异步电网直流配套电源开机优化研究

李家璐，陈兴望

（中国南方电网电力调度控制中心，广州 510663）

0 前言

云南电网异步联网后，由于自身体量较小以及网架建设的薄弱，其对于系统有功、无功冲击的抵御能力有所下降，当系统出现扰动时，容易发生频率与电压的波动问题[1-2]。其中，由直流系统功率波动引起的整流侧交流暂态过电压问题，无论是对电网的暂态稳定还是设备运行安全都具有较大影响。高压直流系统在整流侧、逆变侧完成整流与逆变时需要吸收大量无功，正常运行时需要消耗输送功率的50%～60%，如果直流系统突然闭锁，换流站过剩无功倒送交流系统，会引起持续时间一般不超过200～600 ms的暂态过电压现象[3]。而在直流解锁的过程中，由于在阀控发出解锁脉冲前需要提前投入一定量的无功滤波器以平衡解锁后换流阀的无功需求，其也会在交流母线处产生一段过电压的情况。如果送端网架不够坚强或者其无功消纳能力不足，会进一步影响交流系统的暂态稳定性。

针对直流功率波动引起的过电压问题进行了大量探讨。文献[3]分析了短路比指标与暂态过电压之间的定性关系，并根据其对应关系给出了暂态过电压的参考值，但未考虑交流系统等值电势以及无功补偿的上升特性，建模不够精确。文献[4]基于对直流送端等值的详细建模，给出了暂态过电压的定量计算方法，并分析了其影响因素。可见，学术界对于直流功率波动引起的过电压产生机理以及定量估算等方面的研究已经较为成熟。相比于学术界，工程界则更关心的过电压的抑制措施。文献[5-7]对电网中的相关直流工程进行了详细建模，通过仿真得到了一系列满足实际安全运行的避雷器以及保护参数。文献[8]首先分析了电网不同的运行方式对于直流闭锁暂态过电压的影响，并指出极控与安稳装置动作时序的不当会引发换流站电压的“二次压升”，然后通过对2014年某特高压直流数据仿真给出了直流闭锁后安稳装置与极控协调控制策略。

目前，多是关注在直流异常闭锁后对于其换流站暂态过电压的抑制措施，缺乏对直流解锁过程中，无功滤波器投入引起交流母线过电压问题的关注。而在南网实际的调度运行工作中，当云南电网处于低谷小方式运行时，各整流站特别是牛寨站在直流解锁期间确实出现了调压困难的问题。目前，针对这个问题，实际调度工作中多是通过在直流送端电厂开启一定数量的发电机，凭借其进相能力限制该过电压。因此，制定一个合理的电厂最小开机台数方案，对于调度员的实际运行工作以及电网安全都具有重要意义。

本文首先分析了直流解锁期间交流母线过电压的产生机理，并指出该过程中的暂态过电压是导致交流母线电压越限的主要因素。然后介绍了暂态过电压的定量计算方法，并以此说明了短路比以及剩余无功容量对暂态过电压的影响。然后根据暂态过电压与短路比的关系，基于南方电网2017年冬季小方式即年小方式，通过BPA对直流送端电厂最小开机台数方案的问题进行仿真，并与其他方式下的仿真结果做了对比，验证了仿真方法的有效性与仿真结论的正确性。最后基于该结论，对2017年小方式实际开机方案进行了分析，为调度员的实际运行工作提供了依据。

1 直流解锁过程中的过电压

1.1 系统的稳态电压运行分析

图1 等值交直流系统简化模型

如图1为学术界广泛采用的多馈入等值单馈入交直流系统简化模型示意图。模型中采用恒定电抗与恒定电压源串联的方式来等值送端电网。图中E表示交流系统等值电势，即等值系统电压源有效值，X表示交流系统等值电抗，Ssc表示整流站交流母线处的短路容量，Pac与Qac分别表示交流系统向直流系统传输的有功和无功，U表示整流站交流母线等值电势，Idc表示直流系统直流电流，Pdc与Qdc表示直流系统有功和无功，Qc表示逆变站交流滤波器发出的无功功率。

