1、第 39卷 第 7期 電 力 系 統 保 護 與 控 制 Vol.39 No.7 2011年 4月 1日 Power System Protection and Control Apr.1, 2011 特高壓交流對四川電網多送出直流輸電系統影響評估陳 虎 1,張英敏 1,賀 洋 2,李興源 1,王渝紅 1,趙 睿 1(1.四川大學電氣信息學院,四川 成都 610065;2.重慶市電力公司永川供電局,重慶 402160摘要:雅安荊門 1 000 kV特高壓交流投運后,四川電網將形成全世界獨有的特高壓交直流混聯輸電系統。為評估特高壓 交流投運對四川電網多送出直流輸電系統的影響,針對四川電網 201

2、2年豐大運行方式,利用多饋入交互作用因子、多饋入 運行短路比等評估指標,通過小干擾穩定性分析和仿真分析,對雅安荊門 1 000 kV特高壓交流投運和未投運兩種運行方 式進行對比。 結果均表明特高壓投運后能有效提高四川電網三條直流系統的送端交流系統強度, 減小送端換流站之間的交互 作用,提高系統小干擾穩定性,提高短路電流水平和降低暫態過電壓水平。關鍵詞:特高壓;多送出直流輸電系統;多饋入交互作用因子;多饋入運行短路比;影響評估Impact assessment of UHVAC on multi-send HVDC systems of Sichuan power gridCHEN Hu1, Z

3、HANG Ying-min1, HE Yang2, LI Xing-yuan1, WANG Yu-hong1, ZHAO Rui1(1. College of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China ;2. Yongchuan Power Supply Bureau, Chongqing Electric Power Co., Chongqing 402160, China Abstract :After the Ya'an-Jingmen 1000 kV UHV

4、AC is put into operationthere will be a world wide unique, UHV AC/DC hybrid transmission system in Sichuan power gridTo assess. the impact of UHVAC operation on multi-send HVDC system of Sichuan power grid , this paper, based on 2012 high water level and peak load operation mode of Sichuan power gri

5、duses e, valuation indicators like multi-infeed interaction factor and multi-infeed operating short-circuit ratioand through s, mall disturbance stability analysis and simulation, to compare two running modes which are putting Ya'an-Jingmen 1000 kV UHVAC into operation and not putting it into op

6、eration . The results show that UHVAC operation can effectively increase the sending end AC system strength, decrease the interaction among sending-end converter stationsi, mprove small disturbance stabilityi, ncrease the level of short circuit current and reduce the level of transient overvoltage o

7、f three HVDC systems of Sichuan power grid.Key words:UHV ; multi-send HVDC system; multi-infeed interaction factor; multi-infeed operating short circuit ratio; impact assessment中圖分類號: TM72 文獻標識碼:A 文章編號: 1674-3415(201107-0136-060 引言隨著特高壓交流試驗示范工程先后開工建設, 國家電網進入了以特高壓為重要特征的新階段。四 川水力資源豐富,是我國“西電東送”戰略的水 電基地

8、,結合水電豐水期容量富裕的特點,規劃 建設了雅安重慶萬縣荊門特高壓交流輸變 電工程。 到 2012年四川電網將形成全世界獨有的 1 000 kV特高壓交流、 500 kV超高壓交流、 ±800 kV特高壓直流和±500 kV高壓直流的交直流混聯輸 電系統,輸電方式和電壓等級都較為復雜 1。基金項目:國家自然科學基金項目(51037003 ;國家支撐 計劃項目(2008BAA13B01雅安荊門 1 000 kV特高壓交流投運后, 能有 效增強四川電網與華中電網其他地區之間的電力交 換能力,但特高壓交流系統的大功率傳輸和特高壓 交直流之間的復雜相互作用都對四川電網多回直流 輸電

9、系統的安全穩定運行提出了更高要求,帶來了 許多特殊問題 2-10。因此,特高壓交流投運對四川 電網直流輸電系統穩定性的影響亟待評估。本文針對四川電網 2012年豐大運行方式, 利用 多饋入交互作用因子、多饋入運行短路比等評估指 標,通過小干擾穩定性分析和仿真分析,從定量分 析和定性分析兩方面就特高壓交流投運對四川電網 多回直流輸電系統的影響進行評估。陳 虎,等 特高壓交流對四川電網多送出直流輸電系統影響評估 - 137 -1 2012年四川電網概況2012年四川電網(見圖 1包括多回直流輸電 系統:通過復龍南匯、錦屏蘇州±800 kV特高 壓直流輸電線路與華東電網相連,通過德陽寶雞

