杨欢欢;蔡泽祥;朱林;冯雷;金小明;周保荣;张东辉
【摘 要】对交流系统大扰动后的直流系统无功动态特性进行了深入的分析,提出了直流系统无功源-荷转换的新观点.从动态无功平衡的角度分析了直流系统无功源-荷转换对受端电网暂态电压稳定的影响机理和途径,并提出了定量刻画临界暂态电压稳定时直流系统无功动态特性的解析方法.在此基础上,综合考虑直流系统无功源-荷转换特性、无功网络传递特性和直流落点电压支撑强度,构建了一种用于评估直流系统对受端电网暂态电压稳定影响的解析指标.与临界切除时间变化量指标所得结果相比,南方电网的相关仿真结果验证了所提指标的有效性和实用性.%The dynamic characteristics of HVDC reactive power after large disturbances in AC system are thoroughly analyzed,and a new viewpoint of reactive power source-load transformation of HVDC is proposed.In the view of dynamic reactive power balance,the influence mechanism and approaches of HVDC reactive power source-load transformation on transient voltage stability of receiving-end power grid are analyzed,and an analytical method to quantitatively depict the dynamic characteristics of reactive power for HVDC in c
ondition of stable critical transient voltage is proposed.On this basis,an analytic index to evaluate the influence of HVDC on transient voltage stability of receiving-end power grids is proposed,comprehensively considering the HVDC reactive power source-load transformation characteristics,transmission characteristics of reactive power network and voltage support strength of DC-link location.Compared with the results of critical clearing time index,simulative results of China Southern Power Grid verify the effectiveness and practicability of the proposed index.
【期刊名称】《电力自动化设备》
【年(卷),期】2017(037)010
【总页数】7页(P86-92)
【关键词】直流输电;无功源-荷转换;动态特性;暂态电压稳定;评价指标
【作 者】杨欢欢;蔡泽祥;朱林;冯雷;金小明;周保荣;张东辉
【作者单位】互联互通软件华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640;南方电网科学研究院,广东广州510080;南方电网科学研究院,广东广州510080;南方电网科学研究院,广东广州510080
【正文语种】中 文刺辊
【中图分类】TM73;TM721.1
0 引言
直流输电系统在大规模远距离输电中的广泛应用使得其在系统中所占的比例越来越高，受端电网中的直流落点也越来越密集，交流系统发生故障可能导致多回直流系统同时换相失败，从而使有功和无功功率产生较大的扰动，恶化受端电网的暂态电压稳定，威胁交直流系统的安全稳定运行［1-2］。
引起暂态电压不稳定的根本原因是电力系统的无功电源和无功负荷的动态失衡［3］，受端电网电压支撑强度、电动机负荷、直流系统、网络结构是暂态电压稳定的主要影响因素。
交流系统发生故障后，直流换流器从受端电网吸收大量无功是直流系统影响暂态电压稳定的主要原因［4-6］。文献［7-9］分析了直流控制与直流系统无功动态特性的关系，并从优化直流控制的角度，降低大扰动后的直流系统无功，从而减小直流系统对受端电网暂态电压稳定的影响，但对直流系统对受端电网暂态电压稳定的影响机理认识不足。文献［10-11］通过衡量交流系统对直流系统的电压支撑强度，提出了短路比（SCR）、多馈入短路比（MISCR）等指标，用于分析直流系统对受端电网暂态电压稳定的影响，认为SCR或MISCR越大，直流系统对受端电网暂态电压稳定的影响越小。但SCR系列指标仅体现了交流系统对直流系统的电压支撑强度［12］，用其来评价直流系统对受端电网暂态电压稳定的影响存在固有的缺陷。临界切除时间能准确地评价直流系统对受端电网暂态电压稳定的影响［13-14］，但其严重依赖于数值仿真，难以建立完备的分析方法和评价体系。因此，亟需研究直流系统对受端电网暂态电压稳定影响的评估方法及指标以指导直流系统的规划和运行。
本文在对大扰动后直流系统无功动态特性进行深入研究的基础上，提出了直流系统受扰后无功源-荷转换的新观点。结合暂态电压失稳的物理本质，揭示了直流系统无功源-荷转换特性对受端电网暂态电压稳定的影响机理和途径，并根据临界暂态电压稳定时直流系统无
功的变化规律，提出了一种直流系统无功动态特性的定量刻画方法。在此基础上，构建了综合考虑直流系统无功动态特性、无功网络传递特性和直流落点电压支撑强度的评价直流系统对受端电网暂态电压稳定影响的指标。以南方电网为背景，利用所提指标评估了不同直流输电系统对受端电网暂态电压稳定的影响，相关结果与采用临界切除时间变化量指标所得到的结果具有一致性，从而验证了所提指标的有效性和实用性。