图中交流系统侧均为等值的假想参数，而等值电抗可以表示为：

只需通过仿真得到相应交流母线的短路容量即可计算等值电抗。然后，可通过稳态运行时交流系统向换流站输送的有功、无功计算得到交流系统等值电势：

如图2(a)，为交直流系统一般稳态的运行情况，其中，为交流系统向整流站传输有功引起的电压降落纵分量；而则表示由于无功功率交换而引起的电压降落横分量。

直流系统复电前稳态运行情况的电压相量关系如图2(b)所示，直流与交流系统没有功率交换，因此此时交流等值电势E与交流母线电压U之间没有相角差，幅值也是相等的。

图2 直流解锁前电压相量图

1.2 过电压产生机理分析

按照南方电网的直流运行规程[9]，在直流解锁的过程中，换流站交流滤波器组必须在解锁前满足1A+1B的最小运行方式，然后再通过阀控发出触发脉冲，解锁直流至最小解锁功率(10%)运行方式。因此，当直流尚未解锁时投入无功滤波器，会在整流站交流母线处产生一定量的交流暂态过电压。如图2(c)所示，由于无功滤波器的投入使得整流站向交流系统倒送无功，此时电流相角超前于交流等值电势E90度。另外，由于直流系统尚处于闭锁状态，可以认为交流等值系统没有向直流系统传输有功，因此交流系统等值电势E与交流母线电压U之间的夹角为0。然后，阀控发出触发脉冲使直流解锁，解锁后的电压相量关系如图2(d)所示。解锁后直流传输有功增大，交流母线电压U与交流系统等值电势E夹角不再为0，并产生了电压降落的横分量。此外，由于直流系统在达到最小解锁功率运行方式的过程中，吸收的无功数额小于1A+1B无功滤波器发出的无功。因此，在一段时间内，整流站仍会继续向交流系统倒送无功。此时电流相量仍将超前于交流等值电势E，而交流母线也将继续处于一定程度的稳态过电压。

图3 金官换流站交流母线电压曲线

值得注意的是，以上分析中提到了直流解锁过程中引起的交流母线暂态过电压与稳态过电压两段过电压问题。他们的区别在于前者是由无功冲击导致，系统来不及在极短时间内平衡该无功，因此会在交流母线处产生一个数值较高的过电压。然后随着时间推移，发电机等无功调节设备开始逐步消纳过剩无功，系统逐渐达成了无功平衡，交流母线电压趋于平稳，并处于稳态过电压阶段。上述过程交流母线电压的时域变化曲线如图3所示，其为在BPA2017南方电网小方式中，解锁金中直流时金官换流站交流母线的电压曲线。其中，在2s时投入了一组1A+1B的无功滤波器，可以看到其发生了一个200 ms左右的暂态过电压现象。然后由于过剩无功被消纳，电压水平回落，交流母线电压进入了稳态过电压阶段。因此，在讨论该过程电压是否越限时，后文将主要关注数值更高的暂态过电压。

1.3 暂态过电压的计算方法

假设用Qcp表示换流站中单相的剩余无功容量，即引起暂态过电压的无功。在直流解锁期间，该Qcp即表示一组1A+1B无功滤波器发出的单相无功容量。其中，由于Qcp指的是在额定电压作用下的容量，因此在交流母线电压升高时，该无功滤波器发出的容量会增大，为(U’/UN)2Qcp，U’表示交流母线投入无功滤波器之后的电压。那么，此时交流母线的暂态过电压可以用以下式子表示：

其中，Pacp表示交直流系统之间传输的单相有功功率。由于在直流解锁过程中线路基本没有有功传输，可将其忽略，简化式（3）后，解出U’为：

使上式各参数标幺化，再对式中Qcp、X求偏导数，可得：

由式(8)可知，交流母线暂态过电压与交流母线剩余无功容量呈正相关关系。即当交流母线剩余无功容量越大时，母线上的暂态过电压也越大。在直流解锁期间，这对应于1A+1B无功滤波器发出的无功。若是在直流异常闭锁的情况下，直流闭锁容量越大，损失的无功负荷就越大，剩余无功容量就越大，相应地，暂态过电压的数值就越大。另外，由式(9)可知，交流母线暂态过电压与交流系统等值电抗也呈正相关关系。即当交流系统等值电抗越大，交直流送端强度越低时，母线上的暂态过电压也越大。而交直流系统送端强度则与短路比指标密切相关。

