銀東直流逆變站換相失敗后對(duì)送端系統(tǒng)的影響及仿真分析

王華偉，李新年，雷霄，林少伯

(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

銀東直流逆變站換相失敗后對(duì)送端系統(tǒng)的影響及仿真分析

王華偉，李新年，雷霄，林少伯

(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

高壓直流輸電系統(tǒng)受端換相失敗時(shí)，整流側(cè)換流器短時(shí)間內(nèi)會(huì)從送端交流系統(tǒng)吸收大量無功功率，在送端交流系統(tǒng)較弱或其他不利條件下可能產(chǎn)生電壓不穩(wěn)定或保護(hù)誤動(dòng)作等問題。以銀東直流工程為例，分析了受端換相失敗后直流系統(tǒng)的響應(yīng)特性，研究了直流逆變站換相失敗導(dǎo)致的送、受端交流系統(tǒng)故障耦合機(jī)理，并通過仿真給出了弱送端系統(tǒng)條件下的電壓波動(dòng)情況，結(jié)論對(duì)直流工程建設(shè)調(diào)試和交流電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

高壓直流輸電；送端系統(tǒng)；換流器；換相失敗

0 引 言

直流輸電系統(tǒng)具有輸送容量大、快速可控、有效限制短路電流等特點(diǎn)，因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]，但其在向交流系統(tǒng)提供電力的同時(shí)，也帶來交直流相互作用、相互影響的問題[2]，其中，直流換相失敗導(dǎo)致的問題較多，嚴(yán)重時(shí)甚至危及交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要引起更多的重視和研究[3-10]。

換相失敗作為直流系統(tǒng)運(yùn)行中常見的故障現(xiàn)象，其對(duì)交流系統(tǒng)的影響主要是發(fā)生故障后有功功率缺額和消耗無功功率的變化對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊。已有文獻(xiàn)對(duì)換相失敗對(duì)受端系統(tǒng)特別是多饋入受端系統(tǒng)的影響研究較多[11-18]，但是近幾年在工程運(yùn)行中逐漸發(fā)現(xiàn)，直流系統(tǒng)在運(yùn)行中并不能完全隔離兩端的交流系統(tǒng)，在直流容量或饋入比逐漸提高后，換相失敗等問題不僅對(duì)受端系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響較大，也會(huì)通過直流系統(tǒng)影響到送端系統(tǒng)的運(yùn)行，在送出交流系統(tǒng)較弱或其他不利條件下可能產(chǎn)生電壓不穩(wěn)定或保護(hù)誤動(dòng)作等問題。

銀川東—膠東±660 kV直流輸電示范工程是繼±500 kV直流輸電工程后輸送容量首次達(dá)到4 000 MW，換流站配置的無功補(bǔ)償設(shè)備容量達(dá)1 950 Mvar，在運(yùn)行初期寧夏電網(wǎng)相對(duì)薄弱的情況下，出現(xiàn)了因受端換相失敗引起的送端電壓較大波動(dòng)，首次表現(xiàn)出了因直流受端故障導(dǎo)致的送受端耦合的現(xiàn)象和特征。本文將分析換相失敗時(shí)整流器的響應(yīng)過程和無功功率變化，揭示直流系統(tǒng)送、受端故障耦合機(jī)理和因控制作用導(dǎo)致的發(fā)展過程，并仿真研究對(duì)送端系統(tǒng)的影響，為實(shí)際工程調(diào)度運(yùn)行提供指導(dǎo)建議。

1 銀東直流工程概況

銀東直流工程是我國±660 kV直流電壓等級(jí)序列的第一回直流工程，也是目前我國超高壓直流輸電的最高電壓工程，該工程是國家實(shí)施“西電東送”的重要輸電通道項(xiàng)目，將黃河上游水電和銀川東火電打捆直送山東，對(duì)于促進(jìn)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，滿足山東省用電需求有重要作用。

銀東直流工程線路長(zhǎng)度約為1 335 km，主回路結(jié)構(gòu)為單極單12脈動(dòng)換流器，平波電抗器分別布置于極線和中性母線，每端換流站都設(shè)置接地極。正送額定功率4 000 MW，方向?yàn)殂y川東站至膠東站，反送額定功率3 600 MW。銀川東換流站的直流額定運(yùn)行電壓為±660 kV，定義為平波電抗器出線側(cè)直流極母線與直流中性點(diǎn)的電壓；在功率反送3 600 MW時(shí)，膠東換流站的運(yùn)行電壓為±637.0 kV。直流系統(tǒng)額定參數(shù)見表1。

表1 功率正送直流系統(tǒng)額定參數(shù)Table 1 Rated parameters of DC system for positive direction transmission power

