異步電網直流配套電源開機優化研究

李家璐，陳興望

（中國南方電網電力調度控制中心，廣州 510663）

0 前言

云南電網異步聯網后，由于自身體量較小以及網架建設的薄弱，其對于系統有功、無功沖擊的抵御能力有所下降，當系統出現擾動時，容易發生頻率與電壓的波動問題[1-2]。其中，由直流系統功率波動引起的整流側交流暫態過電壓問題，無論是對電網的暫態穩定還是設備運行安全都具有較大影響。高壓直流系統在整流側、逆變側完成整流與逆變時需要吸收大量無功，正常運行時需要消耗輸送功率的50%～60%，如果直流系統突然閉鎖，換流站過剩無功倒送交流系統，會引起持續時間一般不超過200～600 ms的暫態過電壓現象[3]。而在直流解鎖的過程中，由于在閥控發出解鎖脈沖前需要提前投入一定量的無功濾波器以平衡解鎖后換流閥的無功需求，其也會在交流母線處產生一段過電壓的情況。如果送端網架不夠堅強或者其無功消納能力不足，會進一步影響交流系統的暫態穩定性。

針對直流功率波動引起的過電壓問題進行了大量探討。文獻[3]分析了短路比指標與暫態過電壓之間的定性關系，并根據其對應關系給出了暫態過電壓的參考值，但未考慮交流系統等值電勢以及無功補償的上升特性，建模不夠精確。文獻[4]基于對直流送端等值的詳細建模，給出了暫態過電壓的定量計算方法，并分析了其影響因素。可見，學術界對于直流功率波動引起的過電壓產生機理以及定量估算等方面的研究已經較為成熟。相比于學術界，工程界則更關心的過電壓的抑制措施。文獻[5-7]對電網中的相關直流工程進行了詳細建模，通過仿真得到了一系列滿足實際安全運行的避雷器以及保護參數。文獻[8]首先分析了電網不同的運行方式對于直流閉鎖暫態過電壓的影響，并指出極控與安穩裝置動作時序的不當會引發換流站電壓的“二次壓升”，然后通過對2014年某特高壓直流數據仿真給出了直流閉鎖后安穩裝置與極控協調控制策略。

目前，多是關注在直流異常閉鎖后對于其換流站暫態過電壓的抑制措施，缺乏對直流解鎖過程中，無功濾波器投入引起交流母線過電壓問題的關注。而在南網實際的調度運行工作中，當云南電網處于低谷小方式運行時，各整流站特別是牛寨站在直流解鎖期間確實出現了調壓困難的問題。目前，針對這個問題，實際調度工作中多是通過在直流送端電廠開啟一定數量的發電機，憑借其進相能力限制該過電壓。因此，制定一個合理的電廠最小開機臺數方案，對于調度員的實際運行工作以及電網安全都具有重要意義。

本文首先分析了直流解鎖期間交流母線過電壓的產生機理，并指出該過程中的暫態過電壓是導致交流母線電壓越限的主要因素。然后介紹了暫態過電壓的定量計算方法，并以此說明了短路比以及剩余無功容量對暫態過電壓的影響。然后根據暫態過電壓與短路比的關系，基于南方電網2017年冬季小方式即年小方式，通過BPA對直流送端電廠最小開機臺數方案的問題進行仿真，并與其他方式下的仿真結果做了對比，驗證了仿真方法的有效性與仿真結論的正確性。最后基于該結論，對2017年小方式實際開機方案進行了分析，為調度員的實際運行工作提供了依據。

1 直流解鎖過程中的過電壓

1.1 系統的穩態電壓運行分析

圖1 等值交直流系統簡化模型

如圖1為學術界廣泛采用的多饋入等值單饋入交直流系統簡化模型示意圖。模型中采用恒定電抗與恒定電壓源串聯的方式來等值送端電網。圖中E表示交流系統等值電勢，即等值系統電壓源有效值，X表示交流系統等值電抗，Ssc表示整流站交流母線處的短路容量，Pac與Qac分別表示交流系統向直流系統傳輸的有功和無功，U表示整流站交流母線等值電勢，Idc表示直流系統直流電流，Pdc與Qdc表示直流系統有功和無功，Qc表示逆變站交流濾波器發出的無功功率。

