特高壓直流輸電系統(tǒng)接入受端系統(tǒng)方式對比研究分析

劉天宇，王渝紅，李 瑾

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

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特高壓直流輸電系統(tǒng)接入受端系統(tǒng)方式對比研究分析

劉天宇，王渝紅，李 瑾

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

詳細闡述了特高壓直流受端單層接入、分層接入和分極分層接入方式的拓撲結(jié)構(gòu)及其特點。在單層接入和分層接入方式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎上提出了分極分層接入方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從多饋入短路比、故障特性和受端交流系統(tǒng)的接納能力等方面對3種不同的結(jié)構(gòu)方式進行了對比研究，得出分層接入和分極分層接入能有效提高多饋入短路比和受端交流系統(tǒng)的接納能力；相較于單層接入方式、分層接入方式和分極分層接入方式具有更好的故障恢復特性和更強的受端交流系統(tǒng)接納能力。

UHVDC；接入方式；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；故障特性；接納能力

0 引 言

一次能源和負荷的分布特點決定了中國發(fā)展特高壓直流輸電技術(shù)的必要性。特高壓直流(UHVDC)是指±800 kV及以上電壓等級的直流輸電技術(shù)，它具有輸送容量大、電壓等級高、可用于電力系統(tǒng)非同步聯(lián)網(wǎng)等特點[1-3]。自2009年中國以及世界上第一個特高壓直流輸電工程——云南—廣東±800 kV特高壓直流輸電工程投產(chǎn)以來，中國特高壓直流輸電技術(shù)高速發(fā)展，向上直流的投運更是標志著中國特高壓直流相關(guān)設備設計制造技術(shù)達到世界先進水平。

由于中國大型水電站多由特高壓直流送出，其送端整流側(cè)所有閥組都接在同一電壓等級下。中國負荷中心相對集中使得多饋入直流集中落入負荷中心成為了電網(wǎng)發(fā)展所必須面對的重要的問題[4-5]。中國學者在特高壓單層接入方式的基礎上首次創(chuàng)新性地提出了特高壓分層接入的概念，并驗證了分層接入有利于提高受端電網(wǎng)的電壓支撐能力，引導潮流在不同電壓層級間合理分布[6]。新建的±800 kV蒙錫—泰州、±1 000 kV 準東—皖南兩回特高壓直流輸電工程，其逆變站均采用分層接入1 000 kV 及500 kV交流電網(wǎng)的方式[6]。現(xiàn)有文獻主要對單一接入形式進行分析，包括分層接入直流控制系統(tǒng)的整體設計[7-8]、功率的協(xié)調(diào)控制[9]、系統(tǒng)接納能力[10]等。

為更加全面地分析比較特高壓直流接入方式的優(yōu)缺點，為后續(xù)特高壓直流接入方式的選取提供參考，有必要對特高壓直流的接入方式做一個分析對比。首先詳細分析了特高壓直流不同接入方式的拓撲結(jié)構(gòu)及其特點，為適應不同的接入方式，提出了相應的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；其次計算了不同接入方式的多饋入短路比；最后在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立了幾種不同接入方式的仿真模型，通過仿真得到了其相應的故障特性和受端系統(tǒng)接納能力曲線，并從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和多饋入短路比等方面分析了其中的原因，進一步驗證了前面的理論分析。

1 特高壓直流接入電網(wǎng)方式

與±500 kV高壓直流常常用單極僅有1個12脈動換流器不同，特高壓直流由于其輸送容量大、電壓等級高，其單極一般采用由2個12脈動換流器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)[1]。這也導致在整流側(cè)和逆變側(cè)交流母線接入方式的多樣化。

主要從受端交流母線接入方式的不同，區(qū)分不同的接入方式，其整流側(cè)高低壓閥組在一個換流站內(nèi)并且接入同一個交流系統(tǒng)中。當其逆變側(cè)接入同一換流母線時，將這種結(jié)構(gòu)稱為單層接入方式；當逆變側(cè)高、低壓閥組分別接入不同的電壓等級時，將這種結(jié)構(gòu)叫做分層接入方式；當逆變側(cè)同一極的高、低壓閥組接入同一換流母線時，將這種結(jié)構(gòu)叫做分極分層接入方式。

