多馈入交直流混合电力系统研究综述

第33卷第17期电网技术Vol.33No.172009年9月PowerSystemTechnologySep.2009文章编号：1000-3673（2009）17-0024-07中图分类号：TM721.3文献标志码：A学科代码：470·4051多馈入交直流混合电力系统研究综述邵瑶，汤涌（中国电力科学研究院，北京市海淀区100192）ResearchSurveyonMulti-InfeedAC/DCHybridPowerSystemsSHAOYao，TANGYong（ChinaElectricPowerResearchInstitute，HaidianDistrict，Beijing100192，China）ABSTRACT:Inmulti-infeedAC/DCpowersystem,duetotheparalleloperationofACandDCtransmissionlinesandcloserelectricaldistancesamongDCconverterstations,theACandDCpowersystemsaswellassubsystemsofDCsystemdointeract,itbringsnewdemandtocontrolandprotectionstrategiesformulti-infeedAC/DCpowersystem.Inthispaperanoverviewonpresentsituationoftheresearchoncommutationfailures,post-faultrecoveryofDCsystem,angle/voltagestabilityofpowersystem,interactionofharmonicsandsoonisgiven,andthefeaturesanddefectsofexistingcontrolandprotectionstrategiesarepointedout.Theconclusionofthisresearchisavailableforreferencetotheresearchonmulti-infeedAC/DCpowersysteminfuture.KEYWORDS:multi-infeedAC/DChybridpowersystem；commutationfailure；faultrecovery；powerstability；voltagestability；interactionofharmonics摘要：在多馈入交直流混合电力系统中，由于交直流输电线路并列运行且多个直流换流站间电气距离较近，交直流系统间、直流子系统间相互影响，对多馈入交直流混合电力系统的控制和保护策略提出了新要求。文章概述了多馈入交直流混合电力系统中换相失败、直流系统故障后的恢复、电力系统功角/电压的稳定性、谐波的相互作用等问题的研究现状，指出了现有控制和保护策略的特点及不足，可为今后多馈入交直流混合电力系统的研究提供参考意见。关键词：多馈入交直流混合电力系统；换相失败；故障后恢复；功角稳定；电压稳定；谐波的相互作用0引言直流输电由于其输电距离不受同步运行的稳定性限制、输送容量大、损耗小、功率调节迅速灵基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2004CB217901)。TheNationalBasicResearchProgram(973Program)(2004CB217901)．活、非同步联络能力强等优点[1]，在大区电网互联、远距离大容量输电及跨海峡送电等方面得到了十分广泛的应用。截止到2008年，世界范围内投建的直流输电工程已达90多项。由于我国能源资源和生产力分布的不均衡，直流输电在我国的能源战略中发挥着巨大作用。根据规划，到2015年，南方电网将有7回或更多的直流线路落点其中，华东电网将有8回或更多的直流输电线路落点其中，届时我国将形成多个超大规模多馈入交直流混合电力系统。与单馈入直流输电系统相比，多馈入直流输电(multi-infeeddirectcurrent，MIDC)在增加系统运行方式的灵活性和扩大输送容量的同时，也增加了系统结构的复杂性。由于多条直流线路落点于同一交流电网，且各换流站间电气耦合紧密、无功消耗大，受端系统接受直流系统馈入的功率高，交直流系统间的相互影响将更加严重。一个直流系统的故障可能影响到另一直流系统的运行，这可能会给整个交直流系统的安全稳定运行带来威胁，同时给交直流混合电网的控制和保护带来诸多变化[2-4]，本文将从以下4个方面来分析现有控制和保护策略的特点：1）换相失败。交直流系统故障可能导致多个换流站同时发生换相失败，故障的严重程度、发生地点及各逆变站间的电气距离等因素均对换相有影响。2）故障后的恢复。故障清除后，交直流系统间及直流子系统间的相互作用或采用不当的协调恢复策略，可能会使多个直流输电子系统在恢复过程中同时或相继发生换相失败。3）电力系统功角/电压稳定性与直流控制的交互作用。它们之间的交互作用有：多个直流输电子系统的控制作用相互影响所导致的小扰动失稳；交第33卷第17期电网技术25流系统发生严重故障时，多回直流控制保护装置动作，可能大幅度降低直流功率甚至闭锁直流系统，从而使交流系统发生电压失稳事故等。4）谐波的相互作用。电气距离接近的换流器之间谐波交互影响很大，现有的针对单馈入直流输电系统的谐波分析方法和滤波方案均不再适用。1换相失败1.1研究内容换相失败是直流输电系统最常见的特有故障之一，它将导致逆变器直流侧短路，使直流电压下降、直流电流增大，若采取的控制措施不当，还会引发后继换相失败，严重时会导致直流系统闭锁，中断功率传输[1]。对于多馈入系统，由于各逆变站之间的电气距离较近，交直流系统中存在着复杂的相互作用，这给换相失败的研究带来重大影响：交流系统发生故障后，是否会导致多个逆变站同时或相继发生换相失败？