±800 kV天中直流單極閉鎖故障近區電網暫態電壓分析

張增強，辛超山，呂　盼，宋新甫，付高善

(國網新疆經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊　830047)

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±800 kV天中直流單極閉鎖故障近區電網暫態電壓分析

張增強，辛超山，呂盼，宋新甫，付高善

(國網新疆經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊830047)

天中直流極1發生短路引發單極閉鎖故障，極2快速轉帶極1功率，主要分析直流單極閉鎖的穩態以及暫態過程，分析結果表明直流發生單極閉鎖，運行方式被迫轉換為單極大地運行方式，接地極入地電流大幅增加，易引發近區變電站主變壓器偏磁現象。另一方面直流發生短路故障，直流電流增加，造成換流閥消耗的無功增加，會引發近區交流系統電壓大幅下降，有可能造成風機進入低電壓穿越，引發脫網事故。同時通過仿真分析證明隨著直流傳輸功率的提升，在發生短路故障時，近區交流系統電壓下降越大，引發近區風電脫網的風險進一步增加。

天中直流；單極閉鎖；暫態電壓

0　引　言

能源危機已受到世界各國的高度關注，大力發展可再生能源已成為目前社會的當務之急。風電作為中國基本能源政策對緩解能源供應、改善能源結構、保護環境、實現和諧社會和電力工業可持續發展具有重大意義，加快可再生清潔能源的發展和高效利用已成為中國能源領域的重點發展戰略之一。新疆自然資源豐富，可再生能源開發規模巨大，擁有國家級千瓦級風電基地，新疆交流750 kV 交流外送通道以及±800 kV 天中直流工程的相繼投運，新疆電網正式進入特高壓“交、直流混聯”大電網的新格局[1-3]。在復雜大電網的時代背景下，新疆電網特有的電壓跨度大、交流網架薄弱、大功率外送以及交、直流混聯等電網特點，勢必會對電網的安全穩定運行提出較高的要求，電網安全運行的風險與壓力增大，最終造成的電網區域穩定的耦合特性明顯增加，復雜性也明顯提高。結合天中直流的投運以及新疆電網哈密地區送端網架特點，研究天中直流故障特性，直流發生短路故障，直流電流增加，造成換流閥消耗的無功增加，會引發近區交流系統電壓大幅下降，有可能造成風機進入低電壓穿越，引發脫網事故[4-5]。同時通過仿真分析證明隨著直流傳輸功率的提升，在發生短路故障時，近區交流系統電壓下降越大，引發近區風電脫網的風險進一步增加。

1　系統運行概況簡介

天中直流近區750 kV電網如圖1所示，天中直流極1閉鎖，天山站由雙極三閥組方式轉換為極2低端大地方式，故障前直流傳輸有功功率2 480 MW。花園電廠2號機運行，南湖電廠1號、2號機運行，配套火電出力共計1 174 MW，天山換流站兩臺聯變下網有功1 469 MW，新疆交流外送906 MW，吐哈斷面有功692 MW。直流近區750 kV線路全接線運行。周邊主要站點斷面潮流及電壓見表1、表2。

圖1　天中直流近區接線示意圖

設備名稱有功/Mvar無功/Mvar設備名稱有功/MW無功/Mvar吐哈一線346-140.71號聯變73499吐哈二線346-1452號聯變73585哈敦一線194.9-80花園2號機36586哈敦二線193.5-80南湖1號機450140煙沙一線258-82南湖2號機359120煙沙二線258-80

表2　初始運行方式變電站電壓統計

2　天中直流穩態過程分析

由于天中直流中州側極2高端故障檢修，故障前天中直流運行方式為極1高低端、極2低端雙極三閥組運行，運行電壓+800 kV、-400 kV。運行方式如圖2所示。

圖2　天中直流雙極三閥組運行示意圖

中州站因閥廳至平波電抗器間穿墻套管大雪天氣閃絡，造成極1閉鎖，天中直流轉為極2低端大地運行方式，運行電壓-400 kV。運行方式如圖3所示。原極1傳輸功率由極2轉帶，但由于極2僅低端閥組運行，額定傳輸功率2 000 MW，因此天中直流故障后傳輸功率由2 480 MW降至2 025 MW,455 MW功率涌入交流系統。

