1. 研究背景

近年來隨著我國高壓直流輸電工程的大量建設(shè)，電能需求較大的負(fù)荷中心很可能有多個(gè)直流落點(diǎn)而形成“多直流饋入受端電網(wǎng)”。根據(jù)“十三˙五”規(guī)劃，2018年江蘇電網(wǎng)將形成一個(gè)多直流饋入受端電網(wǎng)。多直流饋入系統(tǒng)可以較好的解決電能的長距離傳輸和電力短缺問題，但多回直流與交流系統(tǒng)的混合大大增加了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，直流與直流、交流與直流之間的相互耦合作用很有可能造成連鎖故障，擴(kuò)大故障范圍，加重故障后果。

在有多個(gè)直流落點(diǎn)的交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，受端交流系統(tǒng)或直流系統(tǒng)發(fā)生故障可能導(dǎo)致多回直流連鎖換相失敗，使得直流電壓降低、電流增大、直流傳輸功率波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)造成一定沖擊。連鎖換相失敗還可能引發(fā)更為嚴(yán)重的直流閉鎖故障，出現(xiàn)直流功率中斷、潮流大范圍轉(zhuǎn)移，危及受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定性以及頻率穩(wěn)定性。所以有必要對(duì)實(shí)際多饋入系統(tǒng)進(jìn)行連鎖換相失敗分析，對(duì)系統(tǒng)采取預(yù)防和控制措施。

文中基于2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)的豐大運(yùn)行方式，采用中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的PSD-BPA機(jī)電暫態(tài)程序，針對(duì)受端交流系統(tǒng)直流逆變站附近主要500kV交流線路的三相永久性短路故障，考慮交流和直流、多直流之間的相互作用，研究了江蘇多直流饋入電網(wǎng)發(fā)生連鎖換相失敗的原因，分析了MIIF和VIF在使用中需要注意的問題，為江蘇電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行提供了相關(guān)參考。

2. 江蘇電網(wǎng)多直流饋入直流輸電系統(tǒng)連鎖 換相失敗仿真

多直流饋入直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗多為交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流逆變站換流母線電壓降低引起的，目前判斷換相失敗主要有最小電壓降落法與最小熄弧角法2種方法，文中采用最小電壓降落法。根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)逆變側(cè)換流母線電壓跌落至0.8p.u.以下且變化率超過0.3p.u./s或電壓低于0.6p.u.時(shí)則判斷該直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，當(dāng)故障后電壓恢復(fù)至0.75p.u.時(shí)則判斷恢復(fù)正常換相。

為分析受端交流系統(tǒng)故障引發(fā)直流系統(tǒng)同時(shí)或連續(xù)連鎖換相失敗的可能性，對(duì)受端各直流逆變站附近的重要500kV交流線路模擬最為嚴(yán)重的母線出口處三相永久性短路故障，故障設(shè)置于10周波，并于15周波時(shí)切除故障線路。根據(jù)2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，以泰州換流站附近交流線路泰州特—南京特于泰州特側(cè)發(fā)生故障為例，仿真計(jì)算結(jié)果如圖1所示，其中泰州換1、泰州換2分別表示泰州換流站500kV和1000kV換流母線。

 

圖1 受端交流線路故障后換流母線電壓

從仿真結(jié)果可見，當(dāng)泰州換流站附近交流線路泰州特—南京特在泰州特側(cè)發(fā)生三相永久性短路故障后政平換流站換流母線電壓仍維持在0.8p.u.以上，同里換流站和南京換流站換流母線電壓最低分別低至0.756p.u.和0.706p.u.，泰州換流站500kV和1000kV換流母線故障后電壓分別低至0.557p.u.和0。政平換流站不會(huì)發(fā)生連鎖換相失敗。同里換流站和南京換流站會(huì)發(fā)生連鎖的換相失敗，但交流故障切除后電壓水平可以快速恢復(fù)從而恢復(fù)正常換相，換相失敗持續(xù)時(shí)間小于100ms。泰州換流站會(huì)發(fā)生連鎖的連續(xù)換相失敗，故障持續(xù)時(shí)間100ms，在故障清除后可以快速恢復(fù)。

江蘇電網(wǎng)受端直流逆變站附近重要交流線路故障后的換流母線電壓仿真計(jì)算結(jié)果如表1-4所示，其中故障發(fā)生在線路首端的母線出口處。

表1 南京換流站附近交流線路故障后換流母線電壓

 

表2 同里換流站附近交流線路故障后換流母線電壓

 

