卓谷穎，黃曉明，樓伯良， 華 文，葉 琳

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310027）

直流建模對靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的影響

卓谷穎1，黃曉明1，樓伯良1， 華 文1，葉 琳2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310027）

介紹了逆變站的模型及其控制方式，分析特高壓直流受端系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定過程中，站內(nèi)換流變分接頭調(diào)節(jié)范圍對換流器消耗無功功率的影響，以及站內(nèi)無功補償對受端系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力的影響。結(jié)合2016年華東電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，通過PSS/E仿真計算，分析了寧紹特高壓直流輸電對紹興換流站交流母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響，并驗證了建立逆變站詳細模型對電壓穩(wěn)定分析的重要性。

特高壓直流；逆變站；無功補償；換流變分接頭；靜態(tài)電壓穩(wěn)定

0 引言

電力系統(tǒng)正朝著大電網(wǎng)大機組、特高壓遠距離、交直流并聯(lián)輸電的方向發(fā)展。在遠距離大容量輸電和大區(qū)聯(lián)網(wǎng)方面，高壓直流輸電得到了廣泛應(yīng)用。而換流站在正常工作過程往往需要消耗大量的無功功率，整流站所需的無功功率約為直流功率的30%～50%，逆變站為40%～60%，因此站內(nèi)需要配置大量的無功補償裝置[1-5]。

為了獲得直流受電系統(tǒng)的受電極限以及靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力，并對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制策略、低電壓減負荷方案、無功補償配置以及各種安全穩(wěn)定措施提出相應(yīng)的要求，需要對受端系統(tǒng)進行靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析。

目前已有不少涉及直流模型的靜態(tài)電壓穩(wěn)定研究，文獻[6]介紹了國內(nèi)外有關(guān)單饋入和多饋入直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀；文獻[7]側(cè)重分析了直流控制方式對受端電網(wǎng)動態(tài)電壓穩(wěn)定性影響；文獻[8]側(cè)重分析了不同直流系統(tǒng)控制方式與受端電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的關(guān)系；文獻[9-11]在交直流簡單模型下側(cè)重提出了交直流并聯(lián)系統(tǒng)相關(guān)指標；文獻[12]側(cè)重評估不同直流落點對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在進行交直流系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析時，一般都把直流受電系統(tǒng)作為負荷模型處理，沒有考慮換流站的無功特性，而本文則側(cè)重分析逆變站詳細模型，包括換流變分接頭調(diào)節(jié)范圍、逆變器模型、以及站內(nèi)無功補償裝置數(shù)量對受端系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力的影響。

浙江電網(wǎng)作為華東電網(wǎng)典型的受端電網(wǎng)，外受電比例高，目前主要通過淮滬特高壓以及賓金特高壓直流受入大量電力，同時，落點于浙江紹興的寧紹直流將于2016年計劃投產(chǎn)。

因此，基于華東電網(wǎng)2016年規(guī)劃數(shù)據(jù)，充分考慮了逆變站模型（包括逆變器和站內(nèi)無功補償裝置的模型及其控制方式），并對寧紹特高壓直流對換流站交流母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響進行仿真，分析了換流變分接頭調(diào)節(jié)范圍對換流器消耗無功功率的影響，以及換流站詳細建模對電壓穩(wěn)定分析的重要性。

1 逆變站的模型

1.1 逆變器模型及其控制方式

交直流系統(tǒng)的示意如圖1所示。圖中：Us1和Us2分別表示整流站與逆變站的網(wǎng)側(cè)線電壓有效值；U1c和U2c分別表示整流站與逆變站換流變壓器閥側(cè)空載線電壓有效值；T1和T2分別表示整流站與逆變站換流變壓器的變比；Xr1和Xr2分別表示整流站和逆變站每相的換相電抗；Ud1和Ud2分別表示整流站和逆變站極對地直流電壓；Idc表示直流電流；Rd表示直流回路電阻。

圖1 交直流系統(tǒng)

當整流側(cè)采用定功率控制，逆變側(cè)采用定關(guān)斷角控制方式時，直流系統(tǒng)的模型可表示為：

式中：N1，N2分別為整流站和逆變站每極中的換流器數(shù)量；α為整流器的觸發(fā)角；γ為逆變器的關(guān)斷角；Pd1為整流側(cè)直流功率的設(shè)定值。

逆變站換流變的模型可表示為：

式（4）的k2是一個在一定范圍內(nèi)可變的變量，即當交流系統(tǒng)電壓US2變化在分接頭可調(diào)范圍內(nèi)時，換流變可自動改變分接頭位置來維持U2不變，當其超出可調(diào)范圍，k2則不再改變，而U2也將隨著US2變化而變化。

