短路比指標在多直流饋入電網中的應用分析

程 昕

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州 510663）

短路比指標在多直流饋入電網中的應用分析

程 昕

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州 510663）

目前，高壓直流輸電已經成為我國大區互聯和遠距離大容量輸電的重要形式，其中以廣東的直流落點為最甚，多個直流逆變站之間的電氣距離非常接近，給電網的安全運行增加了很多潛在的風險。本文以南方電網為研究對象，研究有多回直流饋入的廣東電網各個換流母線的電壓支撐能力。本文研究了各種短路比指標與直流閉鎖前后受端系統的穩態電壓支撐能力間是否存在定量的關系。短路比指標中的兩個因素分別是短路容量和直流功率，因此利用BPA進行仿真時，不斷調整電網的線路長度和直流功率，以研究短路容量和直流功率對受端系統的電壓跌落水平的影響。本文在進行直流閉鎖后受端換流母線穩態電壓跌落時，同時保留不同的直流線路和直流回數來調整仿真模型，以研究直流回數對受端電壓穩定性的影響。

異步電網；多直流饋入；短路比

目前，高壓直流輸電已經成為國內大區互聯和遠距離大容量輸電的主要形式。隨著直流線路的增加，計及系統和與之相聯的其他直流系統的影響，與直流端相連的交流端的電壓支撐能力的問題變得日益嚴重。國內外的學者嚴重關注這類問題并展開了不同程度的研究，其中有兩個交直流電網的安全問題最為關注：一是交流故障引起直流換相失敗；一是直流故障對受端交流電網的電壓穩定沖擊。對于前者，CIGRE提出了多饋入相互作用因子 MIIF（Multi-Infeed Interaction Factor），并且文獻[1]通過2008年南方電網模型下的仿真證實了 MIIF指標與多饋入直流換向失敗間存在明確的關系，但該指標有待量化。文獻[2]中提出了電網結構強度指標TVSI（Transient Voltage supporting Index），明晰了MIIF指標的物理結構意義，對電網規劃設計和直流落點的選擇更具有指導意義。對于后者，至目前為止，還沒有形成一個統一的、針對性強的方法，基本上是在評估純交流電網的電壓穩定指標的基礎上進行小的改動，定義了各種各樣的電壓穩定評估指標[3-7]，其中用來評估受端電網強度的短路比指標被廣泛應用。隨著受端電網直流饋入回數的增加，學術界和工程界開始重視如何在短路比指標中考慮直流間的相互影響及其助增效應的問題，近年來相繼提出了考慮多回直流相互影響的各種改進的短路比指標[8-11]。

面對含有±800kV特高壓直流和多直流輸電通道的交直流大電網，同時有多回直流饋入廣東受端電網內部，廣東電網的電壓支撐能力的問題變得日益突出和非常重要，因此以廣東電網作為典型的多饋入直流的受端電網為研究對象，進行受端電網的穩態電壓支撐能力指標的研究是十分必要和有意義的。

本文以近年來主要的直流短路比指標為算法模型，通過BPA仿真分析它們與受端電網的穩態電壓支撐強度之間的關系。

1 主要的算法模型和仿真模型的介紹

1.1 算法模型介紹

1）SCR指標

在評估直流受端的換流母線的短路比，HVDC換流站可以看為一個連接在交流系統上的一個特殊性能的負荷，其特性受到所連接的交流系統的強度影響。

文獻[8]給出了交直流系統中換流母線短路比SCR（short circuit ratio）的定義：

式中，SCR為換流母線上的系統三相對稱短路容量，為換流站饋入的額定功率。從上式可以看出，短路比指標沒有考慮系統中存在的直流的回數，也即是說沒有考慮直流間可能存在的相互影響對受端系統強度的影響。

2）MSCR指標[8-12]

文獻[12]提出了一種針對含有多饋入直流電網的短路比指標，其思路是將MIDC換流站簡化為戴維南電路的恒電壓源、等值的短路阻抗和連接換流站交流母線間的線路等值阻抗，由此定義出 MIDC電網中的短路比數學模型如下：

