陈 虎，贺 洋，张英敏，李兴源，王渝红，赵 睿

(1.四川大学电气信息学院，成都 610065;2.重庆市电力公司永川供电局，永川 402160)

高压直流输电因为其在大容量、远距离输电的优势，在我国“西电东送”战略中发挥了重要作用。四川水力资源丰富，是西电东送的水电基地。到2012年四川电网将形成全世界独有的1000 kV特高压交流、500 kV超高压交流、±800 kV特高压直流和±500 kV高压直流的交直流混联系统。多回直流输电送端落点集中使得系统的相互作用更加复杂，带来了许多特殊问题［1～9］。

文献［10～12］利用多馈入相互作用因子和多馈入短路比等指标，对南方电网和华中 －华东电网多馈入直流系统进行了稳定性分析，但四川电网是典型的直流输电系统送端多落点，与上述受端多落点不同，送端交流线路短路、大容量发电机退出运行和直流系统紧急停运等典型送端故障，都会对四川电网正常运行造成影响。因此十分有必要对四川电网多回直流输电系统的交互影响进行分析。文献［13］针对四川电网所在的西南水电基地系统的稳定性进行了仿真分析，但并未结合交直流互联系统的量化分析指标对交互影响进行量化分析。

本文针对四川电网2012年丰大运行方式，利用多馈入相互作用因子、多送出运行短路比、折算功率影响因子等量化分析指标和故障下的直流功率相互支援对四川电网多送出直流输电系统进行交互影响分析。

1 2012年四川电网概况

2012年四川电网外送电分散，分别向西北、华中和华东三大电网送电，且输送方式和电压等级都较为复杂:1号断面通过德阳-宝鸡500 kV高压直流向西北电网输电;2、4号断面通过广安-万县、洪沟-板桥500 kV超高压交流向华中电网输电;3号断面通过雅安-荆门1000 kV特高压交流向华中电网输电;5、6号断面通过复龙-南汇、锦屏-苏州800 kV特高压直流向华东电网输电。1-6号断面共同形成特有的复杂交直流混合互联输电系统。如图1所示。

三条直流系统的送端换流站落点于较为集中的同一地区电网，存在耦合关系，交互影响复杂［13］。本文将这种具有送端多落点特点的系统定义为多送出直流MSDC(multi-send DC)输电系统。三条直流的基本情况如表1所示。

表1 2012年四川电网3条直流基本情况Tab.1 Basic conditions of 3 HVDC lines of 2012 Sichuan power grid

图1 2012年四川电网Fig.1 2012 Sichuan power grid

2 量化评估指标

2.1 多馈入相互作用因子MIIF

对于多条直流输电系统，直流与直流之间的相互作用不容忽视。由CIGRE WG B4工作组提出了用于衡量多条直流系统中各换流站之间电压交互作用的指标: 多馈入相互作用因子MIIF(multi-infeed interaction factor)。它反映了任意两个换流站之间电气耦合的紧密程度，可作为描述换流站之间电气距离的量化指标。其定义如下:

式中:ΔUi是原直流系统在额定功率下运行，在其换流站换流母线上投切一个并联无功功率支路，造成其换流母线电压阶跃变化的变化量(以百分数表示，通常为1%);ΔUj是待考察一回直流输电换流站换流母线电压变化量响应值(以百分数表示)。

2.2 多馈入短路比MSCR

交直流相互作用强度的大小，主要取决于交流系统相对于直流系统容量的相对强弱，所以通常用短路比来评估交直流相互作用。对于单条直流系统，传统短路比SCR(short circuit ratio)和有效短路比ESCR(effective short circuit ratio)已有明确定义［3］。但在多条直流系统同时运行的情况下，传统的短路比和有效短路比因不能计及直流与直流之间的相互作用而使得计算结果偏于乐观。文献［14］给出了考虑多条直流通过交流电网的相互作用和影响后，直流系统 i的多馈入短路比MSCR(multi-infeed short circuit ratio)和多馈入有效短路比MESCR(multi-infeed effective short circuit ratio):

式中:Saci为换流站 i换流母线处三相短路容量;QCNi为当换流站i交流母线电压为额定值、直流功率为额定值时，换流站交流滤波器和并联电容器提供的三相基频无功功率总和;PdNi、PdNj为直流系统i、直流系统 j额定容量，MIIFj，i由定义(1) 得到。