圖中交流系統側均為等值的假想參數，而等值電抗可以表示為：

只需通過仿真得到相應交流母線的短路容量即可計算等值電抗。然后，可通過穩態運行時交流系統向換流站輸送的有功、無功計算得到交流系統等值電勢：

如圖2(a)，為交直流系統一般穩態的運行情況，其中，為交流系統向整流站傳輸有功引起的電壓降落縱分量；而則表示由于無功功率交換而引起的電壓降落橫分量。

直流系統復電前穩態運行情況的電壓相量關系如圖2(b)所示，直流與交流系統沒有功率交換，因此此時交流等值電勢E與交流母線電壓U之間沒有相角差，幅值也是相等的。

圖2 直流解鎖前電壓相量圖

1.2 過電壓產生機理分析

按照南方電網的直流運行規程[9]，在直流解鎖的過程中，換流站交流濾波器組必須在解鎖前滿足1A+1B的最小運行方式，然后再通過閥控發出觸發脈沖，解鎖直流至最小解鎖功率(10%)運行方式。因此，當直流尚未解鎖時投入無功濾波器，會在整流站交流母線處產生一定量的交流暫態過電壓。如圖2(c)所示，由于無功濾波器的投入使得整流站向交流系統倒送無功，此時電流相角超前于交流等值電勢E90度。另外，由于直流系統尚處于閉鎖狀態，可以認為交流等值系統沒有向直流系統傳輸有功，因此交流系統等值電勢E與交流母線電壓U之間的夾角為0。然后，閥控發出觸發脈沖使直流解鎖，解鎖后的電壓相量關系如圖2(d)所示。解鎖后直流傳輸有功增大，交流母線電壓U與交流系統等值電勢E夾角不再為0，并產生了電壓降落的橫分量。此外，由于直流系統在達到最小解鎖功率運行方式的過程中，吸收的無功數額小于1A+1B無功濾波器發出的無功。因此，在一段時間內，整流站仍會繼續向交流系統倒送無功。此時電流相量仍將超前于交流等值電勢E，而交流母線也將繼續處于一定程度的穩態過電壓。

圖3 金官換流站交流母線電壓曲線

值得注意的是，以上分析中提到了直流解鎖過程中引起的交流母線暫態過電壓與穩態過電壓兩段過電壓問題。他們的區別在于前者是由無功沖擊導致，系統來不及在極短時間內平衡該無功，因此會在交流母線處產生一個數值較高的過電壓。然后隨著時間推移，發電機等無功調節設備開始逐步消納過剩無功，系統逐漸達成了無功平衡，交流母線電壓趨于平穩，并處于穩態過電壓階段。上述過程交流母線電壓的時域變化曲線如圖3所示，其為在BPA2017南方電網小方式中，解鎖金中直流時金官換流站交流母線的電壓曲線。其中，在2s時投入了一組1A+1B的無功濾波器，可以看到其發生了一個200 ms左右的暫態過電壓現象。然后由于過剩無功被消納，電壓水平回落，交流母線電壓進入了穩態過電壓階段。因此，在討論該過程電壓是否越限時，后文將主要關注數值更高的暫態過電壓。

1.3 暫態過電壓的計算方法

假設用Qcp表示換流站中單相的剩余無功容量，即引起暫態過電壓的無功。在直流解鎖期間，該Qcp即表示一組1A+1B無功濾波器發出的單相無功容量。其中，由于Qcp指的是在額定電壓作用下的容量，因此在交流母線電壓升高時，該無功濾波器發出的容量會增大，為(U’/UN)2Qcp，U’表示交流母線投入無功濾波器之后的電壓。那么，此時交流母線的暫態過電壓可以用以下式子表示：

其中，Pacp表示交直流系統之間傳輸的單相有功功率。由于在直流解鎖過程中線路基本沒有有功傳輸，可將其忽略，簡化式（3）后，解出U’為：

使上式各參數標幺化，再對式中Qcp、X求偏導數，可得：

由式(8)可知，交流母線暫態過電壓與交流母線剩余無功容量呈正相關關系。即當交流母線剩余無功容量越大時，母線上的暫態過電壓也越大。在直流解鎖期間，這對應于1A+1B無功濾波器發出的無功。若是在直流異常閉鎖的情況下，直流閉鎖容量越大，損失的無功負荷就越大，剩余無功容量就越大，相應地，暫態過電壓的數值就越大。另外，由式(9)可知，交流母線暫態過電壓與交流系統等值電抗也呈正相關關系。即當交流系統等值電抗越大，交直流送端強度越低時，母線上的暫態過電壓也越大。而交直流系統送端強度則與短路比指標密切相關。