式中，k為HVDC換流站總數；Pdc(m)為第m回直流的額定功率標幺值；zn,m為僅保留換流母線時節點阻抗矩陣ZBUS的元素標幺值（可通過自行編制的Matlab網絡化簡程序求得），反映了換流站 m對換流母線n的參與度。實際應用中可用直流運行功率代替額定功率，得出運行MSCR指標。相關研究文獻對該定義并沒有給出定量的解釋，僅給出了定性分析和簡單的測試。

3）CIGRE-MIESCR指標[10-11]

2007年，CIGRE的多饋入直流系統研究工作組（WG B4-41）提出了一組評估多饋入直流系統中鄰近逆變站相互作用特性以及交流系統相對強弱的新量化指標MIESCR，具體如下：

式中，Ssci是直流i逆變站換流母線的交流系統三相短路容量；Qci為逆變站并聯補償無功功率；Pdci、分別是直流i、j的功率。

與式（2）相比，式（3）的主要變化是用一個運行指標 MIIF代替了結構指標（節點阻抗矩陣元素）作為直流功率的加權系數。MIIF可通過以下仿真方法獲得。

直流輸電系統運行于額定功率時，在其逆變站換流母線 i上投入并聯無功負荷以造成換流母線電壓約1%的階躍跌落（ΔVi），計算其他逆變站換流母線 j的電壓變化百分數ΔVj，則逆變站 i對逆變站 j的相互作用因子MIIFji定義為

1.2 仿真模型介紹

1）基本的網絡模型

本文以 2010年豐大方式下的南方電網為研究藍本，根據研究的需要，采用了以下兩種基本的網絡模型以分別研究交直流并聯電網和異步電網：

模型一是全網絡結構的 2010年豐大方式下的南方電網，網絡中存在八回交流通道以及四回直流通道，構成了交直流并聯系統。其中八回交流通道分別為：桂林—賢令山、賀州—羅洞、梧州—羅洞、玉林—茂名，均為500kV雙回線路。四回直流通道分別為：云廣、貴廣Ⅰ、貴廣Ⅱ、天廣直流線路，在廣東電網落點分別為穗東、肇慶、寶安、廣州換流站。同時包含三廣直流的落點鵝城換流站。

模型二是在模型一的基礎上，通過改變送受端負荷和區域間的交換功率，將廣西到廣東的交流通道切斷，網絡變成只有四回直流連接送受端的異步電網。

2）每種模型下的網絡調整

在研究分析過程中，需要進行直流間的影響以及電網強度的分析，因此在上面兩個基本模型下，需要對網絡進行進一步的調整。

（1）直流回數的調整。

在模型一和模型二下，又可分別建立含有單回直流、五回直流直至五回直流的5組電網仿真模型。這5組模型是在含有五回直流的南方電網基礎模型中逐回刪除直流通道構造的。采用了送端加恒功率負荷和受端加恒功率電源的方式消去直流通道。這樣做的優點是能保持 5組模型的穩態潮流分布相同，有利于消除潮流因素對對比分析的干擾。

（2）線路電氣連接強度的調整。

為了進行不同短路比電網間的定量比較，對每個模型均逐步改變電網不同區域的線路參數，形成了以下7種網架結構，對應編號如下：

#1：保持南方電網的實際線路長度。

#2—#4：選擇受端電網的12條線路（北郊—羅洞、北郊—花都、北郊—蓄能、北郊—增城、博羅—花都、博羅—橫瀝、東莞—橫瀝、西江—江門、西江—羅洞、西江—硯都、高明—硯都、硯都—肇慶換），將這些線路長度分別增加到實際值的 1.4、1.8和2.2倍。

#5—#7：選擇送電通道上的8回線路（桂清Ⅰ、Ⅱ線；賀羅Ⅰ、Ⅱ線；梧羅Ⅰ、Ⅱ線；玉茂線Ⅰ、Ⅱ名），將線路長度分別增加到實際值的1.4倍、1.6倍、1.8倍。

3）分析方法介紹

本文利用BPA軟件，通過仿真記錄直流閉鎖發生后，在新的穩態運行下的受端電網換流母線的電壓水平，并計算出該值相對于直流閉鎖前穩態電壓的跌落幅度，本文稱之為換流母線的穩態電壓跌落值，以此值來代表母線的穩態電壓支撐能力。

