多饋入交互因子在多饋入交直流電網(wǎng)中的應(yīng)用

汪惟源，楊林，史慧杰，曹敏敏，殷婷

（1.江蘇省電力公司，南京210024；2.華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063）

多饋入交互因子在多饋入交直流電網(wǎng)中的應(yīng)用

汪惟源1，楊林1，史慧杰2，曹敏敏2，殷婷2

（1.江蘇省電力公司，南京210024；2.華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063）

隨著“西電東送、南北互供”戰(zhàn)略的全面實(shí)施以及直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，我國將形成世界上直流輸電線路最多、直流輸送容量最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的交直流輸電系統(tǒng)［1］。對(duì)于大規(guī)模多饋入交直流受端系統(tǒng)，由于直流逆變站之間電氣距離近，系統(tǒng)接受的饋入功率大，直流與直流、直流與交流之間的相互作用更強(qiáng)。一個(gè)換流站的換相失敗故障，可能會(huì)導(dǎo)致其他換流站換相失?。辉诮涣飨到y(tǒng)故障下，各直流換流站有可能同時(shí)或相繼發(fā)生換相失敗，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰［2］。因此，研究系統(tǒng)中交直流相互影響關(guān)系、發(fā)現(xiàn)直流站換相失敗的潛在風(fēng)險(xiǎn)及制定相應(yīng)的預(yù)防措施對(duì)保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的［3-6］。

實(shí)際工程應(yīng)用中，常利用多饋入短路比［6］作為判斷多饋入交直流系統(tǒng)強(qiáng)弱的指標(biāo)，但該指標(biāo)是一個(gè)相對(duì)宏觀的結(jié)構(gòu)性指標(biāo)，很難與電網(wǎng)的具體動(dòng)態(tài)行為和表征建立對(duì)應(yīng)的指示關(guān)系，不能直觀地給出交直流之間的相互作用關(guān)系。多饋入交互因子（multiinfeed interaction factor，MIIF）［7-8］是由CIGRE WG B4工作組提出的工程規(guī)劃階段用于衡量多饋入交直流系統(tǒng)中直流換流站間相互作用強(qiáng)弱的量化指標(biāo)。文獻(xiàn)［9］從交流故障引起換相失敗的主要矛盾——換相電壓降落出發(fā)，討論了多饋入交互因子指標(biāo)的意義及與多饋入直流系統(tǒng)換相失敗的關(guān)系，將單饋入直流換相失敗的最小電壓降落法推廣到多饋入直流系統(tǒng)，闡述了換相電壓交互作用的機(jī)制，采用MIIF量化電壓降落判據(jù)中的耦合系數(shù)，對(duì)換相失敗初期研究具有指導(dǎo)作用。

本文以江蘇電網(wǎng)典型多饋入交直流系統(tǒng)為例，對(duì)多饋入交互因子在實(shí)際電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行中的分析方法進(jìn)行了擴(kuò)展研究，并得出了有意義的結(jié)論。

1 多饋入交互因子MIIF

在描述交流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)中，最直接反映某一逆變站與交流系統(tǒng)相互作用的運(yùn)行狀態(tài)變量是逆變站換流母線電壓。多饋入交互因子MIIF，反映了任意兩個(gè)逆變站換流母線電壓之間的相互作用關(guān)系，其定義如下：

即假設(shè)系統(tǒng)中存在編號(hào)分別為i和j的兩個(gè)直流換流站，當(dāng)換流母線i投入對(duì)稱三相電抗器使得該母線上的電壓降恰好為1%時(shí)，換流母線j的電壓變化。

對(duì)于受端系統(tǒng)中存在的n個(gè)直流輸電逆變站的情況，可以應(yīng)用式（1）方法分別計(jì)算MIIFi，j值，最終可以形成一個(gè)n×n階矩陣。

