交直流混合电网电压特性在系统故障后的分析

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：交直流混合电网的电压稳定性尤为重要，同时也是交直流电网运行最为关注的问题，这是由直流换流器的工作方式决定的。因此，还需要注意当直流系统发生故障时，交直流系统间的相互影响和交流系统暂态电压升高问题。若采取故障后切除过剩电容器控制，有利于缓解暂态电压冲击和电压恢复。

交直流混合电网的电压稳定性尤为重要，同时也是交直流电网运行最为关注的问题，这是由直流换流器的工作方式决定的。换流器在交直流变换过程需要消耗大量的无功功率，需要配置交流滤波器提供无功功率，并维持在各种运行方式下交流电压在设定范围内。

一般正常运行情况下，换流站吸取的无功功率与换流站和交流系统之间交换的有功功率成正比。在额定工况时，换流装置所需的无功功率为直流功率的40%～60%。换流站运行过程中消耗的无功功率不能依靠所接交流系统提供，也不允许换流站与交流系统之间有太大的无功功率交换。原因是要尽量减少交直流系统间的无功交互，避免电压波动进而减少换相失败的概率，同时也要考虑无功损耗等问题[9、10]。

因此，根据换流站的无功功率特性在换流站交流侧母线处配置合理的无功补偿设备，是保证高压直流输电系统安全稳定运行的重要条件之一。目前对于高压直流输电换流站的无功功率特性要求没有统一的标准，为满足换流器无功功率的需求，并保证换流站交流母线的电压稳定在允许的范围之内是其最基本的要求。

交直流混合电网的电压稳定性，指的是系统正常运行情况下或遭受干扰后电力系统维持所有母线电压，尤其是直流输电线正极电压和换流站母线电压是否在可以接受的稳态值的能力。运行中的电力系统在遭受干扰后的几秒或几分钟内，如果系统中一些母线电压出现了大幅度、持续性的降低，使得直流系统发生换相失败，系统发生大规模功率损失事件，这种情况称为交直流混合电网电压不稳定。在交直流混合电网中，当系统无功功率供应不足时，应采取切机、切负荷等措施，避免事故进一步升级扩大，累及整个电网，发展成为电压崩溃事件[11]。

当直流输电系统发生直流闭锁故障，平时靠逆变站补偿电容器无功补偿方式所产生的无功功率一时间无法满足逆变站对无功功率的需求，必须由受端交流系统提供这部分无功缺额，将造成对直流输电的受端交流系统无功功率瞬时冲击，如果无功补偿不能及时切除，交流电压升高，严重时，这种瞬时无功冲击有可能引发交流电网的电压稳定问题、电源或负荷脱网问题等。因此，还需要注意当直流系统发生故障时，交直流系统间的相互影响和交流系统暂态电压升高问题。

1.故障过程中的电容投切策略

故障过程中进行电容投切的仿真结果如图6.4所示。从图6.4中可以看到，若不采取任何措施，换流站交流母线暂态电压最高超过1.3 p.u.，恢复稳态后的电压超过1.2 p.u.，其他母线暂态电压超过1.1 p.u.，恢复稳态后的电压超过1.05 p.u.，系统无法正常运行。若采取故障后切除过剩电容器控制，有利于缓解暂态电压冲击和电压恢复。按两种策略考虑：

（1）故障后0.5 s，一次性切除所有电容器和滤波器组；

（2）故障后每隔0.5 s切除一组电容器或滤波器。

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图6.4　某电网直流双极闭锁，不同电容投切策略下换流站交流母线暂态电压

若不采取电容投切措施，电网直流双极闭锁后，对电压冲击很大，系统暂态电压过高，无法正常运行。一次性投切电容和分组逐步投切电容，二者在系统恢复到稳态后电压基本保持一致，逐步投切条件下，电压暂态恢复相对慢一些，暂态电压超标的时段更长。从以上分析可以看到，为了抑制电网发生直流闭锁故障后的电压超标问题，迅速切除换流站电容器组和滤波器组是有效措施之一。

2.直流输送容量与故障后电压特性

直流输送容量与闭锁故障后的电压暂态特性密切相关：若直流输送容量大，闭锁后，系统失去电压较多，无功不平衡功率差额也较大，对电网电压的冲击和影响就更大。

不同输送容量下，电网直流双极闭锁，换流站交流侧母线电压暂态过程如图6.5所示。计算条件为某交直流混合电网，电网冬季大负荷。电网直流输送容量分别为10 000 MW、8 000 MW、6 000 MW。

从图6.5可以看到，随着电网直流输送容量的增加，在直流双极闭锁后，对电网电压冲击也逐渐增加，系统暂态电压随着电网直流传输容量的增加而不断增加。三者的主要区别在于初始暂态过电压不同，电压恢复过程中的暂态电压不同，而稳态恢复电压基本相近。从以上分析可以看到，为了抑制高压电网发生直流闭锁故障后的电压超标问题，在某些运行方式下，限制电网直流输送容量也是有效措施之一。

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图6.5　电网直流双极闭锁，不同直流输送容量下，换流站交流母线暂态电压

3.系统负荷规模与故障后电压特性

电网的规模与直流系统闭锁故障后的电压暂态特性密切相关，特别是系统的负荷水平。若系统负荷处于较大水平，系统中发电容量也相对大，系统的惯量和调节能力都相对强，抵御直流闭锁后的电压冲击能力就强；反之，若系统负荷处于较低水平，系统中发电容量也相对小，系统的惯量和调节能力都相对弱，抵御直流闭锁后的电压冲击能力就弱。

系统不同负荷水平下，某交直流混合电网直流双极闭锁，母线电压暂态过程如图6.6～图6.8所示。

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图6.6　电网直流双极闭锁，冬季大负荷下，高压母线暂态电压曲线

计算条件为：

（1）电网直流送电10 000 MW，电网冬季大负荷；

（2）电网直流送电10 000 MW，电网冬季腰荷；

（3）电网直流送电10 000 MW，电网冬季小负荷。

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图6.7　电网直流双极闭锁，冬腰负荷下，高压母线暂态电压曲线

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图6.8　网直流双极闭锁，冬季小负荷下，高压母线暂态电压曲线

随着系统负荷水平的增加，电网直流双极闭锁后，电网抵御电压冲击的能力也逐渐加强，系统暂态电压随着系统负荷水平的增加而不断减小。三者的主要区别在于初始暂态过电压不同，电压恢复过程中的暂态电压不同，而稳态恢复电压基本相近。从以上分析可以看到，为了抑制电网特高压电网发生直流闭锁故障后的电压超标问题，需要考虑最恶劣的运行方式，特别是小负荷运行方式。

对直流系统的故障特性进行小结：

（1）电网直流双极闭锁后，对电网电压冲击很大，系统暂态电压过高。一次性投切电容和分组逐步投切电容，二者在系统恢复到稳态后电压基本保持一致，逐步投切条件下，电压暂态恢复相对慢一些，暂态电压超标的时段更长。

（2）系统暂态电压随着电网直流传输容量的增加而不断增加。主要区别在于初始暂态过电压不同，电压恢复过程中的暂态电压不同，而稳态恢复电压基本相近。为了抑制发生直流闭锁故障后的电压超标问题，在某些运行方式下，需要限制电网直流输送容量。

（3）系统暂态电压随着系统负荷水平的增加而不断减少，为了抑制电网发生直流闭锁故障后的电压超标问题，需要考虑最恶劣的运行方式，特别是小负荷运行方式。

交直流混合电网电压特性在系统故障后的分析

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