由于直流閉鎖涉及到直流功率的轉移，對于異步電網和交直流并聯電網，直流功率的轉移方式截然不同，前者是通過網絡內部自身的發電機進行出力調節以達到功率平衡；后者將會引起輸電線路有功潮流的重新分布，丟失的直流功率將會轉移到交流通道上來輸送到受端系統，而間接又會引起無功潮流的變化，因此將分別對異步電網和交直流并聯電網作為對象進行研究。

2 短路比指標在異步電網中的測算與評估

2.1 短路比指標與受端電網穩態電壓支撐強度的關系

由式（1）可以看出，短路比 SCR指標不考慮直流間的相互影響，為獲得反映直流功率對交流電網電壓沖擊的準確的數據和關系，以只含有單回直流的電網為模型，消去其他直流，排除直流換流站之間可能存在的相互影響，以隔離干擾因素。

以模型二為研究對象，分別以系統只含有貴廣Ⅰ、貴廣Ⅱ、天廣、三廣的單直流饋入為例。

從額定功率開始，每次以 300MW的步長幅度逐步減少直流線路的輸送功率，仿真記錄直流閉鎖前后的各受端母線穩態和母線短路容量，構成分析數據庫，按照式（1）計算各個換流母線的短路比，具體的數據見表1。

表1 各換流母線的穩態電壓跌落值與短路比的關系

做成散點圖如圖1所示。

圖1 換流母線的短路比與其穩態電壓跌落值的關系圖

從圖1可以發現，換流母線的擾動前后穩態電壓的跌落水平與短路比存在著較良好的線性關系。

2.2 各種短路比指標評估穩態電壓支撐能力的效果對比

在模型二中，選擇只保留貴廣Ⅰ和天廣兩回直流（其他直流轉化為等值負荷），在網絡結構#1—#4下，通過計算，求得肇慶和北郊換流母線的 MSCR和MIESCR的數值。為了對比參考，繼續增加貴廣Ⅱ和云廣直流，形成四回直流，將MSCR和MIESCR與SCR進行對比，計算的結果見表2。

表2 SCR、MSCR和MIESCR的對比表

做成散點圖如圖2所示。

圖2 SCR、MSCR和MIESCR的對比圖

可以發現，受端電網饋入直流回數越多，各換流母線的MSCR、MIESCR指標下降幅度越大。在相同網架下，各指標在數值上一般有如下規律：MIESCR＜MSCR＜SCR。

3 短路比指標在交直流電網中的測算與評估

3.1 短路比指標與受端電網穩態電壓支撐強度的關系

以模型一為研究對象，分別選擇貴廣Ⅰ回和貴廣Ⅱ回直流為代表，它們各自的落點分別為肇慶和寶安換流站，分別位于遠離廣東電網的負荷中心及處于廣東電網的負荷中心。將其他直流全部轉化為等值電源和等值負荷，分別形成單直流饋入系統，從額定功率開始，每次以 300MW的步長幅度逐步減少直流線路的輸送功率，仿真記錄直流閉鎖前后的各受端母線穩態電壓值和系統三相短路容量，構成分析數據庫，并按照式（1）計算各個換流母線的短路比。

1）肇慶換流母線

將模型一中除了貴廣Ⅰ回的其他直流全部轉化為等值電源和等值負荷，直流落點在廣東電網的肇慶站。

獲得的肇慶換流母線短路比與電壓跌落的關系數據見表3。

表3 肇慶換流母線的穩態電壓跌落值與短路比的關系

將肇慶換流母線的穩態電壓跌落值與短路比關系做成散點圖，如圖3所示。

從圖3可以看出：

（1）改變受端所選線路的長度時，從對應的散點可以很明顯的看出，肇慶換流母線的短路比在很大的范圍內變化，但是肇慶換流母線的穩態電壓跌落值變化很小，在0.035p.u.附近浮動。

