强直弱交受端交流系统安全馈入直流功率评估方法

吕勃翰，王馨尉，孙嘉越，赵冬梅，龚雁峰

（1.华北电力大学，北京 102206；2.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东 青岛 266002）

强直弱交受端交流系统安全馈入直流功率评估方法

吕勃翰1，王馨尉1，孙嘉越2，赵冬梅1，龚雁峰1

（1.华北电力大学，北京 102206；2.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东 青岛 266002）

随着特高压交直流输电的快速发展，交流电网新增馈入直流全面建设，电网“强直弱交”的问题逐渐突出，受端交流系统的安全隐患日益严重。对于多馈入交直流混合系统而言，由于多个直流线路并列运行，各交直流系统之间，直流子系统之间相互影响，对交直流混合系统的控制和保护提出了新要求。分析了短路比、直流线路换相失败、受端交流系统接入能力研究现状，为强直弱交受端交流系统安全馈入直流功率评估研究提供参考。

交直流混合系统；短路比；换相失败；直流接入能力

0 引言

“十三五”期间，特高压交直流电网快速发展，特高压电网建设过渡期，电网“强直弱交”特征突出，风电和光伏等新能源并网容量持续增长［1］。电网格局与电源结构重大改变，电网运行特性发生深刻变化，集中体现在3个方面：一是故障形态发生根本变化，电网脆弱性增加；二是电源结构发生深刻变化，电网调节能力严重下降；三是电力电子化特征凸显，电网稳定形态更加复杂。基于传统交流系统形成的认识方法、防御理念、控制技术已滞后于特高压交直流电网运行实践，保障电网安全的防控技术与电网运行新的特征已不相适应，需要对现代电力系统运行控制理念进行重新审视，研究高可靠性、高安全性的保护控制技术，构建大电网安全综合防御体系。

随着直流工程的大力建设以及多馈入交直流混合系统的加入，系统的输送容量大幅增加，运行方式更加多变，网架结构趋于复杂，更加凸显电网强直弱交的问题［2］。多馈入交直流混合系统相对于单馈入直流输电系统而言，对受端电网的无功需求量更大，交直流系统的联系更加紧密，对受端系统的稳定性要求更高。此外，各个直流换流站之间的交互影响因子、耦合程度，导致多条直流相互影响甚至同时故障的隐患十分严重，对于交直流混合系统的稳定运行是重大挑战，同时对控制和保护的调整提出更高的要求［3］。

1 短路比研究

在交直流混合系统中，受端交流电网的网架强弱水平在系统稳定性中起到决定性作用，在实际研究和应用当中，广泛采用短路比以及有效短路比来对交直流混合系统的可接纳最大直流功率、过电压水平、交直流系统相对强弱关系进行评估［7］。

1.1 短路比（SCR）的定义

在交直流混合系统计算当中，通常将交流系统利用戴维南等值方法等效为一个理想电压源串联一个等值阻抗，则将短路比定义为直流换流母线处的短路容量与额定直流功率的比值

式中：Sac为换流母线短路容量；PdN为额定直流功率；Z为交流系统等值阻抗；UN为换流母线额定电压。

单馈入直流短路比，在工程实践中常用于区分交流系统的强弱，主要涉及临界短路比和边界短路比两个概念：当直流最大可送功率点与额定工作点重合时，短路比处于某个临界值，将此时的短路比定义为临界短路比；当最大可送功率点与换相角工作点重合时，短路比达到某个边界值，将此时的短路比定义为边界短路比［8］。

2008年CIGRE直流工作组发表了“System with Multiple DC Infeed”报告［9］，该报告确定了多直流之间的相互影响因子（MIIF）并且对多馈入短路比做出了定义［10］：

式中：MISCRi为第i回直流所对应的多馈入短路比；Ui为第i回换流母线上的额定电压；Zeqii为系统等值阻抗矩阵中第i回换流母线所对应的自阻抗；Zeqij为系统等值阻抗矩阵中第i回换流母线所对应的互阻抗；Pdi为第i回直流的额定功率；Pdj为第j回直流的额定功率。MIIF定义为当换流母线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，直流子系统j的换流母线电压变化率。

文献［11］，通过交直流系统典型参数推导得出多馈入临界短路比的表达式，并在此基础上提出了利用多馈入短路比判断交直流系统强弱的指标［12］：多馈入短路比小于2为极弱系统；大于2小于3为弱系统；大于3为强系统，并证明了多馈入临界短路比与电压灵敏因子存在等价关系，为利用多馈入短路比分析电压稳定奠定了基础。文献［13］针对传统多馈入短路比的物理意义不明确无法体现其与静态电压稳定和传输极限的直接联系的问题，从静态电压稳定的角度修正了传统多馈入短路比，提出了广义短路比的概念，并证明了其可以为直流落点选择以及交直流系统稳定分析提供理论基础。此外，文献［14］指出直流换流站大量的无功消耗会对系统运行特性产生重大影响，针对传统短路比无法区分不同无功消耗的不同运行特性问题，提出了多馈入无功短路比的概念，并验证了其在评估交直流系统交互影响的有效性。