1.4 暫態過電壓的影響因素

按照南方電網的直流運行規程[9]，在直流解鎖的過程中，換流站交流濾波器組必須在解鎖前滿足1A+1B的最小運行方式，然后再通過閥控發出觸發脈沖，解鎖直流至最小解鎖功率(10%)運行方式。因此，當直流尚未解鎖時投入無功濾波器，會在整流站交流母線處產生一定量的交流暫態過電壓。如圖2(c)所示，由于無功濾波器的投入使得整流站向交流系統倒送無功，此時電流相角超前于交流等值電勢E90度。另外，由于直流系統尚處于閉鎖狀態，可以認為交流等值系統沒有向直流系統傳輸有功，因此交流系統等值電勢E與交流母線電壓U之間的夾角為0。然后，閥控發出觸發脈沖使直流解鎖，解鎖后的電壓相量關系如圖2(d)所示。解鎖后直流傳輸有功增大，交流母線電壓U與交流系統等值電勢E夾角不再為0，并產生了電壓降落的橫分量。此外，由于直流系統在達到最小解鎖功率運行方式的過程中，吸收的無功數額小于1A+1B無功濾波器發出的無功。因此，在一段時間內，整流站仍會繼續向交流系統倒送無功。此時電流相量仍將超前于交流等值電勢E，而交流母線也將繼續處于一定程度的穩態過電壓。

1.4.1 暫態過電壓與短路比

上一節中分析了交流系統等值電抗即交直流系統強度與交流母線暫態過電壓的正相關關系，而在實際工程上，多用短路比（short-circuit ratio, SCR）來表征交直流混聯電網的系統強度。IEEE指引性文件[3]定義的短路比指標為：

式中，Ssc代表交流母線處短路容量，而PdN代表直流系統的額定有功功率。

將式(1)與式(11)聯立，可得等值阻抗與短路比的關系式：

將上式帶入式(6)，且認為交流系統等值電勢E與交流母線電壓U僅存在相角差，數值均近似為1，則有：

一般來說，整流站的無功補償容量為有功傳輸功率的50%～60%左右，本文計算時取Qc=0.5PdN，值得說明的是，這里的Qc指得是三相總容量。另外，由于不同整流站的無功濾波器配置方案不同，即一組1A+1B無功濾波器發出的無功功率在總容量中的占比是不相同的，因此不同直流計算得出的短路比與暫態過電壓的關系并不一致，下文將以楚穗直流為例，說明短路比與暫態過電壓的關系。楚穗直流中1A+1B無功濾波器發出的無功占總無功的1/6.5，因此有：

為與上述關系作對比，將再給出單極閉鎖與雙極閉鎖的關系：

將式(14)、(15)、(16)分別帶入式(13)中，可得到楚穗直流在直流解鎖、單極閉鎖、雙極閉鎖情況下，短路比與暫態過電壓的定量關系，如圖4所示。由圖可知，暫態過電壓與短路比即系統強度呈負相關關系，即系統強度越弱，暫態過電壓越嚴重。因此，在后文的仿真中，將主要對2017的小方式模型進行仿真，這是由于該方式下送端網架最為薄弱，短路比最小，暫態過電壓現象最嚴重，因此，在該方式下仿真得到的發電廠最小開機臺數方案也是最為保守的，實際開機方案滿足該項限制即可應對所有方式下直流解鎖帶來的過電壓問題。

圖4 楚穗直流SCR與暫態過電壓

圖5 剩余無功容量與暫態過電壓

1.4.2 暫態過電壓與剩余無功容量

在不同系統強度下(SCR=3,5,10,15)計算剩余無功容量與暫態過電壓的關系，得到圖5。可以觀察到，剩余無功容量與暫態電壓之間呈正相關關系，剩余無功容量越大，暫態電壓越高。其中，由于不同直流1A+1B濾波器發出的無功占總無功的比例不同，直流解鎖期間引起的暫態過電壓在圖中為一個區域。

