云广直流孤岛运行的稳定特性研究.pdf

2010 年 第 4 卷 增刊 1 南 方 电 网 技 术 技术论坛二等奖论文 2010，Vol. 4，Supplement 1 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY Articles of 2nd Grade Award in Forum 文章编号：1674-0629(2010)S1-0007-06 中图分类号：TM712 文献标志码：A 云广直流孤岛运行的稳定特性研究 吴小辰，金小明，赵勇，周保荣，许爱东，陈建斌，樊丽娟 （南方电网科学研究院，广州 510080） 摘要：根据云广直流孤岛运行的实际情况，提出了适用于孤岛运行的稳定判据；对孤岛运行的静态电压稳定问题进行了 分析，提出了适用于孤岛运行的静态电压稳定裕度指标，计算了典型方式的稳定极限和稳定裕度；对线路、机组等元件 N1、N2 和多重严重故障下系统的响应进行了分析，掌握了孤岛系统暂态电压稳定和频率稳定的规律；提出了提高孤 岛系统稳定性的措施建议。 关键词：云广直流，孤岛运行，电压稳定，频率稳定，稳定判据，稳定裕度 On Stability of Islanded Operation of Yunnan-Guangdong UHVDC Project WU Xiaochen, JIN Xiaoming, ZHAO Yong, ZHOU Baorong, XU Aidong, CHEN Jianbin, FAN Lijuan (Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China) Abstract: Firstly, according to the especial status of the islanded operation of Yunnan-Guangdong UHVDC, special stability criteria are proposed for the islanded operation. Secondly, static voltage stability problems are analyzed, static voltage stability margin index is presented, and stability limits and margins are calculated for typical islanded operation conditions. Thirdly, system responses of the islanded system to N1, N2, and other severe faults of lines and generators are studied and its transient voltage and frequency stability characteristics are generally discovered. Finally, suggestions on stability enhancement and security operation for islanded operation are proposed. Key words: Yunnan-Guangdong UHVDC, islanded operation, voltage stability, frequency stability, stability criteria, stability margin 云广直流在规划设计阶段就确定送端孤岛运行 方式将作为云广直流双极运行时的正常运行方式之 一12， “南方电网 2010 年度运行方式报告” 也提出 云广直流双极功率 3 800 MW 以上时，拟安排孤岛 运行3。 由于配套电源远离换流站，云广直流孤岛运行 方式下送端电网十分薄弱，有效短路比很低，对其 孤岛运行方式下系统的稳定特性和相关措施需要进 行深入的研究。本文基于前期系统研究和成套设计 成果基础4，紧密结合系统的实际参数和工程进度 等边界条件，针对孤岛运行可能出现的典型方式， 综合应用 BPA、EMTDC、RTDS 等仿真工具，开展 了全面的潮流稳定计算分析。 1 计算分析考虑的典型运行方式 1.1 孤岛运行接线方式 和平变电站 500 kV 接线为 3/2 接线，其中和楚 甲线和小和线同串，通过断开该串的两个边开关， 将和楚甲线和小和线配串，同时断开和楚乙线，或 者同时断开和楚双线，可以实现和平站与换流站的 电气隔离，实现云广直流送端孤岛运行方式。 孤岛运行主要接线方式图 1 所示。 其中，接线方式 1 为金安桥未投产时的接线方 式，考虑小湾合厂运行，在和平站将和楚甲线和小 和线配串；接线方式 2 是在接线方式 1 基础上考虑 金安桥投产的方式；接线方式 3 是考虑直接开断和 楚双线，同时小湾分厂运行的方式。 1.2 开机方式和直流功率 根据工程投产计划情况，拟定了 20112012 年可能出现的 7 个典型方式，各方式下机组开机和 出力、直流功率情况如表 1 中所示。 2 孤岛系统静态电压稳定分析 2.1 孤岛系统 PV 曲线与极限计算方法 HVDC 系统在输送电力的同时，两侧需要消耗 的无功功率约为直流传输功率的 40%60%56， 这 万方数据 8 南方电网技术 第 4 卷 给交流系统的电压支撑能力带来了压力，使得交直 流系统的电压稳定性问题变得日益突出，也得到了 国内外学者的广泛关注7-10。以往的文献，往往感 兴趣的是和受端交流系统相连的逆变侧，但云广直 流送端孤岛方式下由于功率远距离大容量输送，也 存在突出的电压稳定问题。 