云廣800kv特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

云廣800kv特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

0基于電磁暫態(tài)仿真的云南電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析南方電網(wǎng)規(guī)劃從2009年到2010年，采用800kv和寬的高壓直接將云南水資源輸送到廣東省。當(dāng)云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)建成之后,將形成遠(yuǎn)距離和大容量交、直流輸電并列運(yùn)行的電網(wǎng)格局,其規(guī)模和復(fù)雜程度在國(guó)內(nèi)外史無(wú)先例。因此,交流系統(tǒng)或特高壓直流系統(tǒng)故障時(shí)交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)之間的相互影響及對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定的影響,成為倍受關(guān)注的問(wèn)題。而直流輸電與交流輸電相比,其最大的特點(diǎn)是直流輸電擁有復(fù)雜而靈活的控制系統(tǒng),可以快速、精確的調(diào)節(jié)電流、功率等,輸電特性主要由其控制系統(tǒng)決定。因此研究云廣±800kV特高壓直流輸電對(duì)云南電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響勢(shì)必要考慮直流輸電控制系統(tǒng)的作用。目前廣泛使用的中國(guó)電力科學(xué)研究院的BPA、PSASP和美國(guó)PTI公司的PSS/E等機(jī)電暫態(tài)仿真程序通常情況可以對(duì)直流雙極閉鎖這樣的嚴(yán)重故障進(jìn)行充分地計(jì)算和研究,但還存在一定的局限:由于在一系列假設(shè)條件下將直流系統(tǒng)作了簡(jiǎn)化與線性化,受其采用的直流模型限制,當(dāng)需要考慮交流不對(duì)稱(chēng)故障對(duì)高壓直流換相過(guò)程的影響及與直流控制系統(tǒng)性能密切相關(guān)的交流擾動(dòng)后直流系統(tǒng)恢復(fù)等問(wèn)題時(shí),機(jī)電暫態(tài)仿真就不能給出足夠準(zhǔn)確的結(jié)果,因其不能描述換流閥的開(kāi)通與關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程,不能真正反映直流輸電控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程,不能確定什么故障可以造成直流閉鎖,什么情況可以引起換相失敗。因此,在研究交直流的相互作用問(wèn)題時(shí),需要考慮直流換流器的詳細(xì)模型,采用更精確的電磁暫態(tài)仿真模型是十分必要的。本文在電磁暫態(tài)仿真軟件EMTDC中對(duì)±800kV云廣直流雙極運(yùn)行下,整流側(cè)分別采用定電流和定功率控制,交流系統(tǒng)整流側(cè)與逆變側(cè)故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響以及直流輸電線路故障時(shí),直流控制系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析。整流側(cè)與逆變側(cè)交流線路在不同位置發(fā)生不同類(lèi)型故障時(shí),計(jì)算了交流系統(tǒng)換流母線的電壓、電流響應(yīng),直流系統(tǒng)電壓、電流以及相關(guān)直流控制量的變化情況。1云光直磁狀態(tài)研究模型1.1云廣直流雙極電磁暫態(tài)模型云廣直流輸電工程西起云南楚雄州祿豐縣,東至廣東增城東部,電壓等級(jí)為±800kV,輸電線路長(zhǎng)度約1438km,輸電功率為5GW,額定電流3125kA,2009-06建成±400kV或單極,2010年建成±800kV。送端楚雄換流站通過(guò)2回500kV交流線路與云南主網(wǎng)500kV廠口變電站相連,小灣水電站和金橋水電站分別通過(guò)2回和2回500kV線路向楚雄站送電;受端換流站分別以2回500kV交流出線接入增城、橫瀝和水鄉(xiāng)變電站。根據(jù)典型的直流輸電模型,建立了如圖1所示的云廣直流雙極電磁暫態(tài)模型。