大電網故障下的銀東直流動態特性研究

郭啟偉，汪希偉，李 超，張 雷，韓 旭，陳 強

(國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118)

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大電網故障下的銀東直流動態特性研究

郭啟偉，汪希偉，李 超，張 雷，韓 旭，陳 強

(國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118)

〔摘 要〕采用一種基于物理等效的方法對直流系統的受端——山東電網500 kV大電網進行等值處理，建立銀東直流PSCAD模型，分析山東電網交流聯絡線模擬單相接地故障和三相短路故障對銀東直流動態特性的影響，為銀東直流輸電工程的穩定運行和故障處理提供技術指導和理論依據。

〔關鍵詞〕直流系統；單相接地；三相短路；動態特性

1　銀東直流系統PSCAD仿真模型介紹

±660 kV銀東直流系統西起寧夏銀川，東至山東青島，線路全長1 333 km，額定輸送電量400 萬kW，為寧夏電力外送山東的重要通道，是國家電網“西電東送”的重點工程。隨著我國電網結構日趨復雜以及直流系統的廣泛接入，需要對系統電磁暫態過程進行分析研究，為系統運行和故障處理提供參考意見。

為此，采用PSCAD軟件，對銀東直流系統建立PSCAD仿真模型進行研究。該模型包括控制系統和主電路，控制系統和主電路的建模框架如圖1所示，其中旁通對為換流橋中連接同一相交流端子的2個換流臂所形成的旁通通路。當換流閥故障時，將電流從故障閥轉移到旁通對，盡量減少故障閥中流過直流故障電流的時間。

銀東直流系統主電路結構如圖2所示，其等值電路如圖3所示。

圖1　直流系統的總體建模框架

在圖3中，Voi，Voj分別為整流側和逆變側換流變壓器直流側的交流電壓方均根值，α，β分別為整流器的觸發延遲角和逆變器的超前觸發角，Rci，Rcj分別為直流平波電抗器和換流變壓器以及整流器、逆變器的損耗對應的電阻，Rdc為直流輸電線路的電阻，Vdi，Vdj分別為整流器、逆變器直流平波電抗器出口的直流輸電線側直流電壓，Id為直流電流。

圖2　銀東±660 kV直流輸電系統結構

圖3　銀東直流輸電等值電路

直流輸電的運行方式取決于整流側和逆變側換流器的控制方式。控制系統是直流系統的核心，也是模型正確建立的關鍵。在正常工況下，銀東直流系統整流側為定電流控制，其控制邏輯模型可采用CIGRE標準定電流控制。由于銀東直流系統采用阿海琺公司的換流閥，無法實測熄弧角大小，所以逆變側無法采用CIGRE標準定熄弧角控制；結合許繼電氣股份有限公司的設計理念，逆變側采用修正的預測熄弧角控制。此外， 整流側和逆變側都配有低壓限流(VDCOL)控制。

銀東直流輸電系統的控制特性如圖4所示。

在圖4中，曲線a-d為整流側的控制特性，其中ab為最小觸發角控制，bc為定電流控制，cd為低壓限流環節；曲線e-i為逆變側的控制特性，其中hi為最小熄弧角控制，gh為修正熄弧角控制，fg為定電流控制，ef為低壓限流環節。

圖4　銀東直流控制系統的靜態伏安特性

2　交流系統等值建模

本文對交流系統進行等值建模，包括山東電網500 kV主干網架，建模框架如圖5所示。

本文采用一種基于物理等效的系統等值方法，并結合PSASP軟件進行等值建模工作，等值后的主干網架結構如圖6所示。

等值建模的基本步驟如下所述。

(1)將該主干網節點所在地區220 kV及其以下電壓等級網絡中的所有發電機聚合成1臺等值發電機，等值發電機的額定容量和有功出力分別為各臺發電機額定容量和有功出力之和。

