多馈入交直流系统短路比的定义和应用

第28卷第31期中国电机工程学报Vol.28No.31Nov.5,20082008年11月5日ProceedingsoftheCSEE©2008Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2008)31-0001-08中图分类号：TM71文献标志码：A学科分类号：470⋅40多馈入交直流系统短路比的定义和应用林伟芳，汤涌，卜广全(中国电力科学研究院，北京市海淀区100192)DefinitionandApplicationofShortCircuitRatioforMulti-infeedAC/DCPowerSystemsLINWei-fang,TANGYong,BUGuang-quan(ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China)ABSTRACT:Withthedevelopmentofpowergrid,multi-infeedHVDC(MIDC)embeddedinoneACsystemhasemergedinsouthChinapowergridandeastChinapowergird.Becausethetraditionalshortcircuitratio(SCR)isnotabletoreflecttheinteractionofHVDCsintoaccount,itisurgenttoproposeanewdefinitionofSCRforMIDCsystems.Thepaperdefinedmulti-infeedshortcircuitratio(MSCR)bytheoreticalanalysisandformuladerivation,andprovedthetraditionalSCRwasaspecialcaseofMSCR.Basedonit,adecoupledmodelofMIDCwasproposed,andmulti-infeedcriticalSCR(MCSCR)wasderived,thenthecriteriaofweakMIDCsystemwerepresented.TherelationshipbetweenMCSCRandnodalvoltagesensibilityfactor(NVSF)wasdiscussed.Furthermore,MSCRwasusedtoanalyzeweakMIDCoperationproblems,forexample,voltagestability,transientover-voltage(TOV),andharmonicresonance.Itprovedtheindiceswereeffective,andcanmakecontributiontopowersystemplanningandoperation.KEYWORDS:multi-infeedHVDC;shortcircuitratio;multi-infeedshortcircuitratio;multi-infeedcriticalshortcircuitratio;weakACsystem摘要：随着我国电网的发展，南方电网和华东电网出现了多馈入交直流系统。由于传统短路比不能考虑直流间的相互作用而亟待提出适用于多馈入交直流系统的短路比定义。通过理论分析推导多馈入短路比，证明传统短路比是多馈入短路比的特例。通过提出的多馈入交直流系统的解耦模型推导多馈入临界短路比的函数表达式，证明多馈入临界短路比与电压灵敏因子的等价关系，提出判断多馈入交直流系统强弱的指标。最后，通过理论分析和算例仿真说明利用多馈入短路比指标判断电压稳定、动态过电压、谐波谐振的有效性，证明所提出指标的合理性及在电网规划和运行中的重要作用。基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(937项目)(2004CB217901)。TheNationalBasicResearchProgramofChina(937Program)(2004CB217901).关键词：多馈入高压直流；短路比；多馈入短路比；多馈入临界短路比；弱交流系统0引言高压直流输电在大容量、远距离输电的优势，在我国“西电东送，全国联网”的战略中发挥了重要作用。由于我国资源、生产力分布不均衡，多回直流落点同一个交流受端系统不可避免。目前，天广、三广及贵广I、II4回直流落点广东，葛南、龙政及宜华3回直流落点上海和常州，多馈入交直流系统已在我国南方电网和华东电网中形成。根据规划，到2015年南方电网将有7回或更多的直流落点其中，华东电网将有8回或更多的直流落点其中，将形成世界上落点最多、结构最复杂的交直流输电系统｡交流和直流的相互作用在很大程度上取决于交流系统与所连直流系统容量的相对大小，即短路比指标[1-12]。短路比方法为电力系统规划和运行提供了参考依据，但由于无法考虑多回直流间的相互影响，只适用于单馈入交直流系统，因此亟待提出适用于多馈入交直流系统的短路比定义。文献[13-14]分别以节点阻抗矩阵元素和受到无功扰动后各换流母线的电压变化率反映多馈入交直流系统中各直流间的相互影响，定义了多馈入短路比。然而，由于定义的物理意义不够明确，缺乏理论基础，使目前还没有统一的多馈入短路比定义。同时，如何应用多馈入短路比评价多馈入交直流系统强弱还没有相关的理论分析和判据。因此无论是从理论上还是工程应用上，完善多馈入短路比的定义及提出相关判据对大规模交直流系统的发展规划及安全稳定运行具有十分重大的指导意义。2中国电机工程学报第28卷1短路比通常将单馈入交直流系统中的交流系统用戴维南等值方法简化为一个理想电压源串联等值阻抗，以受端交流系统为例，如图1所示。