圖3　天中直流極2低端運行示意圖

極1故障，直流運行方式轉為單極大地方式后，接地極入地電流由0最大增至5236 A，哈密地區750 kV哈密變電站、煙墩變電站和220 kV十三間房、東疆變電站主變壓器中性點直流電流超過了隔直裝置整定值10 A，隔置裝置均動作。由于入地電流較大，國家電力調度通信中心(以下簡稱國調)緊急降低天中直流功率至1 160 MW，隨著傳輸功率的下降，接地極入地電流降至2 900 A，入地電流變化如圖4所示。

圖4　接地極入地電流變化曲線圖

天中直流由單極低端對大地方式調整為單極低端對金屬回線方式后，國調調整天中直流功率升至2 000 MW。運行方式如5所示。

圖5　天中直流極2低端對金屬回線運行示意圖

通過SCADA數據分析，天中直流單極閉鎖故障前后近區變電站電壓無明顯變化。故障前后吐哈斷面潮流減小159 MW，哈敦+煙沙潮流共增加284 MW，與天中直流所降功率吻合，同時潮流轉移比例近似1∶2。近區穩態電壓變化及斷面潮流變化如表3、表4所示。

表3　故障穩態過程電壓變化

表4　故障穩態過程斷面潮流變化

3　單極閉鎖暫態故障仿真分析

3.1直流故障PMU數據分析

天中直流在中州逆變器直流側發生接地故障，可等效為逆變器直流側短路，交流側開路，天山側(整流側)由于短路直流電流突增，中州側(逆變側)由于開路直流電流降為0。天山側在短路故障后約60 ms電流達到最大值，然后保護動作對極1進行閉鎖，約經歷40 ms，故障電流降為0。直流故障PMU數據如圖6所示。

圖6　直流故障PMU數據

由于極1與極2線路之間存在互感作用，在故障暫態過程中，故障極極1電流發生劇烈變化，非故障極極2在互感作用下電流與極1保持同調趨勢。在極1被閉鎖后，極2在控制邏輯的指揮下，將極1功率轉帶，電流快速上升。由于故障前直流輸送功率大于極2額定傳輸功率(極2高端換流閥停運，額定功率2 000 MW)，穩態時極2無法全部轉帶極1功率；但為減小對交流電網的沖擊，控制邏輯允許每個換流閥擁有暫時(約3 s)1.3倍過負荷能力，因此極2將極1功率全部轉帶后，經歷約3 s，電流下降至額定電流。

3.2直流故障仿真分析

根據故障情況設置仿真故障：天中直流中州側設置單極接地故障，故障持續40 ms，天中直流極1閉鎖，再經過40 ms后極2轉帶極1功率。

直流故障仿真數據如圖7所示，仿真結果表明，在直流發生短路故障時，直流送端電流突增，直流消耗的無功功率增加，仿真結論與PMU錄波數據基本吻合。但仿真結果中未出現直流功率增加過程，與實際錄波曲線存在差異。

圖7　直流故障仿真數據

3.3直流近區電壓潮流仿真分析

短路過程直流近區750 kV母線電壓下降101 kV，220 kV母線電壓下降25 kV。直流單極閉鎖后750 kV母線電壓升高18 kV，220 kV母線電壓升高4 kV。

短路過程中吐哈斷面潮流不變，哈敦+煙沙斷面有功減少194 MW，直流單極不鎖后，吐哈斷面有功減少654 MW，哈敦+煙沙斷面有功增加720 MW，潮流轉移比接近0.9。仿真結果如圖8、圖9所示。

圖8　哈密750 kV變電站壓仿真曲線

圖9　直流近區潮流變化曲線

3.4靈敏度分析

將直流輸送功率提升至4 000 MW，模擬仿真單極接地閉鎖故障。仿真結果如圖10所示，仿真結果表明，隨著直流輸送功率的增加，在發生接地故障時，直流電流增加幅度變大，故障期間直流所消耗的無功更大。因此直流接地故障時，近區交流電壓更低，有可能造成風機進入低電壓穿越狀態，引發風機脫網事故。