1 大扰动下直流系统无功动态特性分析
以换流母线为界，交直流系统分为交流系统部分和直流系统部分，如图1所示。图中，Uac为换流母线电压；Ud和Id分别为直流电压和电流；Pd为直流系统有功功率；Qd为换流器（包括换流变）消耗的无功功率，简称换流器无功；Qc为滤波器的无功功率，简称补偿无功，B为其等效电纳；Qa为直流系统从交流系统吸收的无功功率，简称直流系统无功。
图1 交直流系统示意图Fig.1 Schematic diagram of AC/DC system
muhdpe合金管Qa可由式（1）表示。
其中，k为换流变变比；N为每极桥数；Xc为等效换相电抗；φ为功率因数角；γ为熄弧角；
α为触发角。
稳态运行时，直流系统从交流系统吸收的无功基本为0。当交流系统遭受较大扰动而导致换流母线电压变化时，在毫秒级的时间框架内，直流电压、直流电流和熄弧角都将随之变化，从而导致换流器无功随之变化。而秒级时间框架内的机械投切并联补偿装置动作时间相对较长（直流系统无功越限后5 s投入或10 s退出），补偿无功无法实时跟踪换流器无功，从而导致逆变站的无功就地平衡状态被破坏，直流系统多余或缺少的无功将由与之相连的交流系统吸收或提供。
图2为云广特高压直流输电系统受端电网发生三相金属性对称故障且导致换流母线电压跌至0.6 p.u.时，熄弧角、直流电流、换流器无功、补偿无功以及直流系统无功的变化曲线。
工业废渣制砖图2 直流系统无功动态特性Fig.2 Dynamic characteristic of HVDC reactive power
由图2可知，大扰动后的直流系统无功动态特性可划分为如下3个阶段。
a.故障期间，换流母线电压降低，补偿无功、直流系统无功均减小；由于直流系统换相失败，直流电流增大，直流系统无功随之有所增大；随着低压限流环节（VDCOL）的动作（
微波合成萃取仪
故障后 20 ms），直流电流迅速减小，直流系统无功也随之减小，但其仍大于补偿无功，因此直流系统将从交流系统吸收无功。
b.恢复初期，补偿无功随着换流母线电压的恢复而恢复，但直流电流由于VDCOL的延时作用（达到门槛电压后75 ms退出），恢复有所延迟，从而导致换流器无功无法在故障切除后立即开始恢复，此时的补偿无功大于换流器无功，直流系统将向交流系统注入无功。
c.恢复后期，换流器无功随直流电流的恢复而逐渐增大，在换流器无功峰值附近，直流电压和电流基本恢复到额定值，但由于熄弧角超调，换流器无功持续大于补偿无功，直流系统在很长的一段时间需要从交流系统吸收大量的无功。
2 直流系统无功动态特性对暂态电压稳定的影响分析
2.1 暂态电压稳定和感应电动机稳定的一致性分析
感应电动机无功电压特性是交流电网暂态电压稳定最重要的影响因素。故障期间滑差越过不稳定平衡点的感应电动机在故障切除后将趋于堵转并吸收大量的无功，拖累附近的电压下降，并导致临近的其他感应电动机堵转，从而产生区域性的感应电动机无功需求激增量脚器
的效应，导致系统无功动态不平衡进一步恶化，系统电压进一步下降，最终演变成全网的暂态电压稳定问题。因此，暂态电压稳定常常也被称为负荷稳定［16］。
本文关注直流系统无功动态特性对直流落点受端超高压电网暂态电压稳定的影响。一方面，低压电网一台或几台小容量感应电动机的堵转并不意味着高压电网的暂态电压失稳；另一方面，当将低压母线的电动机等值到所关注电压等级（如500 kV）的高压母线时，等值感应电动机的无功电压特性实际上代表了该区域的低压感应电动机的集效应。此时，该等值感应电动机的失稳堵转就与相应500 kV母线的暂态电压失稳一致。实际上，目前关于大电网暂态电压稳定的数值仿真也做不到对全网低电压小容量感应电动机的全建模，而是采用考虑500 kV高压母线出线的综合负荷模型。因此，本文在评估直流系统对直流落点电网暂态电压稳定影响时，采用相应500 kV母线的等值感应电动机的稳定性来表征相应母线的暂态电压稳定性是合理的。
图3为云广直流逆变侧换流母线发生同一类型但不同故障持续时间的三相短路故障时，等值感应电动机负荷的滑差和500 kV母线电压的仿真曲线（滑差、电压为标幺值），不同的故障持续时间分别对应等值感应电动机和母线暂态电压的稳定、临界稳定、临界不稳定和不
稳定4种场景。由图3可以看出，4种场景下等值感应电动机的稳定性与相应母线的暂态电压稳定性是一致的。
图3 等值感应电动机负荷滑差和母线电压曲线Fig.3 Load slip and bus voltage curves of equivalent induction motor
2.2 直流接入后对暂态电压稳定的影响
由直流系统无功动态特性的分析结果知，对受端电网而言，大扰动后直流系统无功的性质在无功电源、无功负荷间不断变化，呈现无功源-荷转换特性，从而构成了影响受端电网暂态电压稳定的新因素。
图4为在分别考虑直流和不考虑直流的场景下，云广特高压直流输电系统受端电网发生三相短路且临界暂态电压稳定时电动机无功和直流系统无功的变化曲线。由图4可知，直流系统的接入使故障的临界切除时间减小，受端电网的暂态电压稳定性降低，即恶化了暂态电压稳定性。
图4 临界暂态电压稳定时电动机负荷和直流系统的无功Fig.4 Reactive power of induction
motor load and HVDC with stable critical transient voltage
由于不同阶段直流系统的无功性质不同，其对暂态电稳定的影响也不同：故障期间，直流系统从交流系统吸收无功，进一步降低了系统的电压水平，但此时电动机负荷的无功需求较小，直流系统对受端电网暂态电压稳定的影响较小；恢复初期，直流系统向交流系统输送无功，有利于系统的电压恢复，但该过程持续时间较短，直流系统对受端电网暂态电压稳定的影响也较小；恢复后期，直流系统从交流系统吸收大量的无功，正好与电动机增大的无功需求相叠加，恶化了受端电网的无功动态平衡，降低了受端电网的暂态电压稳定性。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议