10、±500 kV高壓直流輸電線路與西北電網相連, 三條直流的基本情況如表 1所示。這些直流系統的送端換流站落點于較為集中的同一地區電網,存在耦合 關系,交互影響復雜 11-13。本文將這種具有送端多 落點特點的系統定義為多送出直流(Multi-Send DC , MSDC 輸電系統。 165432 圖 1 2012年四川電網 Fig.1 2012 Sichuan power grid表1 2012年四川電網3條直流基本情況Tab.1 Basic conditions of three HVDC lines of 2012 Sichuanpower grid直流線路 電壓等級 /kV 額

11、定容量 /MW 實際容量 /MW錦屏蘇州 ±800 2×3600 1×1800 德陽寶雞 ±500 2×1500 1×1500 復龍南匯±8002×32002×16002012年四川電網外送電分散, 分別向西北、 華 中和華東三大電網送電,而且輸送方式和電壓等級 較為復雜, 圖 1中 2、 4號斷面通過廣安萬縣、 洪 溝板橋 500 kV超高壓交流向華中電網輸電; 3號 斷面通過雅安重慶 1 000 kV特高壓交流向華中電 網輸電,這些交流通道與 1、 5、 6斷面組成的多送 出直流輸電系統共同形成了復雜

12、的交直流混合互聯 輸電系統。2 直流系統量化評估指標2.1 短路比 SCR交流系統的強弱通常用短路容量來絕對表示, 短路容量越大,交流系統越強。在互聯系統中,現在廣泛采用短路比來表征交直流系統的相互作用強 度。直流系統的短路比越大,設備投入或原有運行 狀態改變對系統的影響越小,交流側受到擾動時其 換流母線電壓下降也越小。 對于單條直流輸電系統, 短路比 SCR 和有效短路比 ESCR 定義為acdNS SCR P =(1 ac CNdNS Q ESCR P = (2式中:S ac 為直流輸電系統換流母線處三相短路容 量; Q CN 為當換流站交流母線電壓為額定值、直流 功率為額定值時,換流站交

13、流濾波器和并聯電容器 提供的三相基頻無功功率; P dN 為直流系統額定容 量。2.2 多饋入交互作用因子 MIIF對于多條直流輸電系統,除了交流和直流間的 相互作用外,各直流系統之間也會存在相互作用。 由 CIGRE WG B4 工作組提出了用于衡量多條直流 系統中各換流站之間電壓交互作用的指標:多饋入 交互作用因子(MIIF 。它反映了由于無功擾動,- 138 - 電力系統保護與控制任意兩個整流站換流母線電壓之間的相互關系,從 而反映直流系統之間的耦合程度。其定義 14如式 (3: , j j i iU MIIF U = (3式中: U i 是原直流系統在額定功率下運行時,在 其換流站換流

14、母線上投切一個并聯無功功率支路, 造成其換流母線電壓階躍變化的變化量(以百分數 表示,通常為 1%; U j 是待考察一回直流輸電換 流站換流母線電壓變化量響應值 (以百分數表示 。MIIF j,i 值的大小反映換流站 I 、 j 之間電氣耦合的 緊密程度,可以作為描述換流站 I 、 j 之間電氣距離 的指標。多饋入相互作用因子的引入使多條直流系 統中各換流站間電氣距離能夠量化,便于量化分析 換流站之間的耦合程度。 2.3 多饋入短路比 MSCR當考慮多條直流同時輸電的情況時,傳統短路 比和有效短路比并不能計及其他直流系統的影響。 因此, 對于多饋入直流系統中的直流系統 i , 其短路 比和有

15、效短路比的計算應計入其他直流系統的影 響,這時短路比計算公式中的分母,直流功率將不 單是一條直流的額定功率,而是本條直流額定功率 加上其他直流系統的“折算功率”。在考慮了多條直流通過交流電網的相互作用和 影響后, 直流系統 i 的短路比和有效短路比被定義為 多饋入短路比 MSCR 和多饋入有效短路比 MESCR :ac dN , dN , (ii ij i j j j iS MSCR P MIIF P =+× (4ac CN dN , dN , (i ii ij i j j j iS Q MESCR P MIIF P =+× (5式中:S ac i 為換流站 i 換流母線處