~−Pd+jQdQcPac+jQacU∠δ|Z|∠θE∠0°图1单馈入交直流系统简化模型Fig.1Simplifiedsingle-infeedHVDCmodel短路比KSCR定义为直流换流母线的短路容量与额定直流功率的比值：2acNSCRdNdN1SUKPPZ==⋅(1)式中：Sac为换流母线的短路容量；PdN为额定直流功率；Z为交流系统的等值阻抗；UN为换流母线的额定电压。如果分别取换流母线额定电压和额定直流功率为电压基准值和功率基准值，短路比还可表示为SCRpu1KZ=(2)如果多回直流落点同一个交流受端系统，则用传统单馈入短路比的定义无法考虑各回直流间的相互影响。得到的结果则偏于乐观。2多馈入短路比通过多端口戴维南等值方法[15]，多馈入交直流系统可简化为图2所示的简化模型。~~~直流系统1直流系统2直流系统n...|Z1n|∠θ1n|Z12|∠θ12|Z2n|∠θ2n−Pd1+jQd1−Pd2+jQd2−Pdn+jQdnI1I2InU1∠δ1U2∠δ2Un∠δnQc1Qc2QcnPac1+jQac1Pac2+jQac2Pacn+jQacn|Z1|∠θ1|Z2|∠θ2|Zn|∠θnE1∠0°E2∠ξ2En∠ξn图2多馈入交直流系统简化模型Fig.2Simplifiedmulti-infeedHVDCmodel类似单馈入交直流系统，在考虑了多回直流间的相互影响后，多馈入短路比KMSCRi定义为acMSCRdeqiiiSKP=(3)式中：i为直流回路编号；Sac为直流馈入换流母线的短路容量；Pdeq为考虑其他直流回路影响后的等值直流功率。各变量均以标幺值计算，假设在包含n回直流回路的多馈入交直流系统中，各回直流注入交流系统的电流分别为I1、I2、…、In，则第j回直流对第i回直流的电压、功率影响分别用ijU、ijS表示为eqeqeqeqeq()ijijjijjiiijiiiiZUIZIZIZZ===(4)eq*eqijijiiijiiZSUIUIZ==*(5)式中Zeqij为从各直流换流母线看进去的等值节点阻抗矩阵Zeq的第i行、j列元素。假设电路均为纯感性，式(5)可写为eq*deqjijijijijijiiZSUIPQZ==+(6)因此等值直流功率Peqi可计算为eqeqdNdN1,eqnijiijjjiiiZPPPZ=≠=+∑(7)式中PdNi为第i回直流的额定直流功率。从式(7)中可看出等值直流功率包含2部分：1）本回直流的额定功率；2）由等值节点阻抗元素及其它直流的额定功率表示的直流间相互作用部分。将式(7)代入式(3)，可得到多馈入短路比：2eqacMSCRdeqdeqeqd1,//iiiiiniiijiijjjiUZSKPPZZP=≠==+∑(8)若以换流母线额定电压Ui为基准电压，则有acMSCRdeqeqdeqd1,1iiniiiiijjjjiSKPZPZP=≠==+∑(9)式(9)推导了多馈入短路比定义，它以等值节点阻抗元素反映与其它直流间的相互影响。除此以外，若对交流系统进行P-Q解耦为/PQUδ⎤∆∆⎡⎡⎤⎡⎤=−⎥⎢⎢⎥⎢⎥∆∆⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦00JPJQUUδ(10)以两馈入交直流系统为例，可得到11112112212222//QBBUUQBBUU∆∆⎡⎤⎡⎤⎡⎤=−⎢⎥⎢⎥⎢⎥∆∆⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦(11)假设∆Q2=0，则有eq12221122eq11ZUBUBZ∆=−=∆(12)第31期林伟芳等：多馈入交直流系统短路比的定义和应用3将式(12)代入式(8)得acMSCRdd,iinjijjijiiSKUPPU=≠=∆+∆∑(13)式中∆Uj/∆Ui定义为多馈入影响因子(multi-infeedinteractionfactor,MIIF)[14]，它表示由于无功扰动∆Qi，其他直流换流母线电压的下降率∆Uj与本回直流换流母线电压下降率∆Ui的比值。式(8)和式(13)得到了多馈入短路比的2种定义。从推导过程来看，2种定义是基本一致的。若在相应直流的换流母线上考虑并联无功补偿的影响，则可定义多馈入有效短路比(multi-infeedeffectiveshortcircuitratio，MESCR)：eqcaccMESCRdeqeqddeq,1/1/iiiiiiniijijiijijiZZSQKPZPPZ=≠−−==+∑(14)accMESCRdd,iiinjijjijiiSQKUPPU=≠−=∆+∆∑(15)3多馈入短路比与传统单馈入短路比的关系以两馈入交直流系统为例，系统模型如图3所示，比较2种极端情况下多馈入短路比和传统单馈入短路比的计算结果，可得出：1）当Z12→∞时。即2回直流间的电气距离无穷大，可看作单馈入交直流系统，有1212112eq1111212limZZZZZZZZZZ→∞+==++(16)1212eq121212lim0ZZZZZZZ→∞==++(17)若都以换流母线额定电压1U为基准电压，则有MSCR11d1SCR1/()KZPK==(18)2）当Z12→0时。即2回直流间的电气距离非常小，可看作直流双极运行，有121211212eq11121212limZZZZZZZZZZZZZ→∞+==+++(19)121212eq12121212limZZZZZZZZZZZ→∞==+++(20)若均以换流母线额定电压1U为基准电压，则有MSCR112d1d2SCR11/[(//)()]=KZZPPK=+(21)~~直流系统1直流系统2−Pd1+jQd1−Pd2+jQd2U1∠δ1U2∠δ2Pac1+jQac1Pac2+jQac2Qc1Qc2|Z1|∠θ1|Z2|∠θ2E1∠0°E2∠ξ2Pac12+jQac12Pac21+jQac21PL1PL2图3两馈入交直流系统简化模型Fig.3Simplifiedtwo-infeedHVDCmodel从以上2种极端情况的计算结果可看出，多馈入短路比的定义中包含了单馈入短路比，单馈入短路比的定义是多馈入短路比定义中的特例。4多馈入临界短路比假设所要研究的直流电流i为定熄弧角控制，其它直流的电流不发生变化，且保持稳定运行。当直流电流i增加时，直流功率随之增加，