0  引言

    特高壓直流輸電（Ultra-High Voltage Direct Current, UHVDC）系統(tǒng)可以提高輸電能力，實(shí)現(xiàn)大功率的中、遠(yuǎn)距離輸電，以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電力系統(tǒng)互聯(lián)，建成聯(lián)合電力系統(tǒng)，提供緊急功率支援從而提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，在我國(guó)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，特高壓直流輸電也帶來(lái)了一些問(wèn)題，例如換相失敗引起輸送功率中斷威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定^[1-3]、引起系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移和重新分布、低次諧波^[4]、次同步振蕩等。因此UHVDC系統(tǒng)故障的動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性是重要的研究問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，UHVDC換流站所在交流電網(wǎng)的強(qiáng)弱程度及UHVDC的控制保護(hù)特性對(duì)UHVDC故障恢復(fù)特性有顯著影響^[5-6]。

    常規(guī)高壓直流輸電換流站無(wú)論是整流站還是逆變站，換流器都需要從系統(tǒng)吸收無(wú)功，消耗的無(wú)功不僅取決于其輸送的有功功率，還與直流系統(tǒng)的控制方式和運(yùn)行方式有關(guān)。對(duì)系統(tǒng)而言，換流站無(wú)功的過(guò)?；蛘卟蛔愣紩?huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓的上下波動(dòng)。直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率平衡由換流器的運(yùn)行狀態(tài)和交流側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償決定。若交流系統(tǒng)較弱，直流輸送功率的調(diào)整變化、換流站濾波器組的投切等都會(huì)導(dǎo)致較大的電壓波動(dòng)，影響直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行^[7]。UHVDC系統(tǒng)故障時(shí)無(wú)功不平衡直接影響換流器的正常換相^[8]，而換流母線上的無(wú)功補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功會(huì)通過(guò)交流系統(tǒng)影響直流系統(tǒng)的故障恢復(fù)^[9]。

    隨著我國(guó)交直流混合電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”特征的逐漸顯現(xiàn)，現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備存在補(bǔ)償能力有限及運(yùn)行不靈活等缺點(diǎn)，因此需要更多的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。通常，可以在連接弱交流系統(tǒng)的換流站或附近的樞紐變電站安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC），能夠提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，穩(wěn)定交流系統(tǒng)電壓，抑制交流濾波器組投切時(shí)換流母線的暫態(tài)電壓波動(dòng)，尤其是在逆變側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償可以降低換相失敗的概率，在直流輸電系統(tǒng)故障時(shí)提供無(wú)功動(dòng)態(tài)電壓支撐。

1  交流系統(tǒng)的強(qiáng)度

    交流系統(tǒng)強(qiáng)弱對(duì)直流輸電系統(tǒng)換相失敗有一定影響。工程上常用短路比SCR作為交流系統(tǒng)強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，即交流系統(tǒng)在直流落點(diǎn)處的短路容量與直流額定輸送功率的比值。短路比越大，系統(tǒng)抵御外界擾動(dòng)的能力越強(qiáng)。

    在單饋入直流輸電系統(tǒng)中，短路比可表示為

    式中，Q_CN為換流站交流母線電壓為額定值時(shí)，由交流濾波器和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)功功率。B_Cpu為交流濾波器與補(bǔ)償電容的等值電納標(biāo)幺值。

    若ESCR<3，則系統(tǒng)較弱。短路比越小，交流系統(tǒng)越弱，越容易發(fā)生換相失敗。

    由上式可知，系統(tǒng)配備一定容量的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，可以增大系統(tǒng)的有效短路比。

    UHVDC換流器運(yùn)行時(shí)要消耗大量無(wú)功，由換流母線上并聯(lián)的交流濾波器與無(wú)功補(bǔ)償電容器提供。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功裕度較小，或需要考慮動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定等時(shí)，需采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償如靜止無(wú)功補(bǔ)償器等。采用無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)直流系統(tǒng)尤其是連接于弱交流系統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，增大系統(tǒng)有效短路比，可以降低系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)反應(yīng)的靈敏度，等效擴(kuò)大系統(tǒng)安全運(yùn)行范圍，維持電壓穩(wěn)定，從而降低換相失敗概率。

2  仿真系統(tǒng)模型

    仿真交流系統(tǒng)使用梧州SVC時(shí)云-廣UHVDC系統(tǒng)在故障下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

    （1）仿真軟件：BPA。

    （2）研究水平年及運(yùn)行方式：2010年豐水期大負(fù)荷方式。

    （3）計(jì)算網(wǎng)架：以《南方電網(wǎng)“十一五”規(guī)劃電網(wǎng)優(yōu)化研究》報(bào)告優(yōu)化調(diào)整的網(wǎng)架為基礎(chǔ)，采用《南方電網(wǎng)“十一五”加裝串聯(lián)補(bǔ)償及無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償工程可行性研究》工作的初步推薦方案，即：桂賢50％串補(bǔ)、柳賀40％串補(bǔ)、玉茂50％串補(bǔ)、墨紅50％串補(bǔ)、文大60％串補(bǔ)。