2.3 多送出运行短路比MOSCR

由定义可知，MESCR计算公式中的各变量，都是在直流系统处于额定运行状态下得到的。但是当直流降功率运行或运行方式改变时，传统的多馈入短路比难以正确反映系统的实际运行状态，所以有必要提出适用于不同运行方式且用于评估多送出直流系统的多送出运行短路比MOSCR(multi-send operating short circuit ratio)，多送出运行有效短路比MOESCR(multi-send operating effective short circuit ratio):

式中:Saco_i为整流站i换流母线处在系统对应运行方式下的三相短路容量;Qco_i为整流站交流滤波器和并联电容器提供的实际无功功率;Pdi、Pdj为直流系统 i、直流系统 j的实际运行容量。MIIFj，i中 ΔUi是原直流系统在某方式下运行，并按实际的换流母线电压水平和无功控制方式在其整流站换流母线上投切一个并联无功功率支路，造成其换流母线电压阶跃变化的变化量(以百分数表示，通常为1%);ΔUj是待考察一回直流输电整流站换流母线电压变化量响应值(以百分数表示)。

2.4 折算功率影响因子RPIF

多送出运行短路比综合考虑了各个直流系统的容量及各直流系统间相互作用的影响，能够很好地反映多条直流输电系统中各个直流系统之间的耦合程度。其他直流系统对直流i的影响通过对应的多馈入相互作用因子与其直流运行容量乘积来表示，乘积所得到的功率与直流系统i的容量比值，本文定义为折算功率影响因子RPIF(reduced power influence factor):

式中:Pdi、Pdj、MIIFj，i与定义(5) 相同。

计算多送出运行短路比时，直流系统的折算功率影响因子RPIF越大，则表示当计及其他直流影响时，本直流受其他直流的影响越大，计算得到的多送出运行短路比相对于传统的单条直流短路比下降的就越多。折算功率影响因子能够有效地表征本直流系统受其他直流的影响程度。

3 多送出直流系统交互影响分析

3.1 指标计算及分析

针对四川电网2012年丰大运行方式，利用BPA计算程序，分别在各换流站母线上投切一个并联无功功率支路，造成其换流母线电压阶跃变化1%，考察其它两回直流系统换流站母线电压变化量响应值，可计算得3回直流输电系统整流站多馈入相互作用因子矩阵，如表2所示。

表2 直流换流站MIIF矩阵Tab.2 MIIF matrix of DC converter station

分析数据得出:

①MIIF矩阵为非对称矩阵，原因在于矩阵中的对角元素不仅取决于所对应的两个换流站之间等值阻抗的大小，还受到两个换流母线上以及它们之间的所有其他母线上并联阻抗的影响，在实际的四川电网中，不可能存在对称的并联阻抗，所以计算得出的表2矩阵为非对称阵。

②锦屏和德阳换流站施加1%电压阶跃降落时对复龙换流站作用相对较强，为MIIF3，1=0.363和MIIF3，2=0.224。意味在考虑3回直流输电系统相互作用后，锦屏和德阳换流站的折算功率影响因子RPIF较大，使得在计算两条直流系统的多送出运行有效短路比MOESCR将比传统短路比SCR有较大幅度的减小。

③考察矩阵中德阳换流站一列和复龙换流站一列，MIIF2，1＞ MIIF2，3，MIIF3，1＞ MIIF3，2，说明锦屏换流站故障时德阳、复龙受到影响较于另外一换流站故障时受到的影响大，原因在于锦屏换流站相对于德阳、复龙更靠四川送端电网的西侧，锦屏换流站直流系统的波动更容易对川西电网的交流潮流造成影响，波动影响会沿交流通道影响德阳和复龙换流站。

④2012年四川电网三条直流送端交互作用强度较为合理，锦屏和复龙换流站的电气距离相对较近。

利用BPA计算程序和表2 MIIF矩阵，可计算四川电网3回直流输电整流站的短路容量、传统短路比、有效短路比、多送出运行短路比、多送出运行有效短路比和折算功率影响因子等指标如表3所示。

表3 Sac，SCR，ESCR，MOSCR，MOESCR，RPIFTab.3 Sac，SCR，ESCR，MOSCR，MOESCR，RPIF

分析数据得出:

①由于复龙-南汇直流系统短路容量较小、直流运行功率较大，比较而言复龙换流站的短路比较小。且计及其他直流系统的影响后，由于复龙站的折算功率影响因子RPIF很小，复龙换流站的多送出运行短路比与传统短路比相比较，变化相对较小。复龙 －南汇直流系统多送出运行有效短路比小于2.5，需要考虑采用适当的措施应对电压稳定性问题。