其包含的設(shè)備有:換流變壓器、12脈換流器、交流側(cè)濾波器、直流濾波器、平波電抗器、分布參數(shù)的直流輸電線路等一次設(shè)備以及整流與逆變側(cè)的二次直流系統(tǒng)的額定電壓為800kV,每極直流線路的額定功率為2.5GW。1.2低壓限流控制方式轉(zhuǎn)化整流側(cè)采用定電流控制和最小觸發(fā)角αmin限制兩部分組成,逆變側(cè)采用定關(guān)斷角γ、定電流控制。正常情況下,整流側(cè)通過(guò)快速調(diào)節(jié)觸發(fā)角控制直流電流,逆變側(cè)通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角控制直流電壓。逆變側(cè)也配備電流控制,以便當(dāng)直流電壓由整流側(cè)決定時(shí),保持穩(wěn)定的直流輸送功率。當(dāng)整流側(cè)交流母線電壓下降到一定程度時(shí),轉(zhuǎn)為定最小觸發(fā)角運(yùn)行,逆變側(cè)采用定電流調(diào)節(jié)。當(dāng)逆變側(cè)交流母線電壓下降到一定程度時(shí),為防止換相失敗,逆變側(cè)采用定最小關(guān)斷角γmin=5°調(diào)節(jié),而整流側(cè)仍采用定電流調(diào)節(jié)。當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí),為防止連續(xù)換相失敗,逆變側(cè)迅速轉(zhuǎn)為低壓限流控制方式,同時(shí)整流側(cè)也相應(yīng)地轉(zhuǎn)為低壓限流控制方式。整流側(cè)定電流控制采用PI控制模式,比例增益為1.0989,積分時(shí)間常數(shù)為0.01092s。逆變側(cè)定電流控制比例增益為0.63,積分時(shí)間常數(shù)為0.01524s。定關(guān)斷角控制比例增益為0.7506,積分時(shí)間常數(shù)為0.0544s。低壓限流環(huán)節(jié)(VDCOL)特性參數(shù)如圖2所示。圖中,Idc,pu、Udc,pu分別為一極直流電流、電壓的標(biāo)么值(Idc,pu的基準(zhǔn)電流值為3125kA,Udc,pu的基準(zhǔn)電壓值為800kV)。當(dāng)0.4<Udc,pu<0.9時(shí),Idc,pu與Udc,pu呈0.9倍比例關(guān)系。2不同控制模式下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)2.1采用定電流控制2.1.1定電流調(diào)節(jié)器+狀態(tài)道壓有效值pu整流側(cè)交流母線0.8s發(fā)生三相短路故障,0.9s將故障清除,各電氣量的變化情況如圖3所示,圖中,UR,pu、UI,pu分別為整流側(cè)、逆變側(cè)交流母線電壓有效值的標(biāo)么值(UR,pu、UI,pu的基準(zhǔn)電壓值為525kV);αR為整流側(cè)觸發(fā)角;Pdc,pu為一極直流功率的標(biāo)么值(Pdc,pu的基準(zhǔn)功率值為2500MVA)。故障期間,整流側(cè)交流電壓完全消失,定電流調(diào)節(jié)器減小觸發(fā)角,以期增大直流電流,觸發(fā)角受到最小觸發(fā)角限制,保持在5°。直流電壓和功率將降為0,直流送電暫時(shí)中斷,大約在故障清除后0.3s逐漸恢復(fù)到故障前的水平。2.1.2逆變側(cè)交流單元單相干擾1逆變側(cè)短路后換流母線電壓下降逆變側(cè)交流母線0.8s發(fā)生單相金屬性接地故障,0.9s故障清除,系統(tǒng)相關(guān)電氣量變化情況如圖4所示,圖中,PI,pu、QI,pu分別為逆變側(cè)有功、無(wú)功功率標(biāo)么值(PI,pu、QI,pu的基準(zhǔn)功率值為2500MVA)。逆變側(cè)發(fā)生短路后,換流母線電壓下降,直流電流標(biāo)么值上升至1.5,換相角增大,關(guān)斷角r的大小可用下列公式計(jì)算:γ=arccos(2√IdXckUL+cosβ);(1)β=π?α。(2)γ=arccos(2ΙdXckUL+cosβ);(1)β=π-α。(2)式中,UL為換流母線電壓;Id為直流電流;Xc為換相電抗;k為換流變壓器變比;β為逆變器觸發(fā)超前角;α為逆變器觸發(fā)角。隨著直流電流的增大和換相電壓的下降,關(guān)斷角減小到0,當(dāng)γ<γmin=5°時(shí),判定為逆變側(cè)發(fā)生換相失敗,直流功率輸送暫時(shí)中斷。故障發(fā)生后,直流控制系統(tǒng)緊急移相,使整流側(cè)的觸發(fā)角迅速跨越90°以抑制過(guò)大的短路電流,直流電流隨之下降,無(wú)功消耗增大。