(2） 依據原系統的潮流數據確定等值負荷，確保等值前后負荷的靜特性、感應電動機負荷所占比例不變，確保從500 kV網架向該地區低電壓等級網絡傳輸功率不變。

（3） 得到等值發電機與等值負荷的詳細參數后，建立發電機、感應電動機等元件的簡化模型。通過對等值后主干網節點穩態運行以及短路電流計算的分析，確定等值母線電壓、等值變壓器電抗等參數，以保證等值前后該500 kV節點的電壓、短路電流不變。

圖5　交流系統的總體建模框架

圖6　主干網節點等值結構

3　 電網故障仿真分析

針對山東電網500 kV聯絡線采用故障仿真技術，考慮500 kV交流線在實際中采用故障重合閘技術，但由于其電壓等級較高，從發生故障到斷開斷路器和完全熄弧斷開的時間約1 s，相對于直流毫秒級的響應時間過長，因此，在研究500 kV交流線故障直流系統動態響應特性時，暫不考慮重合閘問題。

(1)對與銀東直流系統電氣距離較近的交流聯絡線故障仿真，現以膠東(青島換流站)-瑯琊聯絡線為例。在交流聯絡線的瑯琊側分別設置單相接地故障和三相短路故障，0.4 s接入故障，持續0.05 s消除，仿真1 s，數據均從正極測得。

由于整流側和逆變側的電流電壓變化一致，故對輸出逆變側的電流電壓進行分析，仿真圖形如圖7，8所示。

圖7　膠東-瑯琊單相接地故障下的直流波形

圖8　膠東-瑯琊三相短路故障下的直流波形

由圖7，8得知，離銀東直流系統電氣距離較近的交流系統發生單相接地故障和三相短路故障，都會對直流系統造成較大影響，發生換相失敗。電網發生故障時，直流線路電壓驟降，電流升高，熄弧角降為0，傳送的有功功率大幅降低。

(2)對與銀東直流系統電氣距離較遠的交流聯絡線故障仿真，現以棗莊-鄒縣電廠聯絡線為例。在鄒縣電廠側分別設置單相接地和三相短路故障，該交流線路單相接地故障和三相短路故障下的直流波形分別如圖9，10所示。

圖9　棗莊-鄒縣電廠單相接地故障下的直流波形

由圖9，10得知，離銀東直流系統電氣距離較遠的交流系統發生單相接地故障時，對直流系統影響較小，電壓電流和熄弧角以及傳輸的有功功率均變化較小，未發生換相失敗；而發生三相短路故障時，會對直流系統造成較大影響，直流線路電壓驟降，電流升高，熄弧角降低為0，傳送的有功功率大幅降低。

圖10　棗莊-鄒縣電廠三相短路故障下的直流波形

(3)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，現以聊城-辛安聯絡線為例。在辛安側分別設置單相接地和三相短路故障，其直流波形分別如圖11，12所示。

圖11　聊城-辛安單相接地故障下的直流波形

由圖11，12得知，離銀東直流系統電氣距離很遠的交流聯絡線發生單相短路故障和三相接地故障時，對直流系統影響都較小，電壓電流和熄弧角以及傳輸的有功功率均變化較小，未發生換相失敗。

4　 結論

對交流大電網500 kV交流線路進行故障仿真，隨著離銀東直流系統電氣距離的增大，交流聯絡線故障對直流系統的影響減小。

圖12　聊城-辛安三相接地故障下的直流波形

對于同一條聯絡線而言，在相同條件下，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，與逆變站聯系比較緊密的青島、濰坊等地區發生三相短路還會引起直流閉鎖。為減小直流系統發生換相失敗的概率，要對電氣距離近的交流線路做好監測，防止單相接地故障和三相短路故障的發生；對于電氣距離遠的交流聯絡線，盡量避免三相短路故障的發生。因此可繼續細化山東電網，對其進行故障仿真，為銀東直流輸電工程的穩定運行和故障處理提供新視角。

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郭啟偉(1985-)，男，工程師，主要從事電力系統繼電保護工作，email：276964876@qq.com。

汪希偉(1981-)，男，工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。

李 超(1981-)，男，工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。

張 雷(1982-)，男，工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。

韓 旭(1989-)，女，助理工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。

陳 強(1986-)，男，助理工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。

作者簡介：

收稿日期：2015-09-13。