16、三相短路容量;Q CN i 為當換流站 i 交流母線電壓為額定值、 直流功率為額 定值時,換流站交流濾波器和并聯電容器提供的三 相基頻無功功率; P dN i , P dN j 為直流系統 i , 直流系統 j 的額定容量, MIIF j,i 由式(3得到。多饋入短路比指標能夠有效地反映考慮其他直 流交互影響后,本直流輸電系統的故障恢復能力和 換流母線的電壓穩定性。2.4 多饋入運行短路比 MOSCR由定義可知, MESCR 是基于多饋入直流系統中 各直流輸電系統在額定功率、額定電壓下計算得出 的。但是當直流降功率運行或控制方式改變時,傳 統的多饋入短路比難以正確反映系統的實際運行狀態,所以有

17、必要提出適用于不同運行方式的多饋入 運 行 短 路 比 MOSCR 和 多 饋 入 運 行 有 效 短 路 比 MOESCR :aco _d , d , (ii i j ij j j iS MOSCR P MIIFP =+× (6aco _co _d , d , (i ii i j ij j j iS Q MOESCR P MIIFP =+× (7式中:S aco _i 為換流站 i 換流母線處在系統對應運行 方式下的三相短路容量; Q co_i 為換流站交流濾波器 和并聯電容器提供的實際無功功率; P d i , P d j 為直 流系統 i ,直流系統 j 的實際運行容

18、量。 MIIF j,i 中 U i 是原直流系統在某方式下運行,并按實際的換流母 線電壓水平和無功控制方式在其換流站換流母線上 投切一個并聯無功功率支路,造成其換流母線電壓 階躍變化的變化量(以百分數表示,通常為 1%; U j 是待考察一回直流輸電換流站換流母線電壓變 化量響應值(以百分數表示。多饋入運行短路比能夠準確地反映系統的實時 情況,能夠對不同運行方式下的交直流系統進行更 加準確的量化分析。3 特高壓交流影響評估針對四川電網 2012年豐大運行方式, 對雅安 荊門 1 000 kV特高壓交流投運和未投運兩種運行方 式進行對比。3.1 評估指標計算利用 BPA 計算程序,通過式(3可以

19、計算得 特高壓投運后 3回直流輸電系統整流站多饋入交互 作用因子矩陣,如表 2所示。表2 MIIF矩陣(特高壓投運后 Tab.2 MIIF matrix(with UHVAC 待考察換流站 1%電壓階躍變化換流站錦屏德陽復龍錦屏 1.000 0.159 0.363 德陽 0.133 1.000 0.224 復龍0.170 0.117 1.000分析表 2數據得出:四川電網 3條多送出直流 系統相互作用強度相對于南方電網和華東-華中多 饋入直流電網相互作用而言,耦合強度相對較小, 最大為 0.363。錦屏換流站對德陽、復龍換流站影 響相對較大,原因在于錦屏換流站相對于德陽、復 龍換流站更靠四川送

20、端電網的西側,錦屏換流站直 流系統的波動會對川西電網的潮流造成影響,波動 會沿交流通道影響德陽和復龍換流站。錦屏和德陳 虎,等 特高壓交流對四川電網多送出直流輸電系統影響評估 - 139 -陽換流站施加 1%電壓階躍降落時, 對復龍換流站作 用相對較強,分別為 0.363和 0.224。意味著在考慮 3回直流輸電系統相互作用后,錦屏蘇州和德陽 寶雞兩條直流系統的多饋入運行有效短路比將比傳 統短路比有較大幅度的減小。結合 MIIF 矩陣可計算特高壓投運后四川電網 3回直流輸電系統的換流母線處三相短路電流、傳統 短路比、有效短路比、多饋入運行短路比和多饋入 運行有效短路比等指標,數據計算結果見表

21、3。 表3 短路電流, SCR , ESCR , MOSCR , MOESCR (特高壓投運后Tab.3 Short circuit current, SCR , ESCR , MOSCR , MOESCR (with UHVAC 指標 錦屏 德陽 復龍短路電流/kA 12.63 15.04 9.02 SCR 6.365 9.093 2.563 ESCR 5.965 8.713 2.110 MOSCR 3.580 5.553 2.228 MOESCR 3.355 5.321 1.834分析表 3數據得出: 傳統短路比計算結果偏于 樂觀, 這主要是由于錦屏、 德陽換流站與復龍換流站 的交互因子較

