電網交流故障對直流系統影響的仿真研究

鄭 凱 ，李偉婕 ，于大洋

（1.濟寧供電公司，山東 濟寧 272000；2.青島供電公司，山東 青島 250002；3.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

近年來，直流輸電以其輸電容量大、損耗小、有效限制短路電流、功率可控、可改善系統穩定性等特點在電力系統中得到了越來越廣泛的應用。銀東直流作為“外電入魯”的重要組成部分，成為山東電網的首個直流工程，山東電網作為受端電網，運行狀態會對銀東直流的安全運行產生重要影響。

直流輸電系統動態特性長期以來一直是直流工程關注的重點［1-2］，受端電網對直流系統的影響是其中的重要一環。而在電力系統實際運行當中，作為受端電網的交流系統，故障是不可避免的，不同故障下逆變換流站的響應特性存在差異，而在同樣類型的故障下，又會因為交流系統強弱的不同，所聯結的直流系統的特性也存在很大差異。目前國內研究交流系統故障對直流系統的影響方面較少涉及交流大電網，即使涉及也局限在三相短路對稱故障［3］，其方法是通過機電暫態仿真軟件進行仿真，而無法仿真不對稱故障。

通過準確度較高的等值方法在電磁暫態軟件中建立了山東交流電網模型，并基于仿真模型，對在受端電網的各種故障情況下，直流系統相應的響應特性進行了詳細的仿真分析。

1 交直流系統建模

進行仿真分析要基于準確的仿真模型，通過準確度較高的等值方法在電磁暫態軟件中建立了山東交流電網模型，包含所有的500 kV母線和青島地區所有220 kV母線，可以很好地研究交流大電網不對稱故障下直流系統的動態特性。另外目前國內對直流系統建模在控制系統方面主要基于CIGRE系統，缺少無功控制環節等更加細致的控制模型，結合銀東直流工程實際，建立與工程實際較為一致的無功控制模型，可以更準確的仿真受端電網對直流系統的影響。整個交直流系統的總體建模框架如圖1所示，交直流仿真模型如圖2所示。

圖1 山東電網的總體建模框架

圖2 交直流仿真模型

2 受端電網對稱故障的仿真分析

故障仿真針對山東電網500 kV聯絡線，考慮到500 kV交流線實際中采用故障重合閘技術，但是由于電壓等級較高，從發生故障到斷開斷路器和完全熄弧斷開的時間約為1 s以上，相對于直流毫秒級的響應的時間過長，因此在研究500 kV交流線故障直流系統動態響應特性的時候暫不考慮重合閘。

對與銀東直流系統電氣距離較近的交流聯絡線故障仿真，以膠東—嶗山聯絡線為例，在交流聯絡線的膠東側設置三相短路故障，0.5 s接入故障，持續0.05 s消除，仿真1 s，仿真圖形如圖3所示。

由圖3得，離銀東直流系統電氣距離較近的交流聯絡線發生三相短路故障，會對直流系統造成很大的影響，故障發生時，直流線路電壓驟降，電流升高，熄弧角降低，傳送的有功功率減小，發生換相失敗。此時整流側觸發角升高到90°以上，從而整流側和逆變側都以逆變方式運行，進行緊急移相，這有助于電壓電流能量的消散。

圖3 膠東一嶸山聯絡線三相短路故障下銀東直流的波形

進而對與銀東直流系統電氣距離較遠的交流聯絡線故障仿真，以棗莊—沂蒙聯絡線為例，仿真設置與膠東相同，其結果如圖4所示。

圖4 棗莊一沂蒙聯絡線三相短路故障下銀東直流的波形

由圖4得，離銀東直流系統電氣距離較遠的交流聯絡線發生三相短路故障會對直流系統造成很大的影響，故障發生時，直流線路電壓驟降，電流升高，熄弧角降低，傳送的有功功率減小，發生換相失敗。此時整流側觸發角升高到90°以上，從而整流側和逆變側都以逆變方式運行，進行緊急移相，這有助于電壓電流能量的消散。

最后對與銀東直流系統電氣距離相對很遠的交流聯絡線故障仿真，以聊城—聞韶聯絡線為例，仿真結果如圖5所示。

圖5 聊城一聞韶聯絡線三相短路故障下銀東直流的波形

由圖5得，離銀東直流系統電氣距離很遠的交流聯絡線發生三相短路故障，不會對直流系統造成很大的影響，故障發生時，直流線路電壓、電流、熄弧角變化很小，未發生換相失敗。

3 不對稱故障仿真

與對稱故障仿真選擇相同的聯絡線，首先選擇膠東—嶗山聯絡線，發生單相接地故障。 仿真結果如圖6所示。

仿真結果顯示，電氣距離較近的聯絡線發生單相接地故障與對稱故障相似，會發生換相失敗現象。

進而對與銀東直流系統電氣距離較遠的交流聯絡線故障仿真，同樣以棗莊—沂蒙聯絡線為例，仿真結果如圖7所示。

圖6 膠東一嶸山聯絡線單相短路故障下銀東直流的波形

圖7 棗莊一沂蒙聯絡線單相短路故障下銀東直流的波形

由圖7可以看出，發生單相接地故障未產生很大影響，電壓電流和熄弧角變化很小，未發生換相失敗。 對有功功率的傳輸影響很小，有功功率幾乎未發生變化。

最后對與銀東直流系統電氣距離相對很遠的交流聯絡線故障仿真，同樣以聊城—聞韶聯絡線為例，仿真結果如圖8所示。

圖8 聊城一聞韶聯絡線單相接地故障下銀東直流的波形

仿真顯示，當電氣距離極遠時，發生單相短路故障，同樣不會發生換向失敗。

4 故障范圍

根據仿真，可以知道除鄆城、聊城廠和德州站一線以西，山東電網絕大部分500 kV線路三相短路都會引起銀東直流換相失敗；而與逆變站聯系緊密的青島、煙臺、濰坊和日照等地區部分500 kV線路三相短路還會引起直流閉鎖。

而通過單相接地短路仿真表明，該故障下會引起銀東直流換相失敗的500 kV網架范圍要小得多，包括日照、濰坊、萊陽、光州和青島地區的膠東、瑯琊、大澤、嶗山8條母線。

5 改進措施

仿真分析可以看出，受端交流電網故障時，換流母線的電壓降低，直流系統的電壓降低。 低電壓下的控制方式主要有模式轉換控制和依賴于電壓的電流指令限制單元 VDCOL（Voltage Dependent Current Order Limiter）控制［4-5］。

但是，交流系統運行方式復雜多變，故障多樣，傳統固定參數的 VDCOL很難適應其變化，因此，可以根據逆變站交流母線電壓的變化，通過自動調整UH的整定值來實現自適應。

6 結語

隨著電氣距離的增大，交流聯絡線的故障對直流系統造成的影響減小。對于同一條聯絡線而言，相同條件下，發生單相接地故障比發生三相短路故障對直流系統的影響要小很多。

自適應VDCOL相比于固定參數VDCOL能夠更好地限制直流電流，減小逆變器消耗的無功功率，有利于受端交流系統電壓穩定。