圖3 肇慶換流母線的短路比與肇慶換流母線的穩態電壓跌落值的關系圖

（2）端所選線路的長度時，在直流輸送功率一定的情況下，肇慶換流母線的短路比變化很小，但是此時肇慶換流母線的穩態電壓跌落值隨著送端所選線路長度的改變而發生明顯的變化，從約0.03p.u.增到了約0.07p.u.。

表明在交直流并聯系統中，肇慶換流母線的短路比與直流閉鎖后的肇慶換流母線電壓跌落水平不存在定量關系。

2）寶安換流母線

將模型一中除了貴廣Ⅱ回的其他直流全部轉化為等值電源和等值負荷，直流落點在廣東電網的寶安站。

獲得的寶安換流母線短路比與電壓跌落的關系數據見表4。

表4 寶安換流母線的穩態電壓跌落值與短路比的關系

將寶安站換流母線的穩態電壓跌落值與短路比關系繪成散點圖，如圖4所示。

圖4 寶安換流母線的短路比與肇慶換流母線的穩態電壓跌落值的關系圖

對比表3和表4可以看出以下規律：

1）直流落點深入到廣東電網內部，送端和受端線路長度變化對換流母線短路容量的影響程度及其規律基本不變。仍然體現出“西電東送”線路長度對短路比的影響遠小于廣東電網線路長度的影響這一規律。

2）由于寶安站深入負荷中心，興安直流閉鎖對寶安換流母線電壓水平的影響相對較小。同等直流功率下，寶安站電壓在興安直流閉鎖后的跌落幅度只有0.01p.u.左右，遠小于肇慶換流母線在高肇直流閉鎖后的電壓跌落范圍（0.03～0.05p.u.）。

3）從表2、表3的|ΔV/ΔSCR|結果可以看出，隨著送端線路長度從1.0增大到1.8倍，肇慶換流母線的電壓跌落變化量相對于短路比變化的比值高于寶安換流站，但是可以看出，“西電東送”線路長度對電壓跌落的影響遠遠高于受端電網線路長度變化這一結論始終成立。

仿真表明在交直流并聯系統中，寶安換流母線的短路比與直流閉鎖后的寶安換流母線穩態電壓跌落水平不存在定量關系。

3.2 各種短路比指標評估穩態電壓支撐能力的效果對比

在模型一中，選擇只保留貴廣Ⅰ和貴廣Ⅱ兩回直流（其他直流轉化為等值負荷），在網絡結構#1—#7下，通過計算，求得肇慶和寶安換流母線的MSCR和MIESCR的數值。為了對比參考，繼續增加天廣和云廣直流，形成四回直流，將MSCR和MIESCR與SCR進行對比，計算的結果見表5。

散點圖如圖5所示。

圖5 多直流饋入系統換流母線短路比指標對比圖

通過以上的仿真和計算結果可以看出，在交直流并聯系統中，短路比公式中的母線短路容量和直流功率不再是影響受端換流母線的的穩態電壓跌落水平的決定性因素，與直流并行的交流通道的電氣長度以及落點距離負荷中心的遠近是影響受端換流母線的的電壓跌落水平的主要因素。

各種短路比指標數值上的規律與異步電網的相似，即受端電網饋入直流回數越多，各換流母線的MSCR、MIESCR指標下降幅度越大。相同網架下，各指標在數值上一般有如下規律：MIESCR＜MSCR＜SCR。

下面將繼續研究直流回數對受端電網換流母線穩態電壓跌落水平的影響，而多饋入短路比指標是否與直流比鎖后受端電網的電壓跌落水平之間存在定量關系。

4 短路比指標在多饋入直流電網中的效用分析

在模型一和模型二中，即異步電網和交直流并聯電網中，依次保留一回、兩回、三回、四回及全部直流線路。不保留的直流線路被轉化為送端等值負荷和受端等值電源。由此構造出含有單回和多回直流饋入的仿真電網模型。