当不考虑换流站无功小组的投切时，对于投入 (1) 接线方式 1 (2) 接线方式 2 (3) 接线方式 3 图 1 云广直流孤岛运行接线方式 表 1 孤岛研究典型运行方式 序 号 方式名称 小湾开机 金安桥 开机 直流功 率/MW 接线 方式 1 2010 年孤岛方式 6500 MW 0 MW 3 000 1 2 2011 年孤岛大方 式（无金安桥） 6700 MW 0 MW 4 100 1 3 2011 年孤岛大方 式（有金安桥） 6700 MW 2500 MW 5 000 2 4 2011 年孤岛小方 式（有金安桥） 6400 MW 2400 MW 3 000 2 5 2012 年孤岛大方 式（小湾分厂） 4700 MW 4600 MW 5 000 3 6 2012 年孤岛小方 式（小湾分厂） 4400 MW 4400 MW 3 000 3 7 2012 年孤岛大方 式（小湾合厂） 6500 MW 4500 MW 5 000 2 一定的无功小组数目，采用连续潮流法，可分别得 出相应的 PV 曲线。如考虑直流功率升降过程中无 功小组按一定策略进行投切（Q 模式或 U 模式） ， 则交直流系统的运行点也由投切前无功小组对应的 PV 曲线转移到投切后无功小组对应的 PV 曲线上。 以小湾 6 机 3 线方式为例，考虑触发角正常为 15 度左右，无功负荷随其有功功率变化，无功控制 采用 U 模式，当换流站电压低于 500 kV（标幺值 0.952）时投入无功小组，可以得到楚雄换流站完整 的 PV 曲线如图 2 所示，曲线上有功功率的最大值 即为该方式下的稳定极限。 图 2 小湾 6 机 3 线方式无功控制 U 模式下的 PV 曲线 对于系统无功不足， 电压显著降低的异常情况， 直流触发角最小可以达到 5以减小无功消耗。采 用同样方法， 可以得到相应的 PV 曲线和稳定极限。 与触发角 15情况相比，由于直流的无功消耗可以 减少，稳定极限可以相应地提高。 2.2 孤岛系统静态电压稳定裕度指标分析 南方电网安全稳定计算分析导则中定义静 态电压稳定储备系数为11： zc V c 100% UU K U . （1） 式中：UZ、UC分别为母线的正常电压和临界电压。 并要求静态电压稳定储备标准为： （a）在正常方式 下，KV不得低于10%15%； （b）在特殊方式下， KV不得低于8%。 前述分析可见，由于孤岛系统的PV曲线与换 流站的无功控制密切相关，PV曲线的具体形状非单 调而呈锯齿状，因此上述静态电压稳定储备系数指 标也不适用于孤岛系统。 以图2中的PV曲线为例， A点为电压失稳的临界点，C点的电压储备系数最 高，但是其功率已接近静稳极限，B点的电压储备 系数基本为零，但其功率距离极限功率还有较大的 裕度。 万方数据 增刊 1 吴小辰，等：云广直流孤岛运行的稳定特性研究 9 对于孤岛系统，建议采用正常功率相对于极限 功率的裕度作为衡量静态电压稳定性的指标： cz P c 100%. PP K P （1） 式中：PZ、PC分别为母线的正常功率和极限功率。 2.3 典型方式静态电压稳定裕度分析 根据计算得到的稳定极限，各典型方式的稳定 裕度如表2所示(极限取触发角5，U模式下的稳 定极限)： 表 2 孤岛典型方式静态电压稳定极限和稳定裕度表 运行方式 接线方式 直流功 率/MW 稳定极 限/MW 功率裕 度/% 2010 孤岛方式 6机 3线 3 000 4 900 38.78 2011 大方式 （无 金安桥） 6机 3线 4 100 4 900 16.32 2011 大方式 （有 金安桥） 8机 5线 5 000 5 900 15.25 2011 小方式 （有 金安桥） 8机 5线 3 000 5 900 49.15 2012 大方式 （小 湾分厂） 8机 4线 5 000 5 550 9.91 2012 小方式 （小 湾分厂） 8机 4线 3 000 5 550 45.95 2012 大方式 （小 湾合厂） 10 机 5 线 5 000 6 300 20.63 可见各方式均有一定的功率裕度，其中2012 大方式（小湾分厂）裕度最小，约为9.9%。 3 孤岛系统暂态稳定分析 3.1 暂态稳定分析考虑的故障 孤岛系统暂态稳定分析考虑了以下故障： 1） 机组故障考虑了机组跳闸和失磁故障； 2） 线路故障考虑线路单瞬、单永、无故障跳 闸、线路故障跳双回； 3） 直流系统故障考虑直流线路故障、单阀组 闭锁、单极闭锁和双极闭锁； 4） 严重故障考虑了交流系统故障情况下主保 护拒动和开关拒动等情况。 3.2 暂态稳定判据 南方电网目前计算中的稳定判据原则上以电 力系统安全稳定导则12和南方电网安全稳定计 算分析导则 为依据。 考虑到孤岛系统的实际情况， 建议沿用目前的暂稳、热稳和动稳判据，但在电压 稳定和频率稳定方面采用以下特殊判据： 表 3 孤岛系统特殊稳定判据 稳定性 建议判据 采用上述判据的原因 电压 稳定 1） 云广直流整流和逆变侧的 直流电压标幺值低于 0.6 的 时间不超过 1 s； 2）楚雄换流站站用变 10 kV 侧的母线电压标幺值低于 0.8 的时间应不超过 0.5 s； 3） 动态过程平息后楚雄换流 站母线电压应恢复到 485 550 kV。 1）为避免直流的低电压保护 （27DC）动作； 2）为避免楚雄换流站站用电 系统在低电压下运行异常导 致直流闭锁， 3）略高于设计考虑的楚雄换 流站交流母线正常连续运行 电压范围为 475550 kV。 频率 稳定 暂态过程中频率应在 45 55 Hz 的范围内，动态过程 平息后频率应恢复至 49.0 50.5 Hz 范围内。 小湾机组在频率小于 45 Hz 时机组跳闸停机；机械过速 151%，电气过速 136%时停 机； 电气过速 140%时停机落 门。另考虑了云广直流的设 计规范、二次系统的一般测 量范围。 3.3 孤岛系统暂态稳定总体特征 多数故障情况下孤岛系统都可以稳定，只是在 部分严重故障情况下系统有可能电压或频率失稳， 失稳的故障情况如表4所示。 孤岛系统发生不同的故障，系统主要有以下特 征： 1） 孤岛系统发生交流线路单瞬故障或直流线 路故障再启动成功，系统可以稳定运行