1.2 多馈入短路比应用

多馈入短路比通过引入多直流交互影响因子直接体现了多回直流之间的耦合关系和相互影响，在此基础上反映了交直流系统之间的强弱关系，对多直流落点的选择有一定启发性意义。文献［15］基于多馈入短路比，选择整体性、均衡性、干扰性3项指标，并进行线性加权求和得出综合指标，进而筛选得出最优多直流落点选择方案，但权重系数为人为固定无法反应多直流间的相互影响。文献［16］对此做出了改进，考虑到权重系数应与直流落点以及电网拓扑结构有关，所以采用直流间的电气距离来表达权重系数，并用各个换流母线对应的交流系统等值阻抗来体现电气距离的不同，使筛选结果更符合工程实际。

2 换相失败分析

换相失败指在换流器中，刚退出导通的阀，在反向电压作用的一段时间内，若其换相过程未进行完毕或阻断能力未能恢复，则阀侧电压变为正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相［17］。

2.1 换相失败影响因素

根据换相失败的定义，判定换相失败判据为实际关断角小于固有极限关断角，工程中一般设置为7°，在仿真计算中换流母线电压下降是导致换相失败的最主要原因，因此也采用最小电压下降法作为判据来判断逆变器是否发生换相失败，文献［18］针对传统最小电压降落法在判断换相失败中假设逆变侧为无穷大交流系统的不准确性，以逆变器熄弧角与换流母线电压的表达式为基础，根据逆变器达到最小熄弧角时换流母线达到最低电压为标准，推导出换流母线电压下降值的表达式，并验证了该判据的准确性。此外，文献［19］在传统电压幅值降低和电压过零点位移对换相失败影响分析的基础上，分析了更接近实际的电压波形畸变引起，远端换相失败的异常换相失败现象，得出其根本原因是畸变电压波形中含有较大直流分量和低次谐波。

单馈入交流系统中，换相失败的原因已经基本清楚，交流电压幅值降低、直流电流增大和交流换相电压过零点相角偏移是导致直流系统发生换相失败的主要原因。多馈入直流系统除上述原因外，各换流站之间的电气耦合关系是影响多个换流站同时发生换相失败的重要因素［20］。文献［21］重点研究了系统间电气距离即耦合阻抗的大小对多直流同时换相失败的影响，认为逆变侧换流母线之间的电气距离越近，则多个逆变站同时发生换相失败的概率越大。文献［22］以最小熄弧角判据为标准，得出临界多馈入交互作用因子的概念以及其通用表达式，认为当一回直流逆变侧发生三相金属性短路故障时若与另一回直流间的交互作用因子大于该临界因子则两回直流同时发生换相失败。文献［23］通过推导换相失败免疫因子与系统参数之间的解析表达式，得出多直流间相互影响因子越大，换相失败免疫水平越低；交流系统有效短路比越大，换相失败免疫水平越高，为交直流混合系统建设规划提供可靠依据。

2.2 换相失败的影响及控制策略

换相失败是交直流混合系统中最常见的特有故障之一，若由于受端电网无功支撑不足引发连续换相失败，则会导致直流系统闭锁中断功率传输，这将使受端交流系统出现较大的有功缺额和无功过剩，对交流系统的电压稳定和功角稳定造成巨大威胁。

换相失败的控制策略主要分为两类，一类是从速度与精度方面提出优化的预测方法来快速准确识别即将发生的换相失败，进而采取减小直流电流和提前触发逆变器阀等措施。文献［24］将交流故障引起的电压与电流分量的突变特征结合得出功率分量，并综合这3个分量提出了可更早检测交流故障的功率分量检测法，并以此为基础提出电流指令速动法，通过迅速减小电流有效降低换相失败概率。文献［25］分析了仅采取减小触发延迟角来控制直流换相失败的局限性，利用逆变侧低压限流控制和电流偏差控制模块，提出了一种直流电流预测控制方法，降低换相失败概率。另一类是对控制器进行改进，调整控制模块逻辑结构或修改控制参数，使其可以根据系统实际运行工况达到最优控制。文献［26］对直流控制系统建模仿真，针对实际工程中换相失败控制模块参数配置不当导致逆变站无功需求过大的问题，提出适当降低预测控制模型电压门槛值和增益系数可有效减小逆变站从交流系统吸收无功的解决方案。文献［27］应用比例积分运算式离散化推导，得出一种改进的自适应PI控制代替系统中的传统控制器，具有不依赖参考模型且运算量小可以快速响应的优势，提升了系统抑制换相失败的性能。