多饋入直流系統(tǒng)落點(diǎn)集中于同一個(gè)交流網(wǎng)絡(luò)，對(duì)某一個(gè)換流站施加擾動(dòng)后，另一換流站的動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然包含了交流系統(tǒng)與其他換流站對(duì)它的共同作用。對(duì)于圖1所示的三饋入直流輸電系統(tǒng)，有［3］：

圖1 三饋入直流輸電系統(tǒng)模型Fig.1 Three-infeed HVDC transmission system

假設(shè)換相電壓剛好跌落到換相失敗閥值，對(duì)應(yīng)的電壓跌落幅值為ΔUL1，由疊加定理可得：

由式（4）可見，逆變站的換相失敗既受直接與之相連的交流系統(tǒng)等效電勢源影響，且受與之耦合的逆變站電壓的影響，它們之間的耦合系數(shù)由交流系統(tǒng)戴維南等效阻抗XΣ及各逆變站之間的耦合阻抗決定。

同時(shí)可以看出，由式（4）所得的換相電壓跌落未計(jì)及無功補(bǔ)償以及直流傳輸功率等重要因素在逆變站電壓交互過程中的重要作用，而這些要素在實(shí)際系統(tǒng)中是不能忽略的。

MIIF基于實(shí)際電網(wǎng)模型，綜合考慮了逆變站間電氣距離、各換流母線的有效短路比、實(shí)際直流傳輸功率等因素，采用時(shí)域仿真計(jì)算而得，作為衡量2個(gè)逆變站之間的電壓交互作用的指標(biāo)，較單獨(dú)由交流戴維南等效阻抗和逆變站間耦合阻抗決定的電壓耦合系數(shù)更為合理。

本文對(duì)MIIF指標(biāo)進(jìn)行了擴(kuò)展應(yīng)用，除用來分析直流逆變站之間的交互關(guān)系外，還用于分析交流樞紐站與直流逆變站的交互關(guān)系。通過MIIF可以了解一個(gè)交流樞紐站或換流站電壓下降時(shí)其他換流站電壓對(duì)它的參與度；當(dāng)某交流樞紐站或換流站電壓遭受大擾動(dòng)，通過MIIF可以估計(jì)其他換流站電壓受擾程度，判斷換流站承受系統(tǒng)故障的能力強(qiáng)弱；結(jié)合最小電壓降落法確定的電壓閾值，可以得出多個(gè)逆變站同時(shí)或相繼經(jīng)歷換相失敗的可能的組合及風(fēng)險(xiǎn)大小。

2 多饋入交互因子應(yīng)用研究

2.1 系統(tǒng)概況

本文以江蘇電網(wǎng)2020年規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，進(jìn)行了仿真計(jì)算。采用電力系統(tǒng)暫態(tài)計(jì)算軟件BPA作為仿真工具，直流模型采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。

江蘇電網(wǎng)是典型的多饋入交直流受端電網(wǎng)，據(jù)規(guī)劃，2020年江蘇500 kV電網(wǎng)將形成“六縱六橫”網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并建設(shè)成1 000 kV連云港—徐州—南京—泰州—蘇州特高壓交流通道；同時(shí)，將有11回高壓直流線路饋入到華東電網(wǎng)，其中有4回直流饋入江蘇電網(wǎng)。表1給出了饋入華東電網(wǎng)的各直流輸電系統(tǒng)的交、直流側(cè)的電壓等級(jí)和輸送容量。

2.2 各逆變站之間交互作用影響

在江蘇電網(wǎng)高峰運(yùn)行方式下，針對(duì)華東電網(wǎng)11條直流進(jìn)行MIIF計(jì)算，分別在每個(gè)逆變站施加擾動(dòng)（投切電容），并記錄華東電網(wǎng)其他10條直流逆變站的電壓變化情況，通過MIIF值可以看出一個(gè)換流站電壓下降時(shí)，其他換流站對(duì)他的參與程度。由表2結(jié)果可知：