某一直流系统发生换相失败或闭锁故障后，是否会引发其它逆变站换相失败或闭锁，甚至导致交流系统暂态失稳？换相失败后各逆变站应按照怎样的次序才能最快恢复，恢复时间需要多久？换相失败后，直流系统和交流系统应采取怎样的控制措施才能最大限度地保证系统的安全稳定运行？目前国内外关于这方面的研究[5-7]尚显不足，其中全面了解多馈入直流输电系统换相失败的原因及其影响因素、制定有效的预防控制措施和恢复策略是研究的关键。1.2换相失败的原因及其影响因素在单馈入直流系统的研究中，换相失败的原因已较为清楚，交流电压幅值降低、直流电流突增和交流换相电压过零点相角偏移是导致直流系统发生换相失败的根本原因。直流换相失败的原因在多馈入系统中仍然适用，但与单馈入系统不同的是，对于多馈入直流输电系统，一个逆变站的换相失败故障可能会引发其它逆变站的换相失败，因此逆变站之间的电气耦合关系是影响几个逆变站是否会同时或相继发生换相失败的重要因素[7-9]。除此之外，在多馈入交直流混合电力系统中，系统中的扰动常会激发出一些特殊的系统动态，故障的发生地点及严重程度、交流系统的强度也会影响到多馈入直流输电系统换相失败的发生。文献[10]重点介绍了多馈入系统中影响换相失败的2个因素：电压降低和系统间的电气距离，后者表现为耦合阻抗的大小，并认为逆变侧换流母线间的电气距离越近，则其中某一换流母线瞬时短路时，2个逆变站同时发生换相失败的概率就越大。文献[11]用强耦合临界导纳和弱耦合临界导纳2个指标来描述逆变站之间的相互影响的强弱，交流系统强度、直流系统控制器参数、直流功率输送水平和直流系统换流母线上的负荷特性等因素均会对这2个参数产生影响，用强耦合临界导纳和弱耦合临界导纳来描述几个逆变站之间的电气耦合强度，有利于分析多馈入直流输电系统中逆变站之间是否会同时或相继发生换相失败[8]。文献[9]指出耦合导纳会影响到多馈入直流输电系统中换相失败的发生，其逆变侧相连的交流电源的等值导纳、与各直流输电子系统整流侧相连的交流电源的等值导纳以及与各直流输电子系统相并联的交流传输线导纳均密切相关。文献[7]的研究表明，有效短路比越小、换流站间距离越近，则发生相继/同时换相失败的可能性就越大。文献[12]指出多馈入系统中，逆变站滤波器的某些投切方式会引起谐波不稳定，进而造成逆变侧的换相失败。1.3预防措施目前用于预防换相失败的措施有以下几种[3,8,10,13-17]：1）减小多馈入交互因子。多馈入交互因子(multi-infeedinteractionfactor，MIIF)是CIGREWGB4.41工作组提出的在工程规划阶段用于衡量多馈入直流系统中换流站之间电压交互作用的指标。研究表明[4]，MIIF越小，直流系统发生相继/同时换相失败的可能性就越小。2）增大超前触发角或熄弧角的整定值。增大超前触发角或熄弧角的整定值可防止逆变侧换相失败[13]。采用换流器熄弧角控制，通过快速调整熄弧角的整定值，限制交流母线电压的变化，也可防止换相失败的发生[14]。但增大触发角或熄弧角的整定值将降低直流系统的传输容量，增大换流阀电压、系统消耗的无功功率和换流变压器的额定功率，因此该方法是以降低直流输电系统运行的经济性为代价的[8]。3）提前发出触发脉冲，即减小触发角。当系统检测到交流扰动可能会引发换相失败时，减小触发角、增加换相裕度可避免换相失败的发生[8]。可通过连续实时监测交流侧线电压，分析交流电压的幅值、相角和谐波分量等变量，预测故障期间或故障后在畸变的换相电压下所必需的熄弧角，依此设定触发角[15]。26邵瑶等：多馈入交直流混合电力系统研究综述Vol.33No.174）使用新型直流输电技术。传统的高压直流输电基本采用相控换流器(phasecommutatedconverter，PCC)技术，它只能控制阀的开通而不能控制阀的关断。当受端系统因短路容量不足而未能提供足够的换相电流时，无法保证阀的可靠换相，逆变器易发生换相失败[8]。采用新型换流器可以减少或完全避免这些情况的发生，如电容器换相的换流器(capacitorcommutatedconverter，CCC)可有效减少换相失败发生的概率，可容许存在15%~20%的换相压降而不发生换相失败；电压源换流器(voltagesourcedconverter，VSC)则可以完全避免换相失败的发生[3,16]。5）使用较大的平波电抗器。采用较大的平波电抗器可抑制交流系统故障后交流母线电压降落所引起的直流线路暂态电流的上升，减小换相失败的发生概率，但该方法会增加成本和直流输电系统的响应时间。6）其它方法。除上述方法以外，在多馈入系统中还可采用以下方法：①是采用动态无功补偿装置对直流系统进行无功补偿，增大系统有效短路比，以减少交流电压大幅度下降时换相失败的发生概率[8]；②是改善交流系统的频谱特性，使故障后换相电压的波形含有高频振荡成分，可增加换相过程的电压时间面积，有利于换相成功[17]；③是增强交流系统的强度、降低直流输电系统的额定功率亦可减小逆变器同时换相失败的概率[3,10]。2直流系统故障后恢复在多馈入交直流混合电力系统中，对于交流系统而言，直流输电系统可被看作一个具有快速动态响应的负荷或功率源。交流系统故障切除后直流输电系统的快速恢复有助于缓解交流系统的功率不平衡，提高交流系统的稳定性。但有时过快的直流功率恢复却又可能导致后继的换相失败和交流系统的电压失稳[6]。一般认为，直流系统落点的交流系统强度、故障及恢复期间交流系统的无功特性均会影响到直流系统的故障恢复。文献[18]指出交流系统的强度会影响直流系统的故障恢复速度，而不同的无功补偿方式对交流系统强度有不同的影响程度。通过对目前广泛使用的动态无功补偿设备的分析，发现同步调相机及静止无功电源能够增强交流系统强度，显著改善直流输电系统的动态特性，故障切除后直流系统可以较快恢复；静止无功补偿器在故障恢复期间减弱了交流系统的强度，会延缓整个系统的恢复过程，甚至有可能引起后继的换相失败。直流控制器可以使直流系统在交流系统故障期间输送