22、大, 且復龍南匯直流系統本身容量較 大, 導致計算多饋入運行有效短路比時, 錦屏、 德陽 站獲得的“折算功率”較大的緣故。 比較而言, 復龍換流站的各種短路比都較小, 需要考慮采用適當 的措施應對電壓穩定性問題。 除復龍南匯直流 系統外, 各直流系統的多饋入運行有效短路比都大于 2.5,交直流輸電系統能夠保持良好的運行特性。 雅安荊門 1 000 kV特高壓交流未投運運行方 式下,多送出直流輸電系統的 MIIF 矩陣、短路電流 和短路比指標計算結果見表 4、表 5。表4 MIIF矩陣(特高壓未投運Tab.4 MIIF matrix(without UHVAC 待考察換流站1%電壓階躍變化換流站

23、錦屏 德陽 復龍錦屏 1.000 0.155 0.381 德陽 0.144 1.000 0.246 復龍 0.171 0.118 1.000 表5 短路電流, SCR , ESCR , MOSCR , MOESCR (特高壓未投運Tab.5 Short circuit current, SCR , ESCR , MOSCR , MOESCR (without UHVAC 指標 錦屏 德陽 復龍短路電流/kA 11.90 14.42 8.51 SCR 6.012 8.730 2.418 ESCR 5.611 8.349 1.964 MOSCR 3.328 5.142 2.101 MOESCR 3

24、.105 4.918 1.706對雅安荊門 1 000 kV特高壓交流投運和未投 運兩種運行方式進行比較:表 2與表 4比較,表 2 MIIF 矩陣中絕大多數交互作用因子在雅安荊門 1 000 kV特高壓交流投運后,都有所減小。這表明 特高壓投運能夠減小各換流站之間的耦合程度,降 低換流站之間的交互影響。表 3與表 5對比表明雅 安荊門 1 000 kV特高壓交流投運后,對四川電網 多送出直流輸電系統有較為明顯的影響。特高壓交 流投運后,四川電網 3回直流輸電系統的送端交流 系統強度均得到提高。錦屏蘇州、德陽寶雞、 復龍南匯直流系統的多饋入運行有效短路比在特 高壓交流投運后比未投運時,分別增大

25、了 0.250、 0.403、 0.128。 這說明特高壓交流的投運, 能有效提 高 3回直流輸電系統的故障恢復能力和換流母線的 電壓穩定性。直流輸電系統送端的交流系統強度 提高,能夠降低各換流站之間的耦合程度,這也是 在特高壓交流投運后,表 2 MIIF 矩陣中絕大多數交 互作用因子都有所減小的原因。表 3與表 5中,換 流母線處三相短路電流在特高壓投入和未投運兩種 運行方式下對比得出,雅安荊門 1 000 kV特高壓 交流投運后,能有效提高短路電流水平,增大系統 短路容量,提高交流系統的強度。3.2 小干擾穩定性分析目前用于研究電力系統小干擾穩定的方法主要 是基于李雅普諾夫一次近似法的小干

26、擾法。系統的 小干擾穩定性主要由狀態矩陣的所有特征值決定。 阻尼比可以反映時域響應曲線振蕩衰減的快慢,阻 尼比越大,振蕩衰減就越快,系統小干擾穩定性越 強。在分析四川電網低頻振蕩時,主要針對振蕩頻 率為 0.12.0 Hz的機電振蕩模式。 因此, 在計算中僅 對此振蕩頻率范圍內的特征根掃描。表 6、表 7給出 了雅安荊門 1 000 kV特高壓交流投運和未投運兩 種運行方式下,阻尼比小于 0.02的弱阻尼振蕩模式 的特征值計算結果。對比得出,特高壓投運后各振 蕩模式中特征值實部的絕對值增大,阻尼比有所增 加,振蕩頻率有所下降,說明特高壓投運后能適當 提高系統的小干擾穩定性。表6 特征值計算結果