3種不同的接入方式其結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別體現(xiàn)在逆變側(cè)高、低壓閥組接入不同電壓等級換流母線的方式上。為減輕500 kV通道潮流，分層接入和分極分層接入方式的逆變側(cè)一般接入1 000 kV和500 kV兩個不同電壓等級的交流系統(tǒng)。

1.1 特高壓直流單層接入方式

圖1 特高壓直流單層接入方式

如圖1所示，逆變側(cè)高、低壓閥組直接接入1 000 kV或者500 kV換流母線上，其中交流濾波器和無功補償裝置經(jīng)小組開關(guān)直接接入1 000 kV和500 kV交流母線。由于其逆變側(cè)接入同一換流母線，所以將這種結(jié)構(gòu)叫做特高壓直流單層接入方式，它是一種單饋入結(jié)構(gòu)。當直流輸送容量相對較小時，受端系統(tǒng)接入同一母線最簡單，也最合理。

1.2 特高壓直流分層接入方式

圖2 特高壓直流分層接入方式

如圖2所示，逆變側(cè)低壓閥組接入500 kV交流母線，高壓閥組接入1 000 kV交流母線[6]。兩換流母線需要分別配置相應的交流濾波器組，并且獨立地控制各自的交流電壓和無功功率。由于逆變側(cè)接入了不同的電壓等級，接入不同電壓等級的換流變壓器的參數(shù)也不同。特高壓直流分層接入方式可以等效為一個特殊的兩饋入系統(tǒng)。特高壓分層接入方式直流額定輸送容量最高可達11 000 MVA[6]。通過兩電壓等級接入交流系統(tǒng)可相應地降低交流系統(tǒng)的短路電流，同時較換流變壓器直接接入1 000 kV，降低了換流變壓器的絕緣強度和工程造價。

1.3 特高壓直流分極分層接入方式

為了解決分層接入方式下當一電壓等級的逆變站發(fā)生換相失敗時，造成非故障電壓等級的逆變站也同時發(fā)生換相失敗的問題，有學者提出了特高壓直流分極分層接入方式[11]，其接入方式如圖3所示。

圖3 特高壓直流分級分層接入方式(1)

逆變側(cè)同一極的高、低壓閥組接入同一換流母線。圖3中正極高、低壓閥組接入500 kV交流母線，負極高、低壓閥組接入1 000 kV交流母線(兩電壓等級可互換)。分極分層接入方式可以有效地避免單一電壓等級故障時所引起的同時換相失敗問題；同時非故障電壓等級交流系統(tǒng)對故障交流系統(tǒng)的恢復會有一定的支撐作用，但當雙極功率不平衡時，會使得接地極電流偏大。

由于分極分層結(jié)構(gòu)正負極相對獨立，結(jié)合中國大規(guī)模新能源基地需外送的實際情況，可在其整流側(cè)分極接入不同的能源基地，其結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 特高壓直流分級分層接入方式(2)

圖4也可以視作特殊的4端口直流系統(tǒng)，其充分發(fā)揮了可通過整流器和逆變器隔離交流系統(tǒng)、可實現(xiàn)非同步運行的特點，充分利用直流線路走廊，其運行方式也更加靈活。這里只對圖3所示的方式(1)進行研究。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3種不同的特高壓直流接入方式都是采用雙閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，但分層接入方式和分極分層接入方式在受端相比于單層接入方式仍有很大的不同[12]。由于受端接入方式的不同導致其相應的直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不同。下面討論對于特高壓直流分層接入端，同一極的兩個閥組分別接入不同的兩個交流系統(tǒng)，直流控制系統(tǒng)怎樣響應來自不同的交流系統(tǒng)的控制信號；對于特高壓直流分極分層接入方式，同一極的高低壓閥組接入的是同一換流母線，直流系統(tǒng)又是怎樣實現(xiàn)兩層電壓等級的協(xié)調(diào)配合。

2.1 特高壓單層接入方式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

特高壓單層接入方式下(普通UHVDC)的直流控制系統(tǒng)總體可分為雙極控制、極控制和閥組控制三層[13]。其控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 特高壓單層接入控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