2 考慮直流解鎖過程過電壓的云南送端電廠最小開機方案

本節將對2017年冬季小方式即年最小方式進行仿真。確定直流系統送端電廠的最小開機臺數，并保證直流解鎖過程中的暫態過電壓不超過550 kV[9]。其中，在仿真時刻為2s時投入一組1A+1B無功濾波器，并且全程保持發電機最大進相能力運行。仿真范圍為云南境內的牛從、金中、永富、楚穗、普僑五條直流。另外，本節也對2017年冬季大方式進行了仿真，以作與上述結果的對比驗證。

2.1 牛從直流—溪洛渡電廠開機方案

表1是在2017年冬季小方式與大方式中對牛從直流仿真所得的結果，圖6是小方式中牛寨站交流母線的電壓曲線，圖7是小方式中牛從直流送端電廠開機方案柱狀圖。后四節圖形與表格的含義與本節類似，故不再贅述。

表1 2017年冬季小方式與大方式牛從直流最小開機方案

圖6 小方式牛寨換流站交流母線電壓曲線

圖7 小方式溪洛渡右岸電廠開機方案

2.2 金中直流—梨園、阿海電廠開機方案

圖8 小方式金官換流站交流母線電壓曲線

圖9 小方式金中直流送端電廠開機方案

2.3 永富直流—觀音巖、魯地拉、龍開口電廠開機方案

魯地拉 0龍開口 1

圖10 小方式永仁換流站交流母線電壓

圖11 小方式永富直流送端電廠開機方案

2.4 楚穗直流—金安橋、小灣電廠開機方案

圖12 小方式楚雄換流站交流母線電壓曲線

2.5 普僑直流—糯扎渡電廠開機方案

圖13 小方式普洱換流站交流母線電壓曲線

圖14 小方式糯扎渡電廠開機方案

2.6 數據結果分析

2.6.1 云南直流送端電廠最小開機方案

1）牛從直流解鎖前，溪洛渡電廠需開機3臺及以上，牛寨換流站母線電壓控制在532 kV以內。

2）金中直流解鎖前，梨園、阿海電廠最小開機方案有3種。第一種：2臺、0臺；第二種：0臺、3臺；第三種：1臺、2臺，金官換流站母線電壓控制在535 kV以內。其中，第一種方案為總開機臺數最少。

3）永富直流解鎖前，觀音巖、魯地拉、龍開口電廠最小開機方案有6種。三廠滿足開機總數為2臺及以上即可；永仁換流站母線電壓控制在538 kV以內。

4）楚穗直流解鎖前，金安橋、小灣電廠最小開機方案有5種。二廠滿足開機總數為4臺及以上即可，楚雄換流站母線電壓控制在538 kV以內。

5）普僑直流解鎖前，糯扎渡電廠需開機2臺及以上，普洱換流站母線電壓控制在538 kV以內。

2.6.2 2016年與2017年運行方式云南直流送端電廠最小開機方案對比分析

2016年運行方式云南直流解鎖期間，送端電廠的最小開機方式，圖15是根據數據繪制柱狀對比圖。觀察圖15，可以發現2017年方式的最小開機方案相較于2016年更加樂觀，即其直流期間的暫態過電壓問題得到了緩解。這是由于云南網架建設的不斷完善，使得送端電網強度增大，整流站直流饋入點的短路比指標進一步提升，根據第四節的分析，其暫態過電壓現象可得到有效抑制。

圖15 2016年與2017年云南直流送端電廠最小開機方案對比柱狀圖

大方式下的開機臺數較小方式更加樂觀，而大方式下各直流整流側短路比又大于小方式。因此，其同樣也反映了第4節中暫態過電壓與短路比呈負相關的描述，并證明了本文仿真方法與結果的正確性。

3 結束語

本文首先介紹了直流解鎖過程中的暫態過電壓與穩態過電壓問題，并指出應把防止暫態過電壓越限作為仿真考慮的主要因素。然后給出了暫態過電壓的計算方法并討論了暫態過電壓與短路比、剩余無功容量的定量關系。指出應在低短路比情形下，對發電廠最小開機臺數的問題進行仿真，得出最保守的臺數閾值范圍。最后在BPA2017年南網冬季小方式中進行了仿真，得出了牛從、金中、永富、楚穗、普僑等直流送端電廠的最小開機臺數方案，并與2016年小方式以及2017年冬季大方式的仿真結果作了對比，驗證了仿真方法與結論的正確性。最后，基于該結論指出了2017年小方式下，當牛從、楚穗直流解鎖時，應注意增加其送端電廠的開機臺數，以防交流母線電壓越限。