2 膠東站換相失敗對(duì)銀川東側(cè)的影響過程分析

2011年5月8日6:10，7:53，8:26膠東站分別發(fā)生了3次換相失敗，原因?yàn)榇笥陮?dǎo)致膠東站遠(yuǎn)端500 kV分別發(fā)生了線路、母線和變壓器故障，引起膠東站換流母線交流電壓畸變或下降。發(fā)生故障時(shí)直流運(yùn)行方式為雙極大地回線正常運(yùn)行，輸送功率為4 000 MW。由于直流發(fā)生換相失敗及故障后恢復(fù)過程基本相同，下面以7:53交流故障為例進(jìn)行分析。

圖1、2分別給出了膠東站遠(yuǎn)端500 kV交流故障時(shí)銀東直流系統(tǒng)故障錄波?？梢钥闯觯涣鞴收掀陂g膠東站換流母線電壓跌落并畸變，逆變器發(fā)生換相失敗，直流電流迅速上升，銀川東站迅速增大觸發(fā)角以抑制直流電流增加，整個(gè)過程中銀川東站直流電壓最低至-193 kV，直流電流最大升至6 548 A，觸發(fā)角最大到87.6°，此時(shí)銀川東換流器消耗無功功率也大幅增加，換流變壓器進(jìn)線無功功率由2 135 Mvar短時(shí)上升至5 664 Mvar，從而導(dǎo)致銀川東換流站換流母線電壓下降，持續(xù)時(shí)間約70 ms，最低降至0.82 pu。

膠東站換相失敗結(jié)束后，觸發(fā)角逐漸減小以使直流系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)銀川東站換流器消耗無功功率較小，但交流濾波器(額定功率下共13組)仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)，向交流系統(tǒng)送出大量無功功率，導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓上升，最高升至1.17 pu。交流故障清除后，直流系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，從故障清除到直流功率恢復(fù)到故障前90%的時(shí)間約為150 ms。

圖1 膠東站換相失敗時(shí)銀川東站直流系統(tǒng)波形Fig.1 Waveforms of Yinchuandong converter station during Jiaodong converter station having commutation failure

3 仿真研究

為深入分析膠東站發(fā)生換相失敗時(shí)銀川東站換流變壓器進(jìn)線無功功率的變化和換流母線電壓的跌落情況，了解和掌握直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗對(duì)銀川東站的影響，在冬小方式和弱系統(tǒng)運(yùn)行方式下進(jìn)行了膠東站出線單相、三相故障及三相故障單相開關(guān)拒動(dòng)時(shí)的仿真。

3.1 換相失敗故障仿真再現(xiàn)

圖2 膠東站換相失敗時(shí)膠東站直流系統(tǒng)波形Fig.2 Waveforms of Jiaodong converter station with commutation failure

根據(jù)寧夏省調(diào)提供的冬小方式數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱冬小方式)，對(duì)交流系統(tǒng)進(jìn)行等值后建立仿真模型，在膠東站500 kV遠(yuǎn)端線路模擬B相接地故障，圖3、4分別給出了銀川東站和膠東站的仿真波形。從仿真波形上看，膠東站發(fā)生交流故障后換流母線瞬時(shí)下降并發(fā)生畸變，引起直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，整流站直流電壓降至-192 kV，直流電流最大升至6 401 A，觸發(fā)角最大移至91.4°，換流變壓器進(jìn)線無功功率由2 052 Mvar短時(shí)上升至5 692 Mvar，增量為3 640 Mvar，引起銀川東換流站換流母線電壓下降，持續(xù)時(shí)間約70 ms，最低降至0.812 pu(268 kV)，仿真計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

3.2 冬小方式下的仿真

冬小方式下，在膠東站出口模擬B相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間100 ms?？紤]到不同時(shí)刻交流單相故障會(huì)導(dǎo)致直流發(fā)生換相失敗的情況有所不同，仿真中在一個(gè)周波內(nèi)每隔1 ms計(jì)算1次，表2給出了仿真結(jié)果。故障前穩(wěn)態(tài)值分別為QT1＝1 066 Mvar，QT2＝990 Mvar，Qexp＝11 Mvar，Uac＝353 kV，Id＝3 080 A，可以看出，直流電流受故障發(fā)生時(shí)刻影響較大，最小值為6 315 A，最大為7 033 A，其他參數(shù)在1個(gè)周波內(nèi)數(shù)值變化不大。故障過程中換流變壓器進(jìn)線無功功率最大升至5 734 Mvar，變化量為3 678 Mvar，與交流系統(tǒng)交換的無功功率最大升至4 414 Mvar，變化量為4 403 Mvar(短時(shí)需要寧夏電網(wǎng)提供4 403 Mvar無功功率)，換流母線電壓最低降至0.748 pu(247 kV)，直流電流最大升至7 033 A，變化量為3 953 A。從圖5的仿真波形上看，雖然換相失敗期間銀川東站換流變壓器進(jìn)線無功功率需求大幅上升，引起換流母線電壓下降較多，但是持續(xù)時(shí)間較短，一般不超過100 ms。在故障清除后，交直流系統(tǒng)均能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。與膠東站遠(yuǎn)端交流單相接地故障相比，膠東站出口發(fā)生交流接地故障后銀川東站換流變壓器進(jìn)線無功功率變化量略有增加，換流母線電壓下降幅度更大。