1.4 暂态过电压的影响因素

按照南方电网的直流运行规程[9]，在直流解锁的过程中，换流站交流滤波器组必须在解锁前满足1A+1B的最小运行方式，然后再通过阀控发出触发脉冲，解锁直流至最小解锁功率(10%)运行方式。因此，当直流尚未解锁时投入无功滤波器，会在整流站交流母线处产生一定量的交流暂态过电压。如图2(c)所示，由于无功滤波器的投入使得整流站向交流系统倒送无功，此时电流相角超前于交流等值电势E90度。另外，由于直流系统尚处于闭锁状态，可以认为交流等值系统没有向直流系统传输有功，因此交流系统等值电势E与交流母线电压U之间的夹角为0。然后，阀控发出触发脉冲使直流解锁，解锁后的电压相量关系如图2(d)所示。解锁后直流传输有功增大，交流母线电压U与交流系统等值电势E夹角不再为0，并产生了电压降落的横分量。此外，由于直流系统在达到最小解锁功率运行方式的过程中，吸收的无功数额小于1A+1B无功滤波器发出的无功。因此，在一段时间内，整流站仍会继续向交流系统倒送无功。此时电流相量仍将超前于交流等值电势E，而交流母线也将继续处于一定程度的稳态过电压。

1.4.1 暂态过电压与短路比

上一节中分析了交流系统等值电抗即交直流系统强度与交流母线暂态过电压的正相关关系，而在实际工程上，多用短路比（short-circuit ratio, SCR）来表征交直流混联电网的系统强度。IEEE指引性文件[3]定义的短路比指标为：

式中，Ssc代表交流母线处短路容量，而PdN代表直流系统的额定有功功率。

将式(1)与式(11)联立，可得等值阻抗与短路比的关系式：

将上式带入式(6)，且认为交流系统等值电势E与交流母线电压U仅存在相角差，数值均近似为1，则有：

一般来说，整流站的无功补偿容量为有功传输功率的50%～60%左右，本文计算时取Qc=0.5PdN，值得说明的是，这里的Qc指得是三相总容量。另外，由于不同整流站的无功滤波器配置方案不同，即一组1A+1B无功滤波器发出的无功功率在总容量中的占比是不相同的，因此不同直流计算得出的短路比与暂态过电压的关系并不一致，下文将以楚穗直流为例，说明短路比与暂态过电压的关系。楚穗直流中1A+1B无功滤波器发出的无功占总无功的1/6.5，因此有：

为与上述关系作对比，将再给出单极闭锁与双极闭锁的关系：

将式(14)、(15)、(16)分别带入式(13)中，可得到楚穗直流在直流解锁、单极闭锁、双极闭锁情况下，短路比与暂态过电压的定量关系，如图4所示。由图可知，暂态过电压与短路比即系统强度呈负相关关系，即系统强度越弱，暂态过电压越严重。因此，在后文的仿真中，将主要对2017的小方式模型进行仿真，这是由于该方式下送端网架最为薄弱，短路比最小，暂态过电压现象最严重，因此，在该方式下仿真得到的发电厂最小开机台数方案也是最为保守的，实际开机方案满足该项限制即可应对所有方式下直流解锁带来的过电压问题。

图4 楚穗直流SCR与暂态过电压

图5 剩余无功容量与暂态过电压

1.4.2 暂态过电压与剩余无功容量

在不同系统强度下(SCR=3,5,10,15)计算剩余无功容量与暂态过电压的关系，得到图5。可以观察到，剩余无功容量与暂态电压之间呈正相关关系，剩余无功容量越大，暂态电压越高。其中，由于不同直流1A+1B滤波器发出的无功占总无功的比例不同，直流解锁期间引起的暂态过电压在图中为一个区域。