逆變站的功率因數(shù)cosφ2可表示為：

逆變器吸收的無功功率Qd2為：

在靜態(tài)電壓穩(wěn)定計算過程中，隨著計算負荷增加，換流站交流母線電壓Us2逐漸降低，當Us2在換流變分接頭可調(diào)范圍內(nèi)時，k2根據(jù)分接頭自動調(diào)節(jié)而使得U2不變，根據(jù)式（1）—（3），若U2不變，則 Ud2和 Id均不變，根據(jù)式（5）和（6），則和Qd2也將維持不變。

當Us2低于可調(diào)范圍極限時，分接頭不再自動調(diào)節(jié)則k2不變，根據(jù)式（4）則U2下降，又根據(jù)式（2）則Ud2下降，在Idc不變的情況下（直流電流屬于控制變量，其大小取決于整流側(cè)控制器的直流電流設(shè)定值 Idc_ref），根據(jù)式（3）則 Ud1下降；在定直流功率控制作用下，根據(jù)公式（1）則使得直流控制器中的Idc_ref變大，于是 Idc升高，根據(jù)式（5）—（6），在U2變小和Idc變大的同時，逆變器的功率因數(shù)將有所降低，此時換流器需要從交流系統(tǒng)吸收更多的無功功率。

由上述分析可知，若交流電壓U2變化在換流變分接頭可調(diào)范圍內(nèi)時，逆變器消耗的無功功率基本保持不變；若U2低于分接頭可調(diào)范圍下限時，逆變器消耗的無功功率則會迅速增加，進而又將影響母線電壓，因此在靜態(tài)電壓穩(wěn)定計算過程中需對換流變分接頭調(diào)節(jié)范圍進行準確建模。

此外，逆變站的控制方式除了定關(guān)斷角控制，還有定電壓Ud2控制，而Ud2是先后通過改變和換流變分接頭進行控制[1-3]，在達到極限時，定電壓Ud2控制方式便轉(zhuǎn)換為定關(guān)斷角控制方式。整流站的控制方式除了定功率控制，還有定電流控制，若采用該控制方式，當U2低于換流變分接頭可調(diào)范圍下限時，根據(jù)式（5）和（6），逆變站吸收的無功功率也增大。因此，不論在哪種直流控制方式下，當交流電壓低于分接頭可調(diào)范圍下限時，逆變站消耗的無功功率均增大。

1.2 無功補償裝置模型及其控制方式

目前大多數(shù)換流站的無功補償裝置為可投切濾波器組/電容器組?，F(xiàn)代直流無功控制系統(tǒng)全部集成在直流控制系統(tǒng)中，通過投切濾波器/電容器來控制換流器與交流系統(tǒng)之間的無功交換量和交流母線電壓，并進行交流濾波[13-15]。換流站內(nèi)的無功控制通常配置了5個優(yōu)先級的控制方式，從最高優(yōu)先級起依次為：

（1）絕對最小濾波器組控制，該控制方式是為了保證換流站具備最基本的濾波條件，若該條件不滿足時，則會導(dǎo)致?lián)Q流站控制器降直流功率，甚至跳閘。

（2）最高/最低電壓限制，在系統(tǒng)運行過程中將交流母線電壓限制在規(guī)定范圍內(nèi)。

（3）無功交換限制，使系統(tǒng)運行過程中，換流站與交流系統(tǒng)的無功交換功率限制在規(guī)定范圍內(nèi)。

（4）最小濾波器組控制，按照直流輸送的功率、投入的極數(shù)和電壓水平來確定最佳濾波器投入的數(shù)目和類型，但不會直接控制切除濾波器。

（5）無功/電壓控制（兩者選其一）。無功控制是為了將換流站與交流系統(tǒng)的無功交換控制在較小的合理范圍內(nèi)。電壓控制是將換流站交流母線電壓控制在較小的合理范圍內(nèi)。目前大多數(shù)換流站均選擇無功控制。

在靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析過程中，若直流輸送功率較小，由于此時站內(nèi)將剩余的電容器組較多，在無功控制的作用下投入電容器組，則使得站內(nèi)交流母線電壓維持相對穩(wěn)定而呈現(xiàn)較強的剛性，從而增強受端系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力；若直流功率較高，由于此時站內(nèi)剩余的電容器組較少，使站內(nèi)交流母線電壓得不到足夠的無功支撐，又因為隨著電壓下降，已投的電容器組無功輸出減少，而且換流器消耗無功功率增大，換流站從交流系統(tǒng)吸收大量的無功功率，從而導(dǎo)致交流系統(tǒng)的電壓進一步惡化，進而削弱受端系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力。因此，在分析直流潰入系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定時，需要考慮站內(nèi)無功補償裝置的模型及其控制方式。

2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法

根據(jù)《國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算技術(shù)規(guī)范》，可按照保持恒定初始功率因數(shù)的方法按比例增加負荷，求解靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，從而估計當前運行點的電壓穩(wěn)定裕度。靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限是指負荷緩慢增加導(dǎo)致母線電壓下降，達到電力系統(tǒng)所承受負荷增加能力的臨界值[12-15]。

