交直流电力系统运行的特殊问题

交直流电力系统运行的特殊问题华南理工大学电力学院蔡泽祥[e-mail]13922443321云南曲靖2008.3交直流电力系统运行的特殊问题一、我国交直流电力系统概述二、直流输电系统的特性概述三、交直流电力系统运行的特殊问题一、我国交直流电力系统概述¾根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020年）》，（特）高压直流输电技术将作为重点发展方向。在我国，直流输电作为一种新型的输电形式，传输容量大，线路走廊利用率高，社会的综合效益和企业的经济效益突出。¾随着三峡工程和西电东送战略的实施，我国将在目前的大区和省独立电网基础上形成以特高压、超高压交直流输电为基础的全国统一电网，以实现资源互补和优化。一、我国交直流电力系统概述¾举世瞩目的三峡直流输变电工程¾具有战略意义的西电东送直流输变电工程¾全国联网的“背靠背”直流输电工程三峡直流输变电工程¾2002年12月21日，目前世界最大容量的直流输变电工程——三峡至常州±500kV直流输变电工程在成功实现了1500MW额定功率下带电6小时运行后，单极系统正式由西向东送电。标志着举世瞩目的三峡直流输变电工程取得了重大进展。¾三峡水电站是世界上最大的水电站，装机容量达8200MW，将向华东送电7200MW，向广东送电3000MW，因而以三峡为中心，在方圆l00公里以内将建设三个世界上最大的输送功率为3000MW的整流换流站。三峡直流输变电工程¾除已经建成的葛沪线的葛洲坝换流站外，还将为三常线、三广线和三沪线建设三个整流换流站，在另一端相应将建设三个逆变换流站。西电东送直流输变电工程¾南方电网到2007年，已建成“六交四直”的大通道，四条±500kV直流输电工程：天广1800MW、三广3000MW、贵广3000MW、贵广二回3000MW。¾世界第一条±800kV“云南－广东直流输电工程”将于2009年建成，将成为我国占领国际电力工业制高点，凸显自主创新的标志性工程。¾“十一五”期间，还将实现海南联网，另还将建设2回西电东送交流通道2回，南方电网已成为世界上最复杂的交直流混合输电系统。西电东送直流输变电工程¾西北——川渝HVDC工程¾溪洛渡、向家坝水电工程¾开发澜沧江、怒江、珠江水系及黄河上游水力资源¾仅次于三峡电站的二滩电站全国联网的“背靠背”直流输电工程背靠背BACKTOBACK直流输电是电网互联广为采用措施之一。¾西北——华中背靠背（B/B）联网工程西北电网的主网架是330kV，华中（河南）电网的主网架是220kV，因此该工程是非同步直流工程，换流站设在河南灵宝。¾华北——华中背靠背（B/B）联网工程以三峡为中心的中部电网与华北电网称之谓全国联合电网的中枢，联网采用先交后直的联网方案，起点河北邯郸东，落点河南新乡。全国联网的“背靠背”直流输电工程¾山东——华东背靠背（B/B）联网工程属于周边联网工程，起点山东邹县电厂，落点江苏任庄。¾中俄背靠背（B/B）联网工程中俄直流背靠背联网工程是目前规划建设的我国从境外购电电压等级最高、容量最大的输变电工程。黑河换流站工程是中俄直流背靠背联网工程的重要组成部分，也是该项目的首期工程与俄罗斯远东电网500千伏阿穆尔变电站和黑龙江电网500千伏兴福变电站相联。二、直流输电系统的特性¾直流输电系统的特性主要体现在运行对设备特性、控制要求两个方面。¾控制要求–传输容量和无功功率需求大–交流系统强度有要求–直流控制的快速性和灵活性–电气特性与直流控制的强相关性2.1直流输电系统的特性-设备特性¾直流输电两端的交流系统无需同步运行，其输送容量由换流阀电流允许值决定，输送容量和距离不受两端的交流系统同步运行的限制，有利于远距离大容量输电。¾采用直流输电实现电力系统非同步联网，不增加被联接电网的短路容量，不需要因短路容量问题而更换被联接电网的断路器以及对电缆采取限流措施。