27、(特高壓投運后Tab.6 Eigenvalues calculation(with UHVAC 實部 虛部 阻尼比 /% 頻率 /Hz 機電回路相關比 -0.035 36510.358 7970.341 398 1.648 653 280.806 609 -0.053 8247.584 5430.709 636 1.204 111 95.045 394 -0.086 3639.575 3320.901 899 1.523 961 69.415 689 -0.109 2837.243 0561.508 628 1.152 768 29.407 054- 140 - 電力系統保護與控制表7 特征值

28、計算結果(特高壓未投運Tab.7 Eigenvalues calculation(without UHVAC 實部 虛部 阻尼比 /%頻率 /Hz 機電回路相關比 -0.034 903 10.373 683 0.336 4621.651 023 284.617 839 -0.051 944 7.574 483 0.685 7621.205 517 98.207 171 -0.085 695 9.583 468 0.894 1681.525 256 69.743 481 -0.108 544 7.249 806 1.497 0351.153 842 29.613 4363.3 仿真分析針對雅安荊

29、門 1 000 kV特高壓交流投運和未 投運兩種運行方式, 以錦屏蘇州直流系統 1 s時刻 故障單極閉鎖為例,考察發電機機組功角和錦屏換 流站換流母線暫態電壓水平,曲線如圖 2、 3所示。/s圖 2 錦屏蘇州直流單極閉鎖瀑布溝機組功角 Fig.2 Jinping-Suzhou DC unipolar atresia power angle of Pubugou generator由圖 2仿真結果看出,特高壓交流投運能減小 直流系統故障時,瀑布溝機組功角第一擺的幅度, 且仿真得出曲線 2的阻尼比為 0.070 4,大于曲線 1的 阻尼比 0.064 4,改善了阻尼特性。說明特高壓交流 投運后,能

30、適當增強四川電網在直流系統故障時的 功角穩定性。圖 3 錦屏蘇州直流單極閉鎖錦屏站換流母線電壓 Fig.3 Jin-ping-Suzhou DC unipolar atresia bus voltage of Jinping converter station由圖 3仿真結果看出,當直流系統由于故障等 原因發生閉鎖時,換流站無功補償裝置產生的過剩 無功,將會引起換流母線的暫態過電壓。對比曲線 3、 4可以看出,特高壓交流的投運可以有效降低系 統的暫態過電壓,提高直流系統故障時的電壓穩定 性。4 結束語本文針對四川電網 2012年豐大運行方式,利 用量化評估指標、小干擾穩定性分析和仿真分析評 估

31、雅安荊門 1 000 kV特高壓交流投運對四川電網 多送出直流輸電系統的影響,結果均表明:特高壓 投運能有效提高四川電網 3條直流系統的送端交流 系統強度,增強直流故障時系統的功角和電壓穩定 性,減小各個送端換流站之間的交互作用,提高系 統小干擾穩定性,提高系統短路電流水平和降低暫 態過電壓水平。參考文獻1劉振亞 . 特高壓電網 M. 北京:中國經濟出版社, 2005.LIU Zhen-ya. Ultra high voltage gridM. Beijing:China Economy Press, 2005.2李興源 . 高壓直流輸電系統的運行和控制 M. 北京:科學出版社, 1998.L

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33、workC. /Transmission and Distribution Conference & Exhibition:Asia and Pacific, 2005 IEEE/PES, Dalian , China , 2005.5洪潮,饒宏 . 多饋入直流系統的量化分析指標及其應 用 J. 南方電網技術, 2008, 2 (4:37-41.HONG Chao, RAO Hong. The index parameters for analyzing multi-infeed HVDC systems and their applicationsJ. Southern Power

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38、-06； 修回日期：2010-06-04 作者簡介： 陳 虎（1986-） ，男，碩士研究生，主要研究方向為交 直 流 電 力 系 統 的 交 互 影 響 及 其 穩 定 與 控 制 ； E-mail ： ch_scu 張英敏（1974-） ，女，副教授，碩士生導師，主要研究 方向為高壓直流輸電、電力系統穩定與控制； 賀 洋（1984-） ，男，碩士，研究方向為電力系統穩定 與控制。 8 林偉芳，湯涌，卜廣全. 多饋入交直流系統短路比的 定義和應用J. 中國電機工程學報，2008，28（31）： 18. LIN Wei-fang， TANG Yong， Guang-quan. Definiti

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