    （4）穩(wěn)定計(jì)算方式

    在正常運(yùn)行方式下，對(duì)來(lái)賓～梧州500 kV線路梧州側(cè)三相永久故障、云廣直流單極閉鎖故障、和平～楚雄線路和平側(cè)三相永久故障三種典型故障方式，分析不投SVC、投不同容量SVC時(shí)，故障后系統(tǒng)搖擺及電壓波動(dòng)情況。

    在西電東送極限（包括兩廣極限、云廣極限、貴廣極限）方式下，計(jì)算加裝不同容量SVC對(duì)送電能力的影響。

    （5）SVC運(yùn)行情況：梧州SVC在大方式下正常運(yùn)行時(shí)出力為0，容性無(wú)功出力可在0～120 Mvar／0～180 Mvar／0～210 Mvar范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)；其控制策略為保持梧州變500 kV側(cè)電壓在一定水平。

3  仿真結(jié)果及分析

    （1）云廣直流單極閉鎖故障情況分析

    圖1、圖2、圖3是云廣直流單極閉鎖故障后，梧州變電壓波動(dòng)與SVC出力曲線圖，圖4顯示出了是否投入SVC時(shí)的梧州變500 kV側(cè)電壓波動(dòng)情況。

    由上述圖形的對(duì)比可見(jiàn)：

    云廣直流單極閉鎖故障情況下，梧州變電壓下降較大，故障后的振蕩過(guò)程中始終不能恢復(fù)到額定電壓水平；由于梧州SVC控制策略為保持梧州變500 kV側(cè)電壓在一定水平，因此，其無(wú)功備用全部輸出。

    SVC的緊急無(wú)功電源支撐能力可有效提高梧州變電壓恢復(fù)速度，且SVC容量越大恢復(fù)速度越快，可將故障后電壓降幅減小4～6 kV。

    （2）和平～楚雄線路三相永久故障情況分析

    圖5、圖6、圖7是和平～楚雄線路三相永久故障后，梧州變電壓波動(dòng)與SVC出力曲線圖，圖8顯示出了是否投入SVC時(shí)的梧州變500kV側(cè)電壓波動(dòng)情況。

    由上述圖形的對(duì)比可見(jiàn)：

    和平～楚雄線路三相永久故障情況下，直流向交流轉(zhuǎn)移潮流較大，且波動(dòng)較大，導(dǎo)致梧州變(包括整個(gè)西電東送通道上)電壓波動(dòng)較大，由于梧州SVC控制策略為保持梧州變500kV側(cè)電壓在一定水平，因此，SVC裝置的無(wú)功輸出在0和最大值之間振蕩：電壓高時(shí)輸出為0、電壓低時(shí)輸出最大無(wú)功。

    SVC的緊急無(wú)功電源支撐能力可有效提高梧州變電壓恢復(fù)速度，且SVC容量越大恢復(fù)速度越快，且可將故障后電壓降幅減小4～6 kV。

    （3）提高送電能力的分析

    對(duì)不投SVC、投120、180、210 Mvar SVC的不同情況下，南方電網(wǎng)西電東送極限進(jìn)行了校核計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

    計(jì)算結(jié)果表明，在梧州加裝SVC對(duì)西電東送穩(wěn)定水平的提高較??；加裝SVC容量為120 Mvar時(shí)，提高兩廣、云廣、貴廣送電極限分別為70、10、10 MW；加裝SVC容量為180 Mvar時(shí)，提高兩廣、云廣、貴廣送電極限分別為90、30、20 MW；加裝SVC容量為210 Mvar時(shí)，提高兩廣、云廣、貴廣送電極限分別為100、30、30 MW。安裝容量越大，西電東送穩(wěn)定水平的增加幅度越大。

    根據(jù)南方電網(wǎng)西電東送極限計(jì)算結(jié)果：加裝SVC裝置后，送電能力可得到一定程度的提高；且SVC裝置容量越大，送電能力提高越大；但隨著容量的增加，送電能力提高的幅度逐步減小。

    綜上，根據(jù)典型故障穩(wěn)定計(jì)算、西電東送極限計(jì)算以及變電站近區(qū)無(wú)功平衡計(jì)算結(jié)果，從系統(tǒng)專業(yè)來(lái)看，SVC裝置容量選為120、180、210 Mvar均可行；且容量越大，抑制電壓波動(dòng)能力越強(qiáng)、提高送電能力越大。因此考慮補(bǔ)償效果，安裝210 Mvar SVC可以達(dá)到最好的治理效果。

4  結(jié)論

    （1）直流閉鎖故障時(shí)，SVC可以快速抑制換流母線出現(xiàn)的過(guò)電壓。

    （2）SVC容量越大，抑制電壓波動(dòng)能力越強(qiáng)、提高送電能力越大。

    （3）隨著SVC容量的增加，送電能力提高的幅度逐步減小。

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作者信息:

王映祥，陳  遠(yuǎn)，喻  尋

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