2.1直流输电系统的特性-设备特性¾换流器运行时在交流侧和直流侧产生一系列的谐波，为降低谐波的影响，在两侧需分别装设交流滤波器和直流滤波器，使得换流站的占地面积、造价和运行费用均大幅度提高。¾晶闸管换流阀组成的电网换相换流器将吸收大量的无功，除交流滤波器提供的无功外，有时还需装设静电电容器、调相机或静止无功补偿器。2.1直流输电系统的特性-设备特性¾直流输电可利用大地/海水为回路，省去一极的导线，同时大地电阻率低、损耗小。对于双极直流系统，大地回路通常作为备用导线，当一极故障时，可自动转为单极方式运行，提高了输电系统的可靠性。¾单极大地回路将带来接地极地下金属构件、管道等埋的电腐蚀、直流电流通过中性点接地变压器使变压器饱和、以及对通信系统和航海磁罗盘的干扰等问题。当地表面电阻率很高时，接地极址的选择比较困难。2.1直流输电系统的特性-设备特性¾直流断路器没有电流过零点可利用，灭弧问题难以解决，给直流输电中间抽能带来困难，并且使多端直流输电工程发展缓慢。¾由于直流电的静电吸附作用，使直流输电线路和换流站设备的污秽问题比交流输电严重，给外绝缘问题带来困难，这也是特高压直流输电需要研究的重点问题。2.2直流输电系统的特性-控制要求¾交直流电力系统在工作机理、运行方式、电气特征等与传统交流系统有很大差异，具有其特殊性。¾这一特殊性不仅表征在某个特定换流站、变电站或某次事故中，更是在新的电网运行环境下出现的新问题。¾在换流站交流母线间的电气联系较强的情况下，交直流系统之间、直流与直流系统之间的相互作用很强，若系统中出现扰动，交直流的相互竞争可能会导致系统总体性能的明显下降，甚至威胁到系统的安全稳定运行。2.2.1传输容量和无功功率需求大¾直流输电不存在同步稳定性问题，因此更适合大功率远距离输电。500kV交流线路的自然功率为1000MW，通常500kV交流输送的功率小于此值。¾南方电网内直流额定容量：天广1800MW、三广3000MW、贵广3000MW、贵广二回3000MW。故障后直流停运或功率大幅波动可能引发交流线路严重过载。¾正常运行直流需要的无功功率为其输送有功功率的50％～60％。2.2.2对交流系统强度有要求¾交流系统的强度由它的系统阻抗及机械惯量来表征，其系统阻抗的大小由发电机、变压器、输电线和负荷等因素决定。交流系统越弱，其系统阻抗越大，电压产生的波动的可能性也越大。¾对于交流输电系统，限制其输送能力的主要因素是功角稳定和动态无功支持。¾对于直流输电系统，其本身已不存在功角稳定问题，但直流输电系统的输送能力也是有限制的，其决定性因素是所联交流系统的强度。2.2.2对交流系统强度有要求¾交流系统的强度可以通过母线的短路比(ShortCurrentRatio,SCR)，即直流节点处的短路容量与直流的额定功率传输值之比来表示交流系统相对直流系统的强弱。该值与交流系统的等值系统导纳的标么值相对应。¾从两个方面可以把交流系统看成是弱的：(1)交流系统的阻抗较高；(2)交流系统的机械惯性较小。2.2.2对交流系统强度有要求¾从换相的角度，短路比SCR实质上是给出了在直流额定功率下，直流电流与交流系统提供的换相电流之间的比例关系。交流系统越强SCR越大，正常时换相过程越短，其发生换相失败的可能性越小。¾交流系统的强弱是相对于直流系统的输送能力而言的，弱交流可以理解为所联交流系统本身强度较弱或者交流系统发生故障时其强度变得很弱，更为实际的考虑是交流系统发生故障时其强度变弱的情况。2.2.3直流控制的快速性和灵活性¾直流输电的优点之一就是可以通过换流器触发相位的控制来实现快速和多种方式的调节。直流输电的运行方式取决于整流侧和逆变侧换流器的控制方式。¾交流系统本身遵循电路基本定律，因此其潮流分布和电气特性主要取决于电网结构和元件参数。¾交直流系统由于直流运行方式的相对独立性，使得交直流系统的运行与直流控制密切相关。这一要求对传统的电网运行、调度、保护等都提出了一系列新的问题。2.2.4电气特性与直流控制的强相关性¾直流系统是高度可控系统，因此交直流输电系统正常运行及各种扰动下的电气特性与其直流控制特性密切相关。