表1 華東電網(wǎng)各直流系統(tǒng)電壓等級(jí)及輸送容量Tab.1 Voltage level and transmission capacity of DC systems in East China Power Grid

1）MIIF值對(duì)角元素都是1，MIIF較大值在0.3～1.0，這些值位置多集中在對(duì)角線附近，多發(fā)生于江蘇、上海、浙江各省市內(nèi)部的直流互相影響時(shí)的情況。比如晉北—南京直流電壓波動(dòng)為1時(shí)，泰州直流MIIF值為0.4左右；同里直流波動(dòng)1，政平直流MIIF為0.46。而上海由于電氣距離更近，4根直流相互之間的MIFF值更高，如滬西直流電壓波動(dòng)為1，其余4根直流MIIF值在0.5以上。這也解釋了在蘇北直流逆變站附近N-1故障時(shí)，一般只有2條直流發(fā)生換相失敗，而上海電網(wǎng)主網(wǎng)架線路N-1，幾乎會(huì)導(dǎo)致所有直流換向失敗。

2）特高壓直流由于特高壓線路阻抗小，直流容量大，電壓波動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)帶動(dòng)本區(qū)大部分直流，也會(huì)影響到相鄰區(qū)域的直流。如泰州特高壓直流逆變站電壓波動(dòng)1時(shí)，區(qū)內(nèi)南京直流MIIF為0.37，華新和滬西分別為0.3和0.31，其余直流的MIIF明顯高于其他500 kV直流對(duì)它的影響。這也解釋了為何在特高壓線路上發(fā)生N-1三相故障時(shí)，會(huì)引起省內(nèi)及跨省多條直流換相失敗。

3）兩條直流之間的MIIF并不是對(duì)稱分布的，這和直流本身容量及直流所在位置的耦合阻抗和無功補(bǔ)償容量有關(guān)。如同里直流電壓波動(dòng)為1時(shí)，政平MIFF為0.46，而政平直流電壓波動(dòng)為1時(shí)，同里MIFF為0.24。

由上，通過MIIF表可以較直觀判斷江蘇電網(wǎng)各逆變站發(fā)生同時(shí)或相繼換相失敗的幾率大小及可能存在的組合，MIIF越大，發(fā)生同時(shí)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)性越高。

2.3 交流樞紐站與逆變站之間交互作用影響

為看清各交流樞紐站與逆變站之間的交互作用，在江蘇電網(wǎng)特高壓站點(diǎn)、過江通道、蘇南、蘇北電源基地等各個(gè)站點(diǎn)施加擾動(dòng)（投切電容），并記錄華東電網(wǎng)11條直流逆變站的電壓變化情況，通過MIIF值可以看出各交流樞紐站電壓下降時(shí)，其他換流站對(duì)它的參與程度。結(jié)果見表3（部分省略）。

1）特高壓站點(diǎn)電壓波動(dòng)為1時(shí)，大部分區(qū)內(nèi)和區(qū)外直流MIIF值大于0.3，在特高壓交流發(fā)生N-1故障時(shí)，會(huì)發(fā)生換相失敗。

直

表2 各直流逆變站之間MIIF值Tab.2 MIIF values among DC inverter stations

表3 各交流樞紐站與直流逆變站之間MIIF值Tab.3 MIIF values among AC substations and DC inverter stations

2）江蘇省內(nèi)的站點(diǎn)來看：蘇南站點(diǎn)基本會(huì)導(dǎo)致蘇南政平、同里2條直流換相失敗，蘇北站點(diǎn)基本會(huì)導(dǎo)致泰州、南京直流換相失敗，過江通道站點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致離自己電氣距離較近的直流換相失敗。