3種結(jié)構(gòu)方式下整流側(cè)高、低壓閥組在一個換流站內(nèi)并且接入同一個交流系統(tǒng)中，其控制結(jié)構(gòu)可以采用與普通UHVDC相同的結(jié)構(gòu)及配置。

2.2 特高壓分層接入方式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

特高壓直流的分層接入端，屬于同一極的2個閥組分別接入2個交流系統(tǒng)中，分層接入端的雙閥組對應的交流系統(tǒng)運行工況不一致，其控制結(jié)構(gòu)與一次主回路結(jié)構(gòu)和控制要求相適應。總體上受端換流站控制系統(tǒng)仍采用雙極層、極層和閥組層分層結(jié)構(gòu)，但還增加了與2個交流電網(wǎng)相關(guān)的1 000 kV側(cè)雙極控制和500 kV側(cè)雙極控制功能[7]，其結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 特高壓分層接入控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

單層接入方式下直流電流、電壓和熄弧角3個控制器布置在極控制層，極層控制器產(chǎn)生的觸發(fā)指令同時發(fā)往2個串聯(lián)的閥組。特高壓直流分層接入方式其逆變站與兩交流系統(tǒng)聯(lián)系并且同一極的兩閥組分別接入不同的交流系統(tǒng)中，故直流電流、電壓及熄弧角控制器應該配置在閥組層。

2.3 特高壓分極分層接入方式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與特高壓直流分層接入方式其同一極的兩閥組分別接入不同的交流系統(tǒng)不同，特高壓直流分極分層同一極的兩閥組接入相同的交流系統(tǒng)，直流電流、電壓和熄弧角控制器也布置在極控制層。為實現(xiàn)1 000 kV和500 kV兩層的協(xié)調(diào)控制，有必要增加雙極協(xié)調(diào)控制，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 特高壓分極分層接入控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

特高壓分極分層可以近似地看做是2個單極運行的直流系統(tǒng)，其不僅可以通過改變電壓來實現(xiàn)流入兩交流系統(tǒng)的功率，還可以通過改變電流的方式來實現(xiàn)。而特高壓直流分層接入，其直流電流共用，故只能通過改變電壓的方式來改變功率在2個交流系統(tǒng)間的分配。

為方便兩電壓等級下的功率分配，在其整流側(cè)也配一個1 000/500 kV雙極控制，并在系統(tǒng)層增加一個功率協(xié)調(diào)控制器，如圖8所示。

圖8 特高壓分極分層接入功率協(xié)調(diào)控制

3 多饋入短路比

CIGRE定義了單條直流短路比(short circuit ratio，SCR)的概念用于評估直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的相互作用強度。它是指交流系統(tǒng)的短路容量與直流系統(tǒng)額定輸電功率之比，即

(1)

式中:Ssc為交流系統(tǒng)的短路容量，MVA；PdN為直流換流器的額定功率，MW。

對于多直流饋入系統(tǒng)來說，由于直流落點密集，各直流系統(tǒng)之間的相互影響和作用明顯。在SCR指標的基礎上，CIGRE多饋入直流工作組于2007年給出了多饋入短路比(multi-infeed short circuit ratio,MISCR)的定義[14-15]，其計算公式為

(2)

(3)

式中：各物理量均為標幺值；KMISCRi為第i回直流對應的多饋入短路比；Saci為第i回換流母線交流側(cè)系統(tǒng)短路容量；UiN為第i回換流母線的額定電壓；Zeqii為換流母線i的等效自阻抗；Zeqij為換流母線i、j之間的等效互阻抗；Pdi、Pdj分別為第i、j回直流的額定功率。

由式(3)可知在直流輸送功率一定的情況下，影響多饋入短路比的主要是受端交流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從圖3、圖4可以看出特高壓分層接入方式和特高壓分極分層接入方式下?lián)Q流母線及其外部系統(tǒng)相同，其可化簡等效為圖9所示的等值系統(tǒng)。

圖9 換流母線及其外部等值系統(tǒng)示意圖

由圖9等值系統(tǒng)可得其節(jié)點導納矩陣為

(4)

對其求逆，可得其節(jié)點阻抗矩陣為

(5)

由式(5)可得：

(6)