¾交直流输电系统中交直流间的相互作用十分复杂，具有很强的非线性。¾当交流系统较弱或交流系统负荷较重时，系统的运行便可能产生一系列问题，如逆变器发生换相失败、直流系统在扰动后难以快速恢复、产生交流过电压，还可能引起谐波不稳定等问题。2.2.4电气特性与直流控制的强相关性¾直流系统对交流系统中发生的故障相当敏感，当逆变站交流母线电压下降10%-15%时，就将不可避免地导致逆变器换相失败，这意味着直流系统功率输送的短时中断，因此要求这时的直流系统能快速进行自我恢复以缓解交流系统内功率的不平衡。¾直流系统对于交流系统是一种频率不敏感负荷，相应于交流系统中的某一扰动，直流系统本身并不为发电机提供同步功率，相反，它还会对发电机提供负的阻尼转矩。2.2.4电气特性与直流控制的强相关性¾当交流电压下降时，以定熄弧角工作的逆变器的功率因数会下降，继而引起交流电压的下降，并有可能导致交流系统发生电压失去稳定。¾另外，为换流器提供无功补偿的电容器和滤波器也会对交流电压的恢复产生不利影响。2.3特高压直流输电的主要技术特点¾中间不落点，点对点、大功率、远距离直接将电力送往负荷中心。¾可以减少或避免大量过网潮流，按照送受两端运行方式变化而改变潮流。¾电压高、输送容量大、线路走廊窄，适合大功率、远距离输电。¾在交直流并联输电的情况下，利用直流有功功率调制，可以有效抑制与其并列的交流线路的功率振荡，包括区域性低频振荡，明显提高交流系统的暂态、（动态）稳定性。¾当发生直流系统闭锁时，两端交流系统将承受大的功率冲击。三、交直流电力系统运行特殊问题3.1电网层面的协调与控制问题3.2直流固有特殊问题–3.2.1换相失败–3.2.2直流偏磁–3.2.3谐波问题3.3多馈入直流带来的复杂性3.1电网层面的协调与控制问题¾交直流电力系统的运行和控制是一种全新的电网运行环境。传统的以交流电网为中心的电网运行理念应发展成为交直流并重的理念。由此，对电网运行的各个要素：规划、调度、运方、继保、运维等都提出了新的要求。这一方面要求运行人员素质的提高，同时也要求在分析方法和工具等方面有新的发展。¾交/直流输电系统之间的相互影响，特别是在系统受到扰动后的暂态过程中的相互影响，对于整个电力系统运行性能的提高和交/直流输电能力的充分发挥有着重要作用。3.1电网层面的协调与控制问题¾为了提高对系统运行起关键作用的系统稳定性，在交直流并列运行电力系统中，无论交流部分还是直流部分，都需要采取适当措施。¾交流层面为了避免直流输电双极闭锁等严重故障引起交流系统失去稳定，通常要采取切机、切负荷等安全稳定措施；而直流部分，由于其自身所具有的调节快速性、灵活性，也应能在提高整个系统的暂态和动态稳定性方面发挥重要作用。3.1电网层面的协调与控制问题¾受端电网故障是否会发生多回直流逆变站因连续换相失败引起同时闭锁等问题，是否存在大面积停电事故隐患（电压/频率问题）及其预防措施研究。¾交直流系统低频振荡问题和次同步振荡问题–南方电网交直流联合输电系统中的潜在次同步振荡（自激）问题¾故障后直流输电系统的协调恢复控制，如VDCL3.1电网层面的协调与控制问题¾直流系统对交流系统的紧急支援–充分发挥直流输电快速调节和过负荷能力，提高并联交流输电系统的暂态稳定性。–研究采用适当的直流输电控制策略，提高受端系统的暂态和电压稳定性。3.2.1换相失败问题¾直流输电系统中，逆变器必须在受端交流系统提供的换相电压支持下才能正常工作。受端交流系统发生的故障会使逆变站交流母线电压的幅值、相位和波形发生变化，可能引起逆变器的换相失败。¾换相失败是逆变器常见的故障，会导致直流电压降低、直流电流增大、交流侧短时开路等后果。若换相失败后控制不当，可能会导致最终的直流闭锁，传输功率中断。换相失败的影响与作用¾逆变侧交流系统故障对直流系统的影响比整流侧严重，主要表现在：故障期间由于换相电压的降低，使直流输送功率也相应降低；当换相电压发生瞬间迅速下降和相位变化、破坏了逆变