圖3 膠東站換相失敗銀川東側(cè)直流系統(tǒng)仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during Jiaodong converter station having commutation failure

膠東站出口三相接地故障試驗(yàn)仿真結(jié)果見表3，可以看出，故障過程中換流變壓器進(jìn)線無功功率最大升至5 705 Mvar，變化量為3 649 Mvar，與交流系統(tǒng)交換的無功功率最大升至4 413 Mvar，變化量為4 402 Mvar(短時(shí)需要寧夏電網(wǎng)提供4 402 Mvar無功功率)，換流母線電壓最低降至0.742 pu(245 kV)，直流電流最大升至6 971 A，變化量為3 891 A。與膠東站近端交流單相接地故障相比，換流變壓器進(jìn)線無功功率變化、與系統(tǒng)交換無功功率以及換流母線電壓變化都基本相同，原因是膠東站出口發(fā)生三相故障時(shí)，引起膠東站換流母線三相電壓均發(fā)生跌落，導(dǎo)致所有導(dǎo)通的換流閥均發(fā)生換相失敗，因此換相失敗受故障時(shí)刻影響不大。

3.3 弱系統(tǒng)運(yùn)行方式下的仿真計(jì)算

圖5 冬小方式下膠東站出口單相接地故障銀川東側(cè)仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during single-phase grounding fault at output side of Jiaodong converter station under winter small mode

考慮到寧夏電網(wǎng)運(yùn)行方式調(diào)整和交流線路停電檢修等原因，在仿真中模擬了送端交流系統(tǒng)強(qiáng)度減弱的情況(銀川東站換流母線短路電流為26 kA)，以下簡(jiǎn)稱弱系統(tǒng)運(yùn)行方式。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行膠東站出口單相接地故障仿真，故障過程中換流變壓器進(jìn)線無功功率最大升至5 284 Mvar，變化量為3 166 Mvar，與交流系統(tǒng)交換的無功功率最大升至4 153 Mvar，變化量為3 963 Mvar(需要寧夏電網(wǎng)短時(shí)提供3 963 Mvar無功功率)，換流母線電壓最低降至0.67 pu(221 kV)，直流電流最大升至6 759 A，變化量為3 741 A。從大量仿真波形上可以看出，雖然換相失敗期間銀川東站換流變壓器進(jìn)線無功功率需求大幅上升引起換流母線電壓的下降較多，但是持續(xù)時(shí)間較短，一般不超過100 ms。與冬小方式相比，換相失敗期間銀川東站換流變壓器進(jìn)線無功功率變化量減少500 Mvar，但由于銀川東交流系統(tǒng)強(qiáng)度減弱，其換流母線下降幅度更大。

此外膠東站出口的三相接地故障仿真計(jì)算結(jié)果表明，故障過程中換流變壓器進(jìn)線無功功率最大升至5 281 Mvar，變化量為3 163 Mvar，與交流系統(tǒng)交換的無功功率最大升至4 162 Mvar，變化量為3 972 Mvar (需要寧夏電網(wǎng)短時(shí)提供3 972 Mvar無功功率)，換流母線電壓最低降至0.658 pu(217 kV)，變化量為123 kV，直流電流最大升至6 587 A，變化量為3 569 A。從圖6給出的仿真波形上看，故障持續(xù)時(shí)間較短，一般不超過100 ms。在故障清除后，交直流系統(tǒng)均能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。與冬小運(yùn)行方式相比，換流器消耗的無功功率減小了約4 80 Mvar，但換流母線電壓下降得更多，最低至0.658 pu。

表2 膠東站出口單相接地故障時(shí)銀川東站仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Simulation result statistics of Yinchuandong converter station during single-phase grounding fault at output side of Jiaodong converter station

表3 膠東站出口三相接地故障時(shí)銀川東站仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Simulation result statistics of Yinchuandong converter station during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station

圖6 弱系統(tǒng)運(yùn)行方式下膠東站出口三相接地故障銀川東側(cè)仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with weak AC system

