直流孤岛送电系统的系统接入技术要求研究_郭小江

(1)
大幅升高。根据图 1 及式(4)，有
式中： Pd 为送端直流功率； Qd 为送端换流站消耗的 无功功率；Udr0 为直流送端空载换相电压；Id 为直 流电流；为直流整流侧触发角；为直流整流侧换 相角；xr 为直流送端等值换相电抗。 将图 1 所示系统进一步简化为戴维南等值电路 形式，送端交流系统输电功率满足：
2 QU12 Q 2U14 U12 (U12 U S )( P 2 Q 2 ) 2 (U14 U12U S )
UU P S 1 sin X 2 Q U S U SU1 cos X
RSC
(2)
(6)
当直流双极闭锁时，Pd 和 Qd 迅速降为 0；由 式(3)可知， 交、 直流系统之间交换的有功功率 P0；
取典型参数 xr15%、α15，若保证系统能够运行 整流侧换流 在正常参数和状态下， 联立式(1)—(4)、 方程及直流电路方程，解得满足直流孤岛送电规模 若送端 系统应具备的最小短路比为 1.9(记为 RSC1)。 孤岛系统较弱、无法满足该短路比要求，则直流系 统无法维持所要求的输电规模。 1.2 送端系统工频过电压对短路比的技术要求 工频过电压包括暂时工频过电压和稳态工频 过电压 流站交流滤波器及无功 补偿装置未切除时，由于发电机及其电压调节器未 动作，且发电机内部电势不突变，换流母线电压将
发电机惯性常数与送端系统电机组为额定出力且功率完全由直流外送若故频率波动呈反比例函数关系故障切除时间与送端障如受端三相短路故障引起直流输电功率下降至系统频率波动呈线性比例函数关系利用本文给出0且持续时间为01s对应交流线路故障切除时的频率波动计算公式可方便地估算出送端交流系间送端系统频率波动范围大约在o42125hz
式中：P 和 Q 分别为交流等值线路传输的有功和无 功功率；为等值线路两端母线电压功角差；US 为 等值系统电势；U1 为换流母线电压；X 为系统等值 电抗。式(1)描述了直流系统自身功率特性；式(2) 描述了交流线路传输功率特性。对于交直流系统， 需同时满足上述约束关系，直流接入的交流系统应 具备承担直流功率的能力，交直流需要相互匹配， 交流系统的静稳极限不应小于交直流系统之间的 功率交换。在忽略线路损耗的情况下，有：
Us E
U10
受端 系统
图1 Fig. 1
直流孤岛送电系统等值电路
Equivalent circuit of DC island sending system
由于本文研究直流送端孤岛问题，如无特殊说 明，列写的直流系统变量均为整流侧对应的变量。 直流系统满足如下方程：
3 Pd (U dr0 cos xr I d ) I d Q P tan[arccos cos cos( ) ] d d 2
第 34 期
郭小江等：直流孤岛送电系统的系统接入技术要求研究
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本文针对上述情况，从直流送电规模、工频过 电压和滤波器投切引起系统电压波动等方面，根据 交直流相互影响机制，研究维持系统安全稳定运行 的送端孤岛接入系统技术要求，并分析了直流孤岛 送电系统的运行特性，研究结果为直流输电工程的 规划设计和安全运行提供技术参考。
0 引言
中国地域辽阔，能源资源和消费分布不均衡。 水能和煤炭资源作为中国发电能源供应的两大支 柱， 多集中在西南和西北地区， 并逐步西移和北移， 而东部沿海地区和中南地区国民经济持续快速发 展，导致能源产地与能源消费地区之间距离越来越 大。直流输电作为成熟、可靠的技术将在其中发挥 重要作用；由于电源基地多处于偏远地区，因此直 流送端系统将可能只由若干个巨型电站与直流换 流站联结构成送端网络，与交流主网连接薄弱，甚 至无电气连接，形成了直流孤岛送电系统。 基于电流源型换流元件的直流输电系统无功 消耗大、控制复杂，需要交流系统的支持。在交直 流系统理论研究和工程应用中，通常采用短路比 (short circuit ratio，SCR)的概念来评估交流系统与 直流系统之间的相对强弱关系，常规直流工程设计 与建设通常要求 SCR 达到 3 以上[1-3]。由于直流整 流站对交流系统电压与无功支撑能力的要求没有 逆变站高，且直流接入孤岛系统的条件与常规系统 存在较大差异，需要结合其特性，对接入系统要求 展开研究。然而，已有交直流接入系统安全稳定研 究大多针对受端系统[4-5]， 对直流接入弱送端系统和 孤岛系统的研究存在较多空白。文献[6-10]对直流 孤岛外送系统稳定控制策略进行了研究，但在系统 规划与运行中仍存在许多问题，特别是构建直流孤 岛送电系统时如何定量评估系统安全稳定水平，对 直流系统、送端电站以及联络线提出何种技术要 求，是迫切需要解决的技术问题。
P Pd Q QC Qd
式中 QC 为交流滤波器和电容器无功出力。
(3)
xT(1),,xT(n)为各变压器等值电抗；xL(1),,xL(m)
为各交流线路等值电抗。
E(1) xd(1) 送 端 弧 岛 系 统 xd(2) xd(3) xT(1) xT(2) xT(3) xL(1) xL(2) xL(m) E1 受 端 系 统
(9)
根据高压直流交流滤波器投切相关规定[15]， 换 流站无功分组投切引起交流母线电压变化应采用 电力系统稳定程序计算，并满足如下要求：投切分 组的暂态电压变化率一般不大于 1.5%~2.0%，应根 据系统条件在规定范围内确定限值。交流系统强弱 程度直接影响交流滤波器分组容量；若交流系统较 弱，会增大滤波器分组数，增加工程建设投资。 在式(9)中，若滤波器总补偿 Qd 取 0.5，Pd 取
1 直流孤岛接入系统对短路比的技术要求
1.1 维持直流孤岛送电规模的短路比技术要求 图 1 给出了直流孤岛送电系统等值电路图，该 系统由 n 台发电机和 n 台变压器构成， 并通过 m 回 并联交 流输 电线路 与直 流换流 站连 接。图 中， (1),, xd (n) 为 各 发 电 机 直 轴 次 暂 态 电 抗 ； xd
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第 32 卷 第 34 期 2012 年 12 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM 71
报