2逆變側(cè)交流線路氣量變化逆變側(cè)交流母線0.8s發(fā)生單相金屬性接地故障,0.9s故障清除,系統(tǒng)相關(guān)電氣量變化情況如圖5所示。逆變側(cè)交流母線單相經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障后,逆變側(cè)交流母線電壓不對(duì)稱(chēng)程度減弱,換相電壓過(guò)零點(diǎn)偏移不嚴(yán)重,逆變側(cè)未發(fā)生換相失敗,直流線路上仍有功率輸送,只比正常穩(wěn)態(tài)值略有降低。較之金屬性接地,逆變側(cè)消耗的無(wú)功功率也較小。2.1.3逆變側(cè)交流線路逆變側(cè)交流母線0.8s發(fā)生兩相相間金屬性短路,0.9s故障清除,系統(tǒng)相關(guān)電氣量變化情況如圖6所示,圖中,Ua,pu、Ub,pu、Uc,pu為逆變側(cè)交流母線三相電壓標(biāo)么值(其基準(zhǔn)電壓值為300kV)。故障后,逆變側(cè)三相交流電壓不平衡嚴(yán)重,換相電壓過(guò)零點(diǎn)嚴(yán)重偏移,換相電壓有效值下降,直流電流標(biāo)么值增大到1.6,過(guò)大的直流電流使逆變側(cè)換相角增大,相應(yīng)的關(guān)斷角γ下降到0,發(fā)生換相失敗,直流電壓和直流輸送功率下降為零。整流側(cè)觸發(fā)角增大以降低直流電流,使整流站在故障期間從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功。故障清除后0.2s系統(tǒng)能恢復(fù)到正常穩(wěn)態(tài)值。2.2采用定功率控制用于預(yù)處理2.2.1交流線路換相失敗當(dāng)整流側(cè)交流母線0.8s發(fā)生三相短路故障,持續(xù)時(shí)間0.1s,各電氣量的變化情況如圖7所示。故障期間,整流側(cè)交流母線三相電壓下降為0,而逆變側(cè)交流母線電壓三相對(duì)稱(chēng),故障期間雙極直流線路沒(méi)有發(fā)生換相失敗,但雙極直流線路功率將降為零。故障清除后系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中,雙極直流電流突增導(dǎo)致發(fā)生短時(shí)換相失敗,大約在故障清除后0.3s才能逐漸恢復(fù)到故障前的水平。2.2.2逆變站交流線路故障當(dāng)逆變側(cè)交流母線0.8s發(fā)生單相金屬性接地故障,持續(xù)時(shí)間0.1s后清除,系統(tǒng)相關(guān)電氣量變化情況如圖8所示。由于逆變側(cè)交流母線故障后,逆變站交流母線電壓嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng),導(dǎo)致雙極直流線路發(fā)生換相失敗。對(duì)比定電流控制方式下逆變側(cè)交流母線單相金屬性短路時(shí)的仿真波形發(fā)現(xiàn),在定功率控制方式下,雙極直流線路仍能傳輸一定的直流功率,但故障清除后系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng),故障清除0.4s后才能逐漸恢復(fù)到正常穩(wěn)態(tài)值。3定電流控制方式比選本文利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件構(gòu)建了±800kV云廣直流輸電雙極電磁暫態(tài)仿真模型,并對(duì)整流側(cè)采用定電流控制和定功率控制方式下,交直流系統(tǒng)不同故障類(lèi)型、不同位置、不同過(guò)渡電阻時(shí)交流和直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明:a)在整流側(cè)采用定電流控制方式時(shí),當(dāng)整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不同類(lèi)型的短路故障時(shí),直流輸送功率會(huì)有不同程度的降低,但直流仍維持運(yùn)行,不會(huì)發(fā)生換相失敗。故障清除后直流迅速恢復(fù)正常運(yùn)行。b)在整流側(cè)采用定電流控制方式時(shí),當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不同類(lèi)型的金屬性短路故障時(shí),故障時(shí)交流電壓下降比較嚴(yán)重,會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)換相失敗,