直流輸電線路雙極關閉故障暫態(tài)穩(wěn)定性分析

直流輸電線路雙極關閉故障暫態(tài)穩(wěn)定性分析

0直流輸電故障穩(wěn)定性分析南方電網由端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)組成。發(fā)端包括云南、貴州、廣西三省區(qū),受端則為經濟相對發(fā)達、用電需求量較高的廣東省以及港澳地區(qū)。兩部分之間通過聯(lián)絡線,從發(fā)端向受端輸送大量功率。由于直流輸電具有調節(jié)速度快、運行可靠、線路有功損耗小、相同的線路走廊輸送容量更大等優(yōu)點,適用于遠距離、大容量輸電以及大區(qū)交流電網的互聯(lián)。根據2015年南方電網的規(guī)劃,作為“西電東送”南線通道的落點,將有6條直流線路饋入廣東電網,形成多饋入的交直流混合電網。這6條直流線路分別是:天廣、三廣、貴廣1、貴廣2、云廣1和云廣2。在很短的電氣距離內共有6個直流換流變電站,這么多直流集中輸電在國際上也是很罕見的。預計到2015年,南方電網(含海南省、香港特別行政區(qū))發(fā)電總裝機容量將達127.2GW,其中廣東電網(含海南省、香港特別行政區(qū))總裝機容量約占47.9%,貴州電網總裝機容量約占21.5%,云南電網總裝機容量約占18.0%,廣西電網總裝機容量約占12.6%。而6條直流輸電的總送電容量也達到20.8GW。直流輸電對受端系統(tǒng)穩(wěn)定問題有3個特點:通道上的輸電功率比交流通道兩回輸電線同時故障的概率要大;非故障的直流一般具有恒功率特性;故障后的不平衡功率不能由其他正常運行的直流線路分擔,而是由交流輸電聯(lián)絡線分擔。技術分析說明,直流輸電故障是負荷中心暫態(tài)電壓不穩(wěn)定的重要起因。在直流雙極閉鎖故障下,有很多常用策略來提高電網的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性,例如直流功率提升、發(fā)電端切機等。本文提出一種保留故障直流換流站處電容器的方法,來提高故障下的暫態(tài)穩(wěn)定性。通過仿真分析,說明其可行性。1直流開關故障穩(wěn)定性本研究分別對饋入廣東電網的6條直流線路即天廣(1.8GW)、三廣(3GW)、貴廣1(3GW)、貴廣2(3GW)、云廣1(5GW)和云廣2(5GW)進行直流閉鎖故障仿真。電壓穩(wěn)定性的標準取為:電壓低于0.75(標幺值)的時間不超過1s。設定的直流雙極閉鎖故障是將直流線路從系統(tǒng)切除,連帶切除換流站補償電容器組。1.1直流線路輸送容量取負荷類型為:70%靜負荷、30%動負荷。仿真結果如表1所示?？梢?直流線路的輸送容量越大,直流閉鎖后的穩(wěn)定性越差。對于容量為5GW的云廣1、云廣2,在直流閉鎖故障下會發(fā)生暫態(tài)電壓不穩(wěn)定。1.2啟動時的旋轉由圖1可以看出,在故障下發(fā)端轉速提高進而失步。2受端電壓仿真結果根據電力系統(tǒng)理論,如圖2所示,在某一條直流線路發(fā)生雙極閉鎖后,瞬時大量的有功功率無法通過此直流線路輸送,系統(tǒng)潮流進行了重新分配。這一部分缺額功率由正常運行的交流聯(lián)絡線路承擔。交流聯(lián)絡線路上的輸送功率P將提高,線路注入受端電網的電流I也大為提高。由于Q=I2X,因此受端電網在故障下無功需求急劇增大。在原有的網絡條件下,缺乏交流落點處額外的無功補償,導致受端電壓最初下降,發(fā)端功率無法送出,發(fā)端發(fā)電機轉速提高甚至失步。下面的仿真結果也驗證了上述理論分析的結論。取貴廣1直流閉鎖故障,監(jiān)視貴州與廣東交流聯(lián)絡線上功率與電流以及受端母線電壓的變化如圖3、圖4所示。由圖3可以看到,貴廣1在故障后1s處,貴州與廣東交流聯(lián)絡線上的P,I均提高。驗證說明了交流聯(lián)絡線路承擔了故障直流線路的輸送容量。而且在3s時,受端電網電壓跌落到最低點(見圖4),交流聯(lián)絡線路上的電流同時也是最大值(見圖3),說明注入受端電網電流的升高,導致了電壓的下降,即交流聯(lián)絡線注入電流的升高是電壓降低的最初原因。