圖10　直流故障敏感性分析曲線

4　結　論

直流在逆變換流閥直流側發生接地故障，整流側故障極電流突增，換流閥消耗的無功功率增加，從而從交流系統吸收的有功無功功率增加，直流近區交流系統電壓下降。直流單極閉鎖后，原直流消耗的有功、無功功率減少，涌入交流系統，造成交流系統有功潮流轉移以及電壓升高。直流另外一極將功率轉帶后，交流系統恢復初始運行狀態。

發生單極閉鎖故障，直流系統將轉換為單極大地回線運行方式，接地極入地電流較高，有可能引發近區變壓器故障，應提前做好防范措施。

天中直流傳輸功率2 500 MW時，發生單極閉鎖故障，暫態過程電壓降低及升高均在允許范圍內，不會造成風機大面積脫網事故。當另外一極將功率轉帶后，系統電壓及潮流基本能恢復初始值，對系統穩定運行影響較小。

仿真結果表明隨著直流輸送功率的增加，在發生接地故障時，直流電流增加幅度變大，故障期間直流所消耗的無功更大。因此直流接地故障時，近區交流電壓更低，有可能造成風機進入低電壓穿越狀態，引發風機脫網事故。

[1]關洪浩,張鋒,孫誼媊,等.哈鄭直流工程投運初期對新疆電網影響分析[J]. 中國電力，2012，45(12)：48-51.

[2]鐘勝,郭相國,田昕,等. 哈密至鄭州特高壓直流對受端電網影響分析[J]. 中國電力，2012，45(11)：47-51.

[3]王衡,姚秀萍,常喜強,等.特高壓直流故障對風電場送出可靠性的影響及改進措施[J]. 電工電氣，2014(5)：29-33.

[4]鄭超,湯涌,馬世英,等.網源穩態調壓對暫態無功支撐能力的影響研究[J]. 中國電機工程學報， 2014，34(1)：115-122.

[5]楊海濤,丁茂生,宋新立,等.電力系統動態穩定機理和穩定措施分析[J].電力系統自動化，2008，32(14)：35-39.

[6]李惠軍,郭穎,藍海波,等.±800 kV復奉特高壓直流送端電網安全穩定控制系統[J]. 江蘇科技信息，2011(9)：39-41.

[7]楊建設,張佳麗.錫盟“風火打捆”的風電運用方式研究[J].風能，2011(7)：36-38.

[8]常喜強,樊艷芳,鐘顯,等. 高密度風電接入地區電壓波動因素分析與研究[J]. 四川電力技術，2014，37(6)：5-9.

[9]李國棟,皮俊波,鄭力,等.±500 kV林楓直流雙極閉鎖故障案例仿真分析[J]. 電網技術，2014，38(4)：877-882.

[10]陳樹勇,逄博,陳得治,等. 新疆電網多送出直流輸電系統運行特性分析[J]. 中國電力，2014，47(4)：102-107.

The short circuit occurred in 1-pole of Tian-Zhong HVDC causes a unipolar blocking fault, and 2-pole turns with the power of 1-pole very fast. The steady-state and transient process of DC unipole blocking are analyzed, and the results show that when DC unipole blocking occurs, the operation mode is forced to convert to the monopolar ground operation mode, and the earth current of ground electrode increases greatly, which easily causes magnetic bias of main transformer in near-field substation. On the other hand, the DC short-circuit fault occurs, the DC current increases, resulting in the increase of reactive power consumed by the converter valve, and then it would lead to a decrease of near-field AC system voltage, which may cause the wind power units to enter into the low voltage ride through and lead to wind generator tripping off. As the same time, the simulation analysis shows that the DC transmission power is lifting, during a short-circuit fault, the more the voltage of near-field AC system drops, the greater risk of near-field wind generator tripping-off increases.

Tian-Zhong HVDC; unipolar blocking; transient voltage

TM721.1

A

1003-6954(2016)04-0058-04

2016-05-29)

張增強(1979)，碩士、工程師，從事電網規劃相關工作。