式中：zi和zj分別為500 kV和1 000 kV層面的等值阻抗；Zij為層間等值阻抗;Zeqii和Zeqjj分別為500 kV和1 000 kV系統(tǒng)的自阻抗；Zeqij為層間互阻抗。

在雙極雙十二脈動的直流輸電模型的基礎上分別搭建了3種不同接入方式的模型。其輸送容量為8 000 MW，電壓等級為±800 kV。單層接入方式受端接入500/1 000 kV交流系統(tǒng)，其等值阻抗分別為Z=1/2、Z=1/3。分層接入和分級分層接入方式下，500 kV受端系統(tǒng)的等值阻抗Zi=1/2,1 000 kV受端系統(tǒng)的等值阻抗Zj=1/3,聯(lián)系阻抗取為Zij=1。結(jié)合式(3)和式(6)可以得出3種方式的多饋入短路比。

表1 不同接入方式下多饋入短路比

表1的計算結(jié)果表明，分極分層接入與典型分層接入方式的MISCR相同，均大于單層接入方式的MISCR，由此可見，兩種不同的分層接入方式均具有良好的提高受端電網(wǎng)電壓支撐能力的優(yōu)勢。

4 故障特性對比

為對比分析故障動態(tài)特性的區(qū)別，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立單層接入、分層接入和分極分層接入方式下的仿真系統(tǒng)，其中分極分層中，500 kV母線與直流系統(tǒng)正極相連，1 000 kV母線與直流系統(tǒng)負極相連。分層接入方式和分極分層接入方式都在500 kV母線處設置持續(xù)時間0.05 s的三相短路故障，對比其逆變側(cè)電壓電流的動態(tài)特性。

圖10 特高壓單層接入直流電壓電流曲線

單層接入方式下，由于其直流電流共用且正負兩極具有相同的換流電壓，所以其電壓電流的故障特性一致，故障發(fā)生時直流電壓的下降，導致了直流電流在故障發(fā)生后約半個周波時增大到2.9 p.u.。故障切除后約0.7 s直流電壓恢復正常。

分層接入方式雖然有2個不同的換流電壓，但是由于其結(jié)構(gòu)的對稱性使得正負極直流電壓同樣具有相同的故障特性，其電流共用,所以電流特性也相同。故障發(fā)生后，其正負極電流最大約為2.9 p.u.。故障切除后約0.6 s后直流電壓恢復到正常狀態(tài)。這是由于分層接入方式的MISCR較單層接入大，具有更好的電壓支撐能力。

圖11 特高壓分層接入直流電壓電流曲線

圖12 特高壓分極分層接入直流電壓電流曲線

與上述兩種結(jié)構(gòu)不同，特高壓直流分極分層由于其正極和負極分別與500 kV換流母線和1 000 kV換流母線相接，正負極不平衡電流可以通過接地極流通。故障發(fā)生后，其電壓電流的特性不一致。當故障切除后，與未發(fā)生故障的1 000 kV交流電壓相聯(lián)的直流負極電壓約0.2 s后恢復正常，從而加速了與發(fā)生故障的500 kV交流母線相接的直流正極電壓的恢復，其約在故障切除后0.2 s恢復到額定值。

為更加方便對比其故障特性，現(xiàn)列表對比，如表2所示。

表2 不同接入方式下故障特性

綜上所述，可知：1)單層接入方式和分層接入方式逆變側(cè)具有對稱性，其正負極的故障特性相同，而與分極分層正負極故障特性不同。2)分層接入方式和分極分層接入方式的故障恢復時間較單層接入方式短，分極分層接入方式非故障交流系統(tǒng)加快了故障交流系統(tǒng)的恢復，其故障恢復時間最短。

5 受端交流系統(tǒng)接納能力

與傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)相比，直流輸電系統(tǒng)兩端的交流系統(tǒng)通過整流器和逆變器隔離，可實現(xiàn)非同步運行，不存在功角穩(wěn)定問題，其輸送容量和距離將不受同步運行穩(wěn)定性的限制，受端交流系統(tǒng)能夠接納直流功率的大小主要取決于交流系統(tǒng)的相對強度。

就單個換流器來說，直流電流Id增加時，其對應的輸送功率Pd存在最大值。3種特高壓直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在正常運行時其4個換流閥組的直流電流相同。受端系統(tǒng)能夠接納的最大直流功率P應該滿足[3,9]

dP/dId=0

(7)