②传统短路比计算结果偏乐观。锦屏、德阳换流站的传统短路比均大于6，而计及其他直流系统的影响后，它们的多送出运行有效短路比相对于传统短路比有大幅下降。这主要是由于锦屏换流站与复龙换流站的交互因子MIIF3，1=0.363较大，且复龙－南汇直流本身容量较大，这样导致锦屏的折算功率影响因子RPIF=77.78% 最大，所以锦屏换流站的短路比下降最为明显。德阳换流站则是因为其自身容量较小和与复龙站相互作用的共同因素，导致短路比下降也较明显。

③从短路比计算值的大小来看，四川电网多送出直流系统中，德阳和锦屏换流站交流系统属于较强系统，复龙换流站交流系统支持相对较差，为最薄弱点，短路比仅为1.834，因此复龙 －南汇直流功率的波动对系统冲击最大。

3.2 直流故障对系统的影响

在评估直流系统对交流系统的稳定性影响时，一个很重要的因素是直流突然闭锁对系统的冲击。在多送出直流系统中直流闭锁会造成送端系统有功过剩，送端发电机机组的电磁功率无法外送，发电机机组加速，功角上升。短路比可以很好地评估这一冲击的大小，一般认为，短路比越大，则直流闭锁对系统造成的冲击越小;短路比越小，则对系统造成的冲击越大，甚至导致功角失稳。以三条直流系统分别发生直流闭锁为例，考察发电机机组功角，曲线如图2所示。

图2 直流闭锁，二滩机组功角Fig.2 DC atresia power angle of Ertan generator

由图2得:复龙－南汇直流双极闭锁使得潮流大规模转移、送端系统功率过剩导致送端系统失稳。德阳换流站多送出运行有效短路比大于锦屏站，因此当两条直流分别发生闭锁时，德阳 －宝鸡直流系统故障对系统影响相对较小。在第一摆过程中，送端发电机功角加速度也是复龙 ＞锦屏 ＞德阳。锦屏换流站的外送直流功率大于德阳换流站的直流外送功率，因此锦屏-苏州直流闭锁后系统的稳定平衡点较德阳-宝鸡直流闭锁后的系统稳定平衡点偏移得更远。

在多送出直流系统中，还可能出现一条直流故障引起另一条直流故障。影响的大小主要取决于两直流换流站之间电气距离和潮流转移大小。在四川电网多送出直流系统中，除复龙-南汇直流双极闭锁使送端系统失稳外，德阳-宝鸡、锦屏-苏州直流分别发生直流闭锁时，送端系统频率和其它各换流站换流母线电压均可稳定在合理水平，没有引发其它相邻直流故障。

3.3 多送出直流系统相互支援

复龙-南汇直流双极闭锁会导致送端系统失稳，大量功率的转移使送端机组的相对功角增大，为缓解送端系统功率过剩问题，提高送端系统稳定性，可利用3条直流系统间的紧急功率支援控制，快速提高直流输电能力和系统稳定性。锦屏 －苏州、德阳-宝鸡直流均为单极运行，2012年实际运行容量距额定输电容量有较大提升空间。图3给出了直流系统功率紧急提升多送出直流系统的稳定曲线。

图3 直流功率紧急控制，二滩机组功角Fig.3 Emergency control of DC power power angle of Ertan generator

复龙-南汇直流双极闭锁后，其它2回直流系统功率分别紧急提升750 MW。由图3得:紧急功率支援控制能够有效改善复龙 －南汇直流系统故障情况下四川电网送端系统稳定水平;直流紧急控制支援应选取距离故障直流系统电气距离较近的直流系统，减少系统因潮流大规模转移带来的电压稳定等问题。查看表2得出锦屏站与发生故障的复龙－南汇直流系统电气距离比德阳站小，电气耦合更紧密，因此锦屏 －苏州直流功率提升效果优于德阳 －宝鸡直流功率提升;锦屏－苏州、德阳－宝鸡两条直流同时采用紧急功率支援控制，系统可更快地恢复稳定、控制效果最优，稳定平衡点偏移相对较小。

4 结论

(1)2012年四川电网三条直流送端交互作用强度较为合理，锦屏和复龙换流站的电气距离相对较近。

(2)从短路比计算结果得出，四川电网多送出直流系统中，德阳和锦屏换流站交流系统属于较强系统，复龙换流站交流系统支持相对较差，为最薄弱点。

(3)短路比越大，直流闭锁对系统造成的冲击越小。德阳 －宝鸡直流系统的多送出运行有效短路比较大，所以其直流系统故障对系统的影响相对较小。

(4)紧急功率支援控制能够有效改善直流系统故障情况下四川电网送端系统稳定水平。选取距离故障直流系统电气距离较近的直流系统实行紧急功率支援，效果优于其他直流系统。

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