Vol.32 No.34 Dec.5, 2012 ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：47040
文章编号：0258-8013 (2012) 34-0042-08
当选取换流母线电压为基准电压、直流输送功 率 Pd 为基准功率时，送端 SCR 可以表示为
RSC
SSC U12 1 Pd XPd X pu
(4)
式中：SSC 为直流换流母线处的系统三相短路容量；
(n1) xT(n1) xd xd(n) x T (n )
Xpu 为等值电抗 X 的标幺值。对于送端系统，可以
U jX ( P jQ ) (U Q ) j P U S 1 pu 1 U U1 RSC U1 RSC 1
(5)
式(5)中各变量含义与式(2)和(3)的相同，但其 取值为基准容量下的标幺值；为行文简便，暂不从 名称上区分有名值和标幺值，如无特殊说明，后文 所述变量均为标幺值。 根据式(5)，求解可得 SCR 解析表达式：
GUO Xiaojiang1, GUO Qiang2, MA Shiying2, XU Zhengxiong2, ZHANG Yantao2, BU Guangquan2, WANG Chengshan1
(1. Key Laboratory of Power System Simulation and Control (Tianjin University), Nankai District, Tianjin 300072, China; 2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China) ABSTRACT: Facing the security and stability problems in planning and operation of DC island sending system, the minimum short circuit ratio (SCR) required for interconnection was studied in three aspects that were transmission scale, power frequency overvoltage and voltage fluctuation during filter switching. Considering the influence of the generator and transformer reactance, the AC line length for the required SCR was calculated and various influence factors were studied. Meanwhile, based on the unit interaction factor method, the contradiction between the requirements of maximum SCR to avoid sub-synchronous oscillation (SSO) and minimum SCR for interconnection was analyzed by studying the relationship between SCR of the sending system and SSO, and the solution was proposed. Through deriving the frequency fluctuation characteristics of the DC island sending system, the relationship among the frequency fluctuation, generator inertia constant and fault clearing time was demonstrated, which can provide the basis for the selection of generator governor parameters. KEY WORDS: direct current (DC); island system; short circuit ratio (SCR); frequency; sub-synchronous oscillation (SSO) 摘要： 针对直流孤岛送电系统规划与运行面临的安全稳定问 题， 从送电规模、 工频过电压和滤波器投切引起系统电压波 动 3 个方面研究直流孤岛接入系统应具有的最小短路比， 并 考虑发电机和升压变压器电抗影响， 推导出满足短路比要求 的交流线路长度及各因素对短路比的影响程度； 同时， 基于 机组作用系数法， 通过研究送端系统短路比与次同步振荡之 间的关系， 分析了避免次同步振荡所需的送端最大短路比要 求与接入系统最小短路比要求之间的矛盾，提出了解决方 案； 并通过推导直流孤岛送端频率波动特性， 论证了发电机 惯性常数、 故障切除时间与送端系统频率波动的关系， 为送 端发电机调速器参数选取提供依据。 关键词：直流；孤岛；短路比；频率；次同步振荡
文献标志码：A
直流孤岛送电系统的系统接入技术要求研究
郭小江 1，郭强 2，马世英 2，徐征雄 2，张彦涛 2，卜广全 2，王成山 1
(1．电力系统仿真控制教育部重点实验室(天津大学)，天津市 南开区 300072； 2．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192)
Research on System Interconnection Requirements of DC Island Sending Systems
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第 32 卷
交换的无功功率 Q 则等于交流滤波器和电容器实 际发出的无功功率，即 Q U QC(0)，QC(0)为额定
2 1
联立式(4)和(8)得到：
电压下交流滤波器和电容器无功出力大小。 将上述条件代入式(6)可得 SCR 与换流母线电 压之间的关系：
U
Q U1 Pd RSC