為掌握膠東站出線發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)的情況，進(jìn)行了膠東站出線三相故障單相開關(guān)拒動(dòng)仿真，故障時(shí)序?yàn)榻涣骶€路一端發(fā)生三相永久故障，100 ms后跳開故障線路故障側(cè)的B、C兩相和對(duì)側(cè)的三相斷路器，故障側(cè)的A相開關(guān)拒動(dòng)，故障后350 ms由失靈保護(hù)跳開拒動(dòng)相。圖7給出了仿真波形，從波形上看，在故障后100 ms內(nèi)與圖6發(fā)生三相故障時(shí)基本相同(在此期間換流母線電壓低于0.8 pu的時(shí)間為40 ms，最低降至0.67 pu)，在B、C相開關(guān)跳開后，直流電流逐漸上升，試圖恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)Y橋開始恢復(fù)換相(D橋仍在發(fā)生換相失敗)，如圖8所示。但由于A相故障仍存在，在直流上升過程中，Y橋再次發(fā)生換相失敗，直流電流最大上升至4 493 A，換流變壓器進(jìn)線無功功率最大升至4 917 Mvar，換流站與系統(tǒng)交換的無功功率最大為3 635 Mvar。此次換相失敗期間銀川東站換流變壓器進(jìn)線無功功率最大值比在三相故障初期發(fā)生換相失敗時(shí)的要小，換流母線電壓最低至0.80 pu(0.80×330 kV＝264 kV)。盡管在A相開關(guān)跳開前逆變器發(fā)生間歇性換相失敗，但在A相故障清除后，交直流系統(tǒng)均能快速恢復(fù)。

圖7 弱系統(tǒng)運(yùn)行方式下膠東站出線三相故障單相開關(guān)拒動(dòng)時(shí)銀川東側(cè)仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of Yinchuandong side during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with switch rejecting act in weak AC system

圖8 弱系統(tǒng)運(yùn)行方式下膠東站出線三相故障單相開關(guān)拒動(dòng)時(shí)膠東側(cè)仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of Jiaodong during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with switch rejecting act in weak AC system

4 結(jié) 論

(1)直流系統(tǒng)逆變站發(fā)生換相失敗時(shí)，直流電流迅速上升，整流站則迅速增大觸發(fā)角以抑制直流電流增加；由于直流電流和觸發(fā)角的增大引起送端換流站消耗的無功功率大幅增加，從而導(dǎo)致?lián)Q流站換流母線電壓降低，若換相失敗能夠正常恢復(fù)，送端站換流母線低電壓持續(xù)時(shí)間一般不超過100 ms。

(2)換相失敗恢復(fù)過程中，在控制器調(diào)節(jié)作用下觸發(fā)角逐漸減小，此時(shí)直流電流較小，送端換流器消耗無功功率較小，但大量交流濾波器仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致送端站換流母線電壓上升，出現(xiàn)由交流故障引起的直流送受端系統(tǒng)故障耦合現(xiàn)象。

(3)仿真表明，送端交流系統(tǒng)越弱，受端換相失敗引起的電壓下降幅度越大；銀東直流送端系統(tǒng)冬小方式下最低為0.74 pu，極弱系統(tǒng)條件下可達(dá)0.66 pu。

(4)受端單相交流故障引起直流系統(tǒng)換相失敗，直流電流過沖受故障發(fā)生時(shí)刻影響較大，銀東直流送端系統(tǒng)冬小方式下最小值為6 315 A，最大為7 033 A，受端發(fā)生三相故障時(shí)，由于所有導(dǎo)通的換流閥均發(fā)生換相失敗，因此引起的電流過沖、無功功率變化量等受故障時(shí)刻影響不大。

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(編輯：張小飛)

Influence of Commutation Failure on Transmitter System in Yindong DC Inverter Station and Its Simulation Analysis

WANG Huawei，LI Xinnian，LEI Xiao，LIN Shaobo
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

During receiver commutation failure of HVDC transmission system，more reactive power were absorbed in a short time by rectifier converters from transmitter system，and the voltage stability or protection misoperation might appear in weak transmitter system or other disadvantage conditions.Taking Yindong HVDC transmission project as example，this paper analyzed the response characteristics of DC system after receiver commutation failure，studied the fault coupling mechanism of transmitter system and receiver system caused by the commutation failure of inverter station，and presented the reasons and phenomenon of voltage fluctuation in condition of weak transmitter system through simulation.The conclusions have important guiding significance to the commissioning of DC transmission project and the dispatching operation of AC grid.

HVDC transmission system；transmitter system；converter；commutation failure

TM 743

A

1000-7229(2015)11-0115-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.018

2015-06-28

2015-08-10

王華偉(1971)男，碩士，高級(jí)工程師，從事直流輸電系統(tǒng)仿真和電磁暫態(tài)方面的研究工作；

李新年(1977)男，碩士，高級(jí)工程師，從事直流輸電系統(tǒng)仿真和電磁暫態(tài)方面的研究工作；

雷霄(1982)男，碩士，高級(jí)工程師，從事直流輸電系統(tǒng)仿真和控制保護(hù)建模方面的研究工作；

林少伯(1984)，男，博士，工程師，從事直流輸電系統(tǒng)仿真研究和工程系統(tǒng)調(diào)試方面的工作。