3）把各個(gè)站點(diǎn)的MIIF值相加，得到一個(gè)新的指標(biāo)，其揭示的規(guī)律為：MIIF和值越小，能夠承受全網(wǎng)嚴(yán)重故障而不導(dǎo)致直流閉鎖、系統(tǒng)失穩(wěn)的能力越強(qiáng)；反之，對(duì)故障的承受能力越弱，較容易由于全網(wǎng)嚴(yán)重故障而導(dǎo)致直流換相失敗甚至閉鎖。江蘇電網(wǎng)4條直流MIFF和值顯示同里直流〉泰州直流500 kV部分〉泰州直流1 000 kV部分〉南京直流〉政平直流。說明在江蘇電網(wǎng)的4條直流中，容量最小的政平直流抗故障能力最強(qiáng)，同里直流故障承受能力較弱，較容易由于全網(wǎng)嚴(yán)重故障而導(dǎo)致直流換相失敗甚至閉鎖。如果在換相失敗過程中各直流系統(tǒng)不能得以順利恢復(fù)，將造成大面積停電。所以應(yīng)注意MIIF和值較大的直流可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

4）在直流選站前期過程中，也可通過計(jì)算直流不同落點(diǎn)的MIFF和值，作為比選站址的一個(gè)參考指標(biāo)。

3 結(jié)語

本文以典型多饋入特高壓交直流受端系統(tǒng)—江蘇電網(wǎng)為背景，對(duì)多饋入交互因子在實(shí)際電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行中的分析應(yīng)用方法進(jìn)行了研究。實(shí)例表明：通過MIIF指標(biāo)可以較直觀得出各直流逆變站之間、直流逆變站與交流樞紐站之間的交互作用大小，判斷系統(tǒng)各逆變站發(fā)生同時(shí)或相繼換相失敗的幾率大小及可能存在的組合，對(duì)發(fā)現(xiàn)直流站換相失敗的潛在風(fēng)險(xiǎn)及制定相應(yīng)的預(yù)防措施具有一定的指導(dǎo)作用，也可為直流站址選擇提供一個(gè)參考指標(biāo)。

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（編輯 董小兵）

Application of Multi-Infeed Interaction Factor in Multi-Infeed AC/DC Hybrid Power Grid

WANG Weiyuan1，YANG Lin1，SHI Huijie2，CAO Minmin2，YIN Ting2
（1.Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，Jiangsu，China；2.East China Electric Power Design Institute，Shanghai 200063，China）

以江蘇電網(wǎng)實(shí)際多饋入交直流受端系統(tǒng)為例，對(duì)多饋入交互因子（MIIF）在實(shí)際電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行中的分析方法進(jìn)行了推廣應(yīng)用研究。通過計(jì)算各直流逆變站間、直流與交流樞紐站之間的MIIF指標(biāo)，分析各逆變站發(fā)生同時(shí)或相繼換相失敗的幾率大小及可能存在的組合，對(duì)發(fā)現(xiàn)直流站換相失敗的潛在風(fēng)險(xiǎn)及制定相應(yīng)的預(yù)防措施具有一定的指導(dǎo)作用。

多饋入交直流系統(tǒng)；多饋入交互因子；逆變站；換相失敗

Taking Jiangsu power grid as an example，this paper looks into applications of multi-infeed interaction factor（MIIF）in the practical power grid planning and operation and calculates the indexes of MIIF between different DC inverter stations，AC substations and DC inverter stations.The potential combinations and risks of simultaneous/successive commutation failures are analyzed.The research shows that MIIF has a certain guiding significance for identifying the potential risk of commutation failures and for making preventive measures.

multi-infeed AC/DC power system；multiinfeed interaction factor；inverter stations；commutation failure

1674-3814（2015）04-0054-05

TM712

A

2014-12-16。

汪惟源（1975—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究、電網(wǎng)項(xiàng)目前期管理工作；

楊林（1970—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究、電網(wǎng)項(xiàng)目前期管理工作；

史慧杰（1981—），女，碩士，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作；

曹敏敏（1980—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作；

殷婷（1989—），女，碩士，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。