一旦電壓開始降低,受端電網中電動機負荷的無功需求開始增加,同時,固定電容器提供的無功補償開始減小。在這種情況下,全網電壓進一步降低。因此,在直流閉鎖故障下,電網的主要穩(wěn)定問題是暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題。3在雙極封閉失敗下維護補償容量的對策3.1電容器組反滲透膜治療為了在直流雙極閉鎖的情況下提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性,使系統(tǒng)能夠正常運行,需要采取必要的措施。常用措施包括:發(fā)電端切機、提升正常運行直流線路的功率等。本文探索提出了一種新的措施:在直流閉鎖故障后,保留故障線路換流站交流母線處的補償電容器組。在這種措施下,當某條直流線路發(fā)生雙極閉鎖故障后,控制策略是保留故障線路換流站的電容器組,而不是將電容器組連同直流線路一起從系統(tǒng)中切斷。由于直流輸電線路起點、落點處的電容器組的容量一般來說相當于輸送有功功率的一半左右,對于云廣直流這樣大容量的線路來說,電容器組的容量在2500Mvar左右,如果在直流線路發(fā)生閉鎖故障后,能夠有效利用這部分寶貴的無功功率,則有可能提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。具體而言,希望此電容器組提供的巨額無功能夠滿足在直流線路故障后當輸送功率通過其他送電通道注入受端系統(tǒng)時所產生的大量無功需求。由于電容器組始終接在系統(tǒng)內,是在故障時即刻投入,同時由于是在主網架上補償的無功,各點間電氣距離很短,對于全網有很好的補償效果,這樣在閉鎖故障的初始就能有效支撐受端電壓,提高受端電網的電壓水平。但是,存在一種擔心,即當電容器組在故障時不切除是否會引起過電壓。下面的仿真結果回答了這種疑問,并且檢驗了上述分析。3.2雙極關閉故障后保留補償電容器組對故障點電壓的影響通過仿真可以得到保留無功補償電容器組對于提高母線電壓、減少切機容量所起的積極作用。分別陳述如下。如果在直流雙極閉鎖故障后切斷起點、落點的無功補償電容器,三廣、天廣、貴廣1、貴廣2的最低電壓(標幺值)分別為:0.915,0.885,0.750,0.660;如果在直流雙極閉鎖故障后保留起點、落點的無功補償電容器,三廣、天廣、貴廣1、貴廣2的最低電壓則分別為:0.92,0.92,0.860,0.700,最低電壓分別提高了0.5%,3.5%,11%和4%。如果在直流雙極閉鎖故障后切斷起點、落點的無功補償電容器,云廣1、云廣2使系統(tǒng)穩(wěn)定的切機容量分別為:4470MW,6670MW;如果在直流雙極閉鎖故障后保留起點、落點的無功補償電容器,云廣1、云廣2使系統(tǒng)穩(wěn)定的切機容量分別為:3880MW,4480MW,發(fā)電機切機容量分別減小890MW和2190MW。另外,各條線路故障后保留補償電容器組產生的最高過電壓如表2所示。除了故障處的電壓略有升高且很快回落以外,其余各點的電壓在故障后均未升高,未出現因保留補償電容器組而產生危險的過電壓的情況。保留故障線路換流站補償電容器組可以提高雙極閉鎖故障時系統(tǒng)的電壓,減小發(fā)電端的切機容量,同時又沒有造成過高的沖擊電壓。仿真顯示此策略可提高暫態(tài)穩(wěn)定水平。4直流線路故障穩(wěn)定性仿真1)直流雙極閉鎖故障所引起的功率缺失與潮流轉移是2015年南方電網安全穩(wěn)定運行面臨的重要問題,它既是一個典型的負荷側暫態(tài)穩(wěn)定問題,又是交直流并聯(lián)輸電的負荷中心的穩(wěn)定問題。2)分析并且用仿真驗證了在直流雙極閉鎖故障下引發(fā)的是暫態(tài)電壓不穩(wěn)定問題,其特點是負荷側電動機導致的電壓持續(xù)降低。3)提出一種在直流雙極閉鎖故障下提高電網暫態(tài)穩(wěn)定性的新措施。在保留無功補償電容器組的措施下,仿真表明:①保留直流故障處的無功補償,可以提高母線電壓,對于電網的穩(wěn)定性水平有積極的貢獻。不同直流線路故障,該策略可使最低電壓提高程度不同,最大可提高5%～10%。②仿真顯示,保留故障線路處的電容器組,可使故障處的母線電壓大為提高。同時,此策略沒有造成故障母線處的過電壓。③保留故障線路處