2 考虑直流解锁过程过电压的云南送端电厂最小开机方案

本节将对2017年冬季小方式即年最小方式进行仿真。确定直流系统送端电厂的最小开机台数，并保证直流解锁过程中的暂态过电压不超过550 kV[9]。其中，在仿真时刻为2s时投入一组1A+1B无功滤波器，并且全程保持发电机最大进相能力运行。仿真范围为云南境内的牛从、金中、永富、楚穗、普侨五条直流。另外，本节也对2017年冬季大方式进行了仿真，以作与上述结果的对比验证。

2.1 牛从直流—溪洛渡电厂开机方案

表1是在2017年冬季小方式与大方式中对牛从直流仿真所得的结果，图6是小方式中牛寨站交流母线的电压曲线，图7是小方式中牛从直流送端电厂开机方案柱状图。后四节图形与表格的含义与本节类似，故不再赘述。

表1 2017年冬季小方式与大方式牛从直流最小开机方案

图6 小方式牛寨换流站交流母线电压曲线

图7 小方式溪洛渡右岸电厂开机方案

2.2 金中直流—梨园、阿海电厂开机方案

图8 小方式金官换流站交流母线电压曲线

图9 小方式金中直流送端电厂开机方案

2.3 永富直流—观音岩、鲁地拉、龙开口电厂开机方案

鲁地拉 0龙开口 1

图10 小方式永仁换流站交流母线电压

图11 小方式永富直流送端电厂开机方案

2.4 楚穗直流—金安桥、小湾电厂开机方案

图12 小方式楚雄换流站交流母线电压曲线

2.5 普侨直流—糯扎渡电厂开机方案

图13 小方式普洱换流站交流母线电压曲线

图14 小方式糯扎渡电厂开机方案

2.6 数据结果分析

2.6.1 云南直流送端电厂最小开机方案

1）牛从直流解锁前，溪洛渡电厂需开机3台及以上，牛寨换流站母线电压控制在532 kV以内。

2）金中直流解锁前，梨园、阿海电厂最小开机方案有3种。第一种：2台、0台；第二种：0台、3台；第三种：1台、2台，金官换流站母线电压控制在535 kV以内。其中，第一种方案为总开机台数最少。

3）永富直流解锁前，观音岩、鲁地拉、龙开口电厂最小开机方案有6种。三厂满足开机总数为2台及以上即可；永仁换流站母线电压控制在538 kV以内。

4）楚穗直流解锁前，金安桥、小湾电厂最小开机方案有5种。二厂满足开机总数为4台及以上即可，楚雄换流站母线电压控制在538 kV以内。

5）普侨直流解锁前，糯扎渡电厂需开机2台及以上，普洱换流站母线电压控制在538 kV以内。

2.6.2 2016年与2017年运行方式云南直流送端电厂最小开机方案对比分析

2016年运行方式云南直流解锁期间，送端电厂的最小开机方式，图15是根据数据绘制柱状对比图。观察图15，可以发现2017年方式的最小开机方案相较于2016年更加乐观，即其直流期间的暂态过电压问题得到了缓解。这是由于云南网架建设的不断完善，使得送端电网强度增大，整流站直流馈入点的短路比指标进一步提升，根据第四节的分析，其暂态过电压现象可得到有效抑制。

图15 2016年与2017年云南直流送端电厂最小开机方案对比柱状图

大方式下的开机台数较小方式更加乐观，而大方式下各直流整流侧短路比又大于小方式。因此，其同样也反映了第4节中暂态过电压与短路比呈负相关的描述，并证明了本文仿真方法与结果的正确性。

3 结束语

本文首先介绍了直流解锁过程中的暂态过电压与稳态过电压问题，并指出应把防止暂态过电压越限作为仿真考虑的主要因素。然后给出了暂态过电压的计算方法并讨论了暂态过电压与短路比、剩余无功容量的定量关系。指出应在低短路比情形下，对发电厂最小开机台数的问题进行仿真，得出最保守的台数阈值范围。最后在BPA2017年南网冬季小方式中进行了仿真，得出了牛从、金中、永富、楚穗、普侨等直流送端电厂的最小开机台数方案，并与2016年小方式以及2017年冬季大方式的仿真结果作了对比，验证了仿真方法与结论的正确性。最后，基于该结论指出了2017年小方式下，当牛从、楚穗直流解锁时，应注意增加其送端电厂的开机台数，以防交流母线电压越限。