圖13給出了3種不同接入方式下的受端系統(tǒng)接納直流功率曲線。換流閥組熄弧角均為18°。3種接入方式換流母線上的濾波器和無功補償裝置具有相同的參數(shù)。這里主要研究受端交流系統(tǒng)接納功率，不對直流輸送功率做相應的限制。

圖13 3種接入方式受端交流系統(tǒng)接納功率曲線

最大功率曲線法同樣適用于受端最大接納能力的分析。當受端系統(tǒng)運行于最大接納功率曲線的左側(cè)即dP/dId>0時，則功率穩(wěn)定；當受端系統(tǒng)運行于最大接納功率曲線的右側(cè)即dP/dId<0時，已超過最大接納功率極限，功率不穩(wěn)定。由圖13可知，分層接入方式和分極分層接入方式受端最大接納功率基本相同，可以達到約1.30 p.u.，單層接入方式下的最大接納功率約為1.16 p.u.。分層和分極分層接入方式在直流電流Id約為1.6 p.u.時達到最大輸送功率，單層接入方式在直流電流Id約為1.4 p.u.時達到最大輸送功率。故采用分層或分極分層的結(jié)構(gòu)較單層接入方式可以在一定程度上提高受端系統(tǒng)直流功率的接納能力和直流電流穩(wěn)定運行區(qū)間。

6 結(jié) 論

著重討論了特高壓直流的3種接入方式的基本結(jié)構(gòu)，并在此基礎上對其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障特性以及受端交流系統(tǒng)的接納能力做了研究、對比，得出以下結(jié)論：

1)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分析，單層接入方式是一種單饋入的結(jié)構(gòu)；分層接入方式可以看做是特殊的兩饋入系統(tǒng)，而分極分層接入方式可以等效為2個極性相反的單極運行的直流系統(tǒng)。

2)在分析了單層接入和分層接入方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎上，設計了分極分層接入方式的控制結(jié)構(gòu)。并分析得出，分層接入只能通過改變電壓來調(diào)節(jié)直流功率在2個交流系統(tǒng)間的功率分配，而分極分層不僅可以通過改變電壓，還可以通過整流側(cè)的定電流控制來調(diào)整兩交流系統(tǒng)接納的直流功率。

3)在PSCAD/EMTDC中搭建3種不同的接入形式的仿真模型，并對其故障特性進行了仿真，得出單層接入方式和分層接入方式其正負極的故障特性相同，而與分極分層正負極故障特性不同。分極分層方式較單層接入和分層接入具有更好的故障恢復特性。

4)通過3種接入方式受端交流系統(tǒng)的接納功率曲線分析得出：采用分層或分極分層的結(jié)構(gòu)較單層接入方式可以在一定程度上提高受端系統(tǒng)直流功率的接納能力和直流電流穩(wěn)定運行區(qū)間。

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The topology structures and characteristics of UHVDC single-layer connection mode, hierarchical connection mode and pole hierarchical connection mode are described in detail. Based on control system of UHVDC pole hierarchical connection mode and UHVDC hierarchical connection mode, the control system structure of UHVDC pole hierarchical connection mode is proposed. The three kinds of UHVDC connection modes are compared from the multi-infeed short circuit ratio (MISCR), fault features and acceptance ability of AC system in receiving end. It is obtained that UHVDC hierarchical connection mode and UHVDC pole hierarchical connection mode can effectively improve MISCR and the acceptance ability of AC system in receiving end. Compared with UHVDC single-layer connection mode, UHVDC hierarchical connection mode and UHVDC pole hierarchical connection mode have better recovery characteristics and stronger acceptance ability of AC system in receiving end.

UHVDC; connection mode; structure of control system; fault features; acceptance ability

TM71

A

1003-6954(2017)01-0023-06

2016-10-27)

劉天宇(1992)，碩士研究生，研究方向為高壓直流輸電技術(shù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定及其控制;

王渝紅(1971)，教授、碩士生導師，研究方向為高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、新能源并網(wǎng)方式；

李 瑾(1991)，碩士研究生，研究方向為高壓直流輸電、電力系統(tǒng)穩(wěn)定及其控制。