3 受端电网直流接入能力分析

文献［28］综合考虑电网短路电流水平、交流系统网架结构等因素，根据多馈入短路比来确定直流落点方案的整体性指标、均衡性指标、干扰性指标以及安全裕度指标，并进行加权综合评估，从而确定最优直流落点集合，并在此基础上以多馈入短路比不得小于2和N-1稳定计算为判据，逐渐增大直流接入得出最大接入规模。文献［29］认为影响交流系统直流受电规模的根本因素是多馈入直流短路比的大小和受端电网的电压稳定问题，并从电网规划角度考虑，得出电网结构和直流落点是影响多馈入短路比的直接原因，认为安装动态无功补偿配置是提高电压稳定性的一种相对有效手段。因此该文章确立了电网结构、直流落点、无功补偿配置作为直流受入规模的主要影响因素，认为使这3个因素最优化即可得出最大直流规模，采用多目标优化的启发式规划算法进行求解得出最大直流接入量。

以上两种方法都只是从受端电网的暂态稳定特性和网络规划的角度出发，提出直流最大受入规模的求解，并未考虑载电网调度运行下不同运行方式所带来的换相失败、频率安全以及区域互联功率转移等实际电网面临的问题，所以计算结果在实际运行时可能无法满足要求。文献［30-31］结合直流馈入后给电网运行控制带来的实际问题分析影响受端电网接入规模的主要因素：要综合考虑站址条件、潮流分布以及经济性等因素的直流落点选择问题；为保证直流系统换相可靠，交流系统相间要有足够大的短路电流来满足多馈入短路比要求的受端交流电网强度问题；在直流发生单极闭锁、双极闭锁后大量功率转移所引起的频率安全以及电压跌落问题；多馈入直流同时换相失败造成受端交流电网短时出现大量功率转移和电压跌落引起的暂态稳定问题。

因此，直流接入能力与受端电网的运行方式、频率安全问题、电压支撑能力、短路容量水平密不可分。为求得最大直流接入规模，须针对上述影响因素重点研究开机情况［32］、新能源机组并网情况、重要交流断面功率控制水平、电压控制水平、负荷模型和规模［33］、外部电网强度等因素对直流实际可馈入运行功率的影响，侧重从调度运行层面，提出受端系统所能受入的最大直流规模评估方案。

4 结语

多馈入短路比可直接体现多直流之间的耦合关系和相互影响，是衡量交流电网强度的宏观尺度，以此为基础综合选择直流落点是直流接入能力计算的基础。短路比的定义也揭示了受端电网短路容量水平越大则网架越坚强的特性，可以作为提高直流接入能力的调度运行方案设计的参考依据。多馈入直流输电系统发生多条直流同时或相继换相失败以及严重时发生直流闭锁，造成的功率转移、有功缺额和无功过剩是影响交流系统稳定性的重要因素，制约直流线路的输送功率。单纯从暂态稳定和网络规划角度计算出的直流接入规模，在电网实际运行过程中可能出现偏差，所以需要梳理各个运行控制条件对交流系统和直流系统的影响规律，评估可以馈入的最大规模。

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Study on Safety Feeding DC Power Evaluation M ethod for“Strong DC and W eak AC”system

LV Bohan1，WANG Xinwei1，SUN Jiayue2，ZHAO Dongmei1，GONG Yanfeng1
（1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266002，China）

With the rapid development of UHV AC／DC transmission，the problem of“strong DC and weak AC”is becoming more and more obvious.The security risk of the weak AC transmission system is becoming higher and higher.For the multifeed-in AC／DC hybrid system，because of the parallel operation ofmultiple DC lines，interference happens between AC and DC system as well as among DC subsystems，which imposes new requirements on the control and protection of AC／DC hybrid systems.The research status about short-circuit ratio，commutation failures in HVDC and the safety of feeding DC power is reviewed and summarized in this paper.Thiswill provide valueable guidance to the evaluation of safely feeding DC power to the AC system with weak receiving end.

multi-infeed AC／DC hybrid power system；short circuit ratio；commutation failure；DC access capability

TM721.3

A

1007－9904（2017）06－0031－04

2017-03-02

吕勃翰（1992），男，硕士研究生，从事电力系统分析与运行方面研究工作；王馨尉（1993），女，硕士研究生，研究方向为需求侧管理、负荷控制；孙嘉越（1992），男，工程师，从事电力营销工作；赵冬梅（1965），女，博士，教授，博士生导师，从事电力系统分析运行和电力系统智能，控制工作；龚雁峰（1977），男，教授，博士生导师，从事电力系统控制与保护工作。