為了考察不同直流落點和電氣距離下直流之間的相互影響關系，仿真采用了以下2種網架結構調整方式：

1）人為調整肇慶、北郊、穗東、鵝城等逆變站間的交流線路長度。

2）人為開斷廣東 500kV內環網和外環網的部分線路，包括江門—西江、硯都—高明和橫瀝—東莞等雙回線路以改變網架結構，削弱換流站與受端系統的聯系強度。

為了研究直流相互影響與運行條件和潮流水平的關系，仿真中同樣采用了兩種負荷調整方式：①整體比例增大廣東電網全部負荷節點的負荷水平；②局部增大某個或者某幾個換流站鄰近負荷母線的本地負荷兩種方式逐步改變運行條件，降低受端電網的整體電壓穩定水平，以此觀察和研究多回直流換流站節點電壓和無功需求的變化和相互影響。

潮流仿真結果如下：

（1）隨著負荷水平的加重，廣東電網整體電壓水平逐步下降。但無論保留1回、兩回、三回、四回還是全部五回直流，BPA計算得出的各節點電壓完全相同。

（2）無論采用哪種負荷增長方式，當部分節點電壓低到一定水平時，BPA潮流不再收斂，無法獲得較低電壓水平下的電網潮流分布和電壓水平。

（3）采用削弱網架結構方式來降低電壓水平同樣遇到了BPA潮流不收斂的問題，無法研究較低電壓水平下的直流相互影響。

通過以上仿真可以看出，當交流系統電壓在一定范圍內變化時，由于換流變的有載調壓能力，此時直流閉鎖后換流母線的穩態電壓跌落與系統的直流通道回數無關，各模型中潮流計算出的節點電壓相同。同時，MSCR和MIESCR指標的數值是隨著直流回數的增多而下降，因此是不能有效的反映直流閉鎖后的受端電網的穩態電壓支撐能力的。

針對流系統電壓水平跌落到一定程度的仿真環境，由于BPA的潮流程序無法分析低電壓水平下的交直流電網電壓水平，還沒有辦法構造，因此本文暫時無法驗證。

5 結論

本文通過一系列的有目的的仿真計算與分析，得出了以下結論：

1）異步電網中短路比 SCR指標與受端電網的穩態電壓跌落值之間的確存在良好的定量關系。但是在交直流并聯的同步電網中，短路比不再適用，短路比公式中的母線短路容量和直流功率不再是受端換流母線的的電壓跌落水平的決定性因素，與直流并行的交流通道的電氣長度以及落點距離負荷中心的遠近是影響受端換流母線的的電壓跌落水平的主要因素。

2）系統在一定的電壓水平下，直流閉鎖后換流母線的穩態電壓跌落與系統的直流通道回數無關。

3）MSCR和MIESCR指標的數值是隨著直流回數的增多而下降，因此不能反映直流閉鎖后的受端電網的穩態電壓支撐能力的。并且在同一個系統中，各指標在數值上一般有如下規律：MIESCR＜MSCR＜SCR。

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Analysis of Short Circuit Ratio Index Application in Multi-Infeed-HVDC Grid

Cheng Xin
(Guangdong Electric Power Design Institute, China Energy Engineering Group Co., Ltd, Guangzhou 510663)

At present, HVDC has been the important form in the wide interconnected area and Large-capacity、long-distance transmission.The most number of the HVDC infeed has been formed in Guangdong Power Grid among South China Grid.The electric distance between DC inverter stations very closely and increase a lot of potential risk.South China Power Grid is used as the testing model in the paper, the voltage supporting ability of commutation bus in the multi-HVDC-infeed Guang Dong Power Grid is studied.SCRs are studied to make out if they have relationship with the voltage supporting strength of commutation bus before and after the DC latching fault.In SCR Index, there are two factors which are capacity of short circuit and HVDC power.As the BPA has been used to emulate, line’s length and the DC power continuously are adjusted to research the effect on the voltage stability of the receiving grid by the capacity of short circuit and HVDC power.As the static voltage drop level under DC and AC failure are emulated, different HVDC lines have been retained to adjust model, the effect on the voltage stability by different numbers of HVDC has been found out.

asynchronous power grid; Multi-Infeed HVDC; short circuit ratio

程 昕（1983-），女，安徽安慶人，漢族，工程師，碩士研究生，主要從事變電站變電一次設計工作。