2。近区稳态电压变化及断面潮流变化如表3、表4所示。

表3　故障稳态过程电压变化

表4　故障稳态过程断面潮流变化

3　单极闭锁暂态故障仿真分析

3.1直流故障PMU数据分析

天中直流在中州逆变器直流侧发生接地故障，可等效为逆变器直流侧短路，交流侧开路，天山侧(整流侧)由于短路直流电流突增，中州侧(逆变侧)由于开路直流电流降为0。天山侧在短路故障后约60 ms电流达到最大值，然后保护动作对极1进行闭锁，约经历40 ms，故障电流降为0。直流故障PMU数据如图6所示。

图6　直流故障PMU数据

由于极1与极2线路之间存在互感作用，在故障暂态过程中，故障极极1电流发生剧烈变化，非故障极极2在互感作用下电流与极1保持同调趋势。在极1被闭锁后，极2在控制逻辑的指挥下，将极1功率转带，电流快速上升。由于故障前直流输送功率大于极2额定传输功率(极2高端换流阀停运，额定功率2 000 MW)，稳态时极2无法全部转带极1功率；但为减小对交流电网的冲击，控制逻辑允许每个换流阀拥有暂时(约3 s)1.3倍过负荷能力，因此极2将极1功率全部转带后，经历约3 s，电流下降至额定电流。

3.2直流故障仿真分析

根据故障情况设置仿真故障：天中直流中州侧设置单极接地故障，故障持续40 ms，天中直流极1闭锁，再经过40 ms后极2转带极1功率。

直流故障仿真数据如图7所示，仿真结果表明，在直流发生短路故障时，直流送端电流突增，直流消耗的无功功率增加，仿真结论与PMU录波数据基本吻合。但仿真结果中未出现直流功率增加过程，与实际录波曲线存在差异。

图7　直流故障仿真数据

3.3直流近区电压潮流仿真分析

短路过程直流近区750 kV母线电压下降101 kV，220 kV母线电压下降25 kV。直流单极闭锁后750 kV母线电压升高18 kV，220 kV母线电压升高4 kV。

短路过程中吐哈断面潮流不变，哈敦+烟沙断面有功减少194 MW，直流单极不锁后，吐哈断面有功减少654 MW，哈敦+烟沙断面有功增加720 MW，潮流转移比接近0.9。仿真结果如图8、图9所示。

图8　哈密750 kV变电站压仿真曲线

图9　直流近区潮流变化曲线

3.4灵敏度分析

将直流输送功率提升至4 000 MW，模拟仿真单极接地闭锁故障。仿真结果如图10所示，仿真结果表明，随着直流输送功率的增加，在发生接地故障时，直流电流增加幅度变大，故障期间直流所消耗的无功更大。因此直流接地故障时，近区交流电压更低，有可能造成风机进入低电压穿越状态，引发风机脱网事故。

图10　直流故障敏感性分析曲线

4　结　论

直流在逆变换流阀直流侧发生接地故障，整流侧故障极电流突增，换流阀消耗的无功功率增加，从而从交流系统吸收的有功无功功率增加，直流近区交流系统电压下降。直流单极闭锁后，原直流消耗的有功、无功功率减少，涌入交流系统，造成交流系统有功潮流转移以及电压升高。直流另外一极将功率转带后，交流系统恢复初始运行状态。

发生单极闭锁故障，直流系统将转换为单极大地回线运行方式，接地极入地电流较高，有可能引发近区变压器故障，应提前做好防范措施。

天中直流传输功率2 500 MW时，发生单极闭锁故障，暂态过程电压降低及升高均在允许范围内，不会造成风机大面积脱网事故。当另外一极将功率转带后，系统电压及潮流基本能恢复初始值，对系统稳定运行影响较小。

仿真结果表明随着直流输送功率的增加，在发生接地故障时，直流电流增加幅度变大，故障期间直流所消耗的无功更大。因此直流接地故障时，近区交流电压更低，有可能造成风机进入低电压穿越状态，引发风机脱网事故。

[1]关洪浩,张锋,孙谊媊,等.哈郑直流工程投运初期对新疆电网影响分析[J]. 中国电力，2012，45(12)：48-51.

[2]钟胜,郭相国,田昕,等. 哈密至郑州特高压直流对受端电网影响分析[J]. 中国电力，2012，45(11)：47-51.

[3]王衡,姚秀萍,常喜强,等.特高压直流故障对风电场送出可靠性的影响及改进措施[J]. 电工电气，2014(5)：29-33.

[4]郑超,汤涌,马世英,等.网源稳态调压对暂态无功支撑能力的影响研究[J]. 中国电机工程学报， 2014，34(1)：115-122.

[5]杨海涛,丁茂生,宋新立,等.电力系统动态稳定机理和稳定措施分析[J].电力系统自动化，2008，32(14)：35-39.

[6]李惠军,郭颖,蓝海波,等.±800 kV复奉特高压直流送端电网安全稳定控制系统[J]. 江苏科技信息，2011(9)：39-41.

[7]杨建设,张佳丽.锡盟“风火打捆”的风电运用方式研究[J].风能，2011(7)：36-38.

[8]常喜强,樊艳芳,钟显,等. 高密度风电接入地区电压波动因素分析与研究[J]. 四川电力技术，2014，37(6)：5-9.

[9]李国栋,皮俊波,郑力,等.±500 kV林枫直流双极闭锁故障案例仿真分析[J]. 电网技术，2014，38(4)：877-882.

[10]陈树勇,逄博,陈得治,等. 新疆电网多送出直流输电系统运行特性分析[J]. 中国电力，2014，47(4)：102-107.

The short circuit occurred in 1-pole of Tian-Zhong HVDC causes a unipolar blocking fault, and 2-pole turns with the power of 1-pole very fast. The steady-state and transient process of DC unipole blocking are analyzed, and the results show that when DC unipole blocking occurs, the operation mode is forced to convert to the monopolar ground operation mode, and the earth current of ground electrode increases greatly, which easily causes magnetic bias of main transformer in near-field substation. On the other hand, the DC short-circuit fault occurs, the DC current increases, resulting in the increase of reactive power consumed by the converter valve, and then it would lead to a decrease of near-field AC system voltage, which may cause the wind power units to enter into the low voltage ride through and lead to wind generator tripping off. As the same time, the simulation analysis shows that the DC transmission power is lifting, during a short-circuit fault, the more the voltage of near-field AC system drops, the greater risk of near-field wind generator tripping-off increases.

Tian-Zhong HVDC; unipolar blocking; transient voltage

TM721.1

A

1003-6954(2016)04-0058-04

2016-05-29)

张增强(1979)，硕士、工程师，从事电网规划相关工作。