根據(jù)表1-4的仿真結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)南京換流站附近交流線路南京換—三汊灣、南京換—安瀾、安瀾—南京、三汊灣—秋藤發(fā)生三相短路后均會(huì)導(dǎo)致南京換流站和鄰近的泰州換流站短暫的換相失敗。

(2)同里換流站附近交流線路同里換—木瀆、 同里換—吳江、同里換—車坊、木瀆—梅里、木瀆— 車坊、吳江—車坊發(fā)生三相短路故障后均會(huì)導(dǎo)致同里換流站和鄰近的政平換流站短暫的換相失敗。

(3)政平換流站附近交流線路政平換—宜興、 政平換—武南、武南—惠泉、宜興—岷珠發(fā)生三相短路故障后均會(huì)導(dǎo)致政平換流站和鄰近的同里換流站短暫的換相失敗。

(4)泰州換流站附近交流線路泰州換1—鳳城、泰州換1—雙草、泰州換1—旗杰、鳳城—仲洋、 雙草—大豐發(fā)生三相短路故障后會(huì)導(dǎo)致泰州換流站短暫的換相失敗，旗杰—沭陽發(fā)生三相短路故障后會(huì)導(dǎo)致泰州和南京換流站短暫的換相失敗，南京特—泰州特、蘇州特—泰州特、泰州換2—泰州特發(fā)生三相短路故障后會(huì)導(dǎo)致同里、南京和泰州換流站同時(shí)換相失敗。

表3 政平換流站附近交流線路故障后換流母線電壓

 

表4 泰州換流站附近交流線路故障后換流母線電壓

 

此外，與泰州特—南京特三相短路后相同，上述由交流系統(tǒng)故障引起的直流系統(tǒng)連鎖換相失敗在交流故障清除后均可以快速恢復(fù)正常換相，換相失敗持續(xù)時(shí)間不超過故障持續(xù)時(shí)間100ms。根據(jù)目前實(shí)際運(yùn)行中直流保護(hù)的配置，當(dāng)檢測(cè)到由外部交流故障引起的換相失敗時(shí)，保護(hù)延遲300ms動(dòng)作將直流閉鎖，防止持續(xù)的換相失敗對(duì)逆變器造成損傷，因此對(duì)于2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)，受端交流線路故障只會(huì)引起直流系統(tǒng)短暫的換相失敗，不會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的直流閉鎖。

3. 江蘇電網(wǎng)連鎖換相失敗原因分析

在含有直流落點(diǎn)的交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，直流換相失敗是較為常見的故障之一，對(duì)于只含有1個(gè)直流落點(diǎn)的單饋入直流系統(tǒng)，受端系統(tǒng)發(fā)生交流故障導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓降低時(shí)，換流閥在退出換相時(shí)不能及時(shí)恢復(fù)正向阻斷能力從而導(dǎo)致直流換相失敗。誘發(fā)換相失敗的主要因素有受端交流系統(tǒng)的強(qiáng)度、故障位置、故障嚴(yán)重程度、換流母線處無功支撐強(qiáng)度等;而對(duì)于含有多個(gè)直流落點(diǎn)的多饋入直流系統(tǒng)，交流故障引發(fā)連鎖換相失敗的機(jī)理更為復(fù)雜，與單饋入系統(tǒng)相比多回直流落點(diǎn)之間的距離、相互之間的耦合關(guān)系都對(duì)是否會(huì)發(fā)生連鎖換相失敗有著不同程度的影響。

對(duì)于多饋入直流系統(tǒng)，目前主要采用MIIF指標(biāo)來分析交直流系統(tǒng)的運(yùn)行特性和相互影響關(guān)系，影響多直流連鎖換相失敗的主要因素在于多條直流之間的耦合關(guān)系，因此可用MIIF分析連鎖換相的原因。MIIF指在換流母線i投入對(duì)稱三相電抗器使該母線電壓下降1%時(shí)換流母線j的電壓降與其比值，該指標(biāo)計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。將換流母線電壓降落等效為節(jié)點(diǎn)注入電流的變化，利用節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣可以實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的解析計(jì)算，并將MIIF推廣至任一交流節(jié)點(diǎn)，提出了VIF，計(jì)算公式如下：

 

利用上式對(duì)饋入江蘇電網(wǎng)的各直流的fMIIFji進(jìn)行計(jì)算，以分析江蘇電網(wǎng)的連鎖換相失敗，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 江蘇電網(wǎng)各直流fMIIFji

 

結(jié)果顯示饋入江蘇電網(wǎng)的4回直流各換流母線間共20個(gè)fMIIF ，僅有8個(gè)超過0.1，6個(gè)超過0.15，可見江蘇電網(wǎng)的某一回直流在換流母線處的電壓波動(dòng)對(duì)其余直流換流母線電壓的影響較小，四回直流間的相互聯(lián)系程度總體上較弱。

根據(jù)江蘇電網(wǎng)實(shí)際的故障仿真結(jié)果，對(duì)于fMIIFji>0.15的直流換流母線，當(dāng)在換流母線處發(fā)生三相短路，電壓短時(shí)降為0后均會(huì)使相應(yīng)的另一換流母線電壓大幅下降從而導(dǎo)致連鎖的換相失敗。南京換對(duì)泰州換1的fMIIFji為0.149，接近0.15，因此當(dāng)南京換流站換流母線處發(fā)生三相短路，電壓降為0后也會(huì)使泰州換1換流母線電壓有較大跌落而導(dǎo)致連鎖換相失敗。泰州換2換流母線對(duì)同里換換流母線fMIIFji僅為0.077，但兩回直流的傳輸功率相差較大，該fMIIFji并不能很好辨別兩回直流間的聯(lián)系，實(shí)際當(dāng)泰州換2換流母線電壓降為0后也會(huì)導(dǎo)致同里換流站短時(shí)的換相失敗。

綜合以上分析，2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)在直流逆變站換流母線處發(fā)生三相短路導(dǎo)致連鎖換相失敗的主要原因是部分換流母線間的fMIIFji較大，不能將其當(dāng)做單饋入直流處理，直流之間存在較大的相互作用，當(dāng)某一換流母線處發(fā)生三相短路故障時(shí)電壓會(huì)瞬時(shí)下降為0，使得本直流發(fā)生換相失敗，又因電壓跌落幅度非常大，從而也會(huì)使相應(yīng)的另一換流母線電壓有較大跌落，進(jìn)而引發(fā)連鎖換相失敗。

4. 結(jié)論

文中基于2018年多直流饋入江蘇規(guī)劃電網(wǎng)的豐大運(yùn)行方式，針對(duì)直流逆變站近區(qū)500kV交流線路故障，對(duì)江蘇電網(wǎng)連鎖換相失敗進(jìn)行了仿真分析，研究結(jié)果表明：

(1)饋入江蘇電網(wǎng)的四回直流中，同里換流站與政平換流站、泰州換流站的500kV換流母線與1000kV換流母線、泰州換流站1000kV換流母線與南京換流站兩兩之間相互聯(lián)系較為緊密，換流母線電壓交互作用較強(qiáng)，當(dāng)在其中一回直流逆變站換流母線處發(fā)生三相短路故障后會(huì)導(dǎo)致本回直流以及相應(yīng)的另一回直流發(fā)生連鎖的換相失敗。

(2)泰州特—南京特、泰州特—蘇州特是2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)非常重要的交流通道，當(dāng)其發(fā)生三相短路故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致三回直流同時(shí)連鎖換相失敗，對(duì)電網(wǎng)造較大沖擊，因此在實(shí)際運(yùn)行調(diào)度中應(yīng)給予足夠的重視。

(3)由于江蘇電網(wǎng)的無功支撐能力很強(qiáng)，在交流故障清除后直流即可恢復(fù)正常換相，換相失敗持續(xù)時(shí)間很短，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響很小，因此2018年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)可以保持現(xiàn)有的架構(gòu)。

(4)直流逆變站相鄰交流母線處發(fā)生三相短路故障后會(huì)導(dǎo)致本回直流以及與其聯(lián)系緊密的另一 回直流連鎖換相失敗，同時(shí)由于直流逆變站相鄰交流母線距離遠(yuǎn)方直流電氣距離更近，交互作用更強(qiáng)，所以會(huì)導(dǎo)致比在換流母線處發(fā)生三相短路后更多的直流連鎖換相失敗。

(5)當(dāng)采用由節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣快速計(jì)算的fMIIFji值分析多回直流之間的相互聯(lián)系時(shí)，若fMIIFji>0.15則可認(rèn)為兩回直流存在較強(qiáng)交互作用，存在連鎖換相失敗風(fēng)險(xiǎn);若fMIIFji<0.15且兩回直流傳輸功率相差較小時(shí)可認(rèn)為兩回直流之間沒有相互聯(lián)系，不會(huì)發(fā)生連鎖換相失敗。