本文則采用負荷增量法求取靜態(tài)電壓穩(wěn)定功率極限，即不斷增加被研究區(qū)域的負荷以及區(qū)外的發(fā)電機出力，隨著負荷的增加，系統(tǒng)的運行方式逐漸惡化，電壓不斷降低，直到達到電壓崩潰點。

靜態(tài)電壓穩(wěn)定功率裕度的定義為：

式中：Pmax為靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限；P0為初始運行點的功率值。

由式（7）可得，Kp相當于在靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限時的負荷增長率。

在研究寧紹特高壓直流對換流站交流母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響時，不斷增加浙江電網(wǎng)負荷和省外的機組出力，此時電網(wǎng)交流電壓不斷下降，得出電壓失穩(wěn)的臨界點，最終獲得換流站交流母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計算工具

以浙江電網(wǎng)2016年夏季高峰作為研究背景，屆時將有賓金以及寧紹2回特高壓直流落點于浙江電網(wǎng)，賓金直流落點于特高壓金華換流站，寧紹直流落點于特高壓紹興換流站（簡稱紹興站）。紹興站配置了16組交流濾波器，配置容量為9× 310+7×290 Mvar。

以PSS/E軟件為計算工具，賓金和寧紹直流均采用PSS/E中的直流模型，分別計算寧紹直流輸送功率為8 000 MW和4 000 MW情況下的靜穩(wěn)裕度。參考賓金實際工程，計算中2回直流線路的整流側(cè)均采用定功率控制，逆變側(cè)采用定關(guān)斷角控制。站內(nèi)的無功補償裝置采用可投切電容電抗器模型，各控制參數(shù)如表1所示。

3.2 靜穩(wěn)分析過程中逆變器消耗的無功功率

由上分析可得，在分析逆變器吸收的無功功率時需要對換流變分接頭的調(diào)節(jié)范圍準確建模，尤其是調(diào)節(jié)范圍的下限，即換流變最小標幺變比。根據(jù)工程初設(shè)參數(shù)，紹興站中換流變網(wǎng)側(cè)額定電壓為510 kV，閥側(cè)額定電壓為162 kV，分接頭位于網(wǎng)側(cè)，分接頭調(diào)節(jié)范圍為471～635 kV（0.90～ 1.21 pu），此時換流變最小標幺變比k2_min=（471/ 162）/（525/162）=0.90。

以輸送功率8 000 MW為例，紹興站逆變器消耗的無功功率Qd2與站內(nèi)交流母線電壓U2和換流變最小標幺變比k2_min的關(guān)系如圖2所示。

表1 紹興站的控制參數(shù)

圖2 不同工況下逆變器消耗的無功功率Qd2

如圖2中曲線①所示，當交流電壓U2在換流變可調(diào)范圍時，逆變器消耗的無功功率Qd2基本維持不變，而造成其波動的原因則是因為換流變的分接頭是分級調(diào)節(jié)而非連續(xù)調(diào)節(jié)；當U2低于換流變可調(diào)范圍下限，即U2＜0.90 pu時，逆變器消耗的無功功率Qd2急劇增加。

若將換流變的可調(diào)范圍的下限值改為510 kV時，此時k2_min=510/525=0.97，如圖2中曲線②所示，則逆變器消耗的無功功率Qd2在U2＜0.97 pu時便開始增加，而且比k2_min=0.90時消耗的無功功率更多。

3.3 直流模型對受端系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響

在靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析前，不同直流功率下的運行工況如表2所示，此時站內(nèi)交直流無功交換量均能控制在216 Mvar內(nèi)。浙江電網(wǎng)負荷增長率ΔP_ZJ%變化時紹興站交流母線電壓U2變化曲線見圖3。

當寧紹直流輸送功率為8 000 MW時，隨著負荷不斷增長，若紹興站逆變站采用恒負荷模型，紹興站交流電壓變化如圖3中的①線所示，此時靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為22.0%；若紹興站逆變站采用逆變器和無功補償裝置模型，紹興站交流電壓變化則如圖3中的②線所示，此時靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為20.1%，圖中在電壓第一次跌至最小電壓限制值0.93 pu/490 kV時，站內(nèi)投入了僅剩的1組無功補償裝置，從而使得電壓瞬間抬升。

表2 不同直流功率下的紹興站運行工況

圖3 直流功率為8 000 MW時，不同控制方式下靜態(tài)電壓的變化

由圖3可得，當直流功率為8 000 MW，站內(nèi)剩余的無功補償裝置只有1組時，特高壓直流的饋入會減弱靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力，原因主要有：

（1）逆變器本身消耗較大的無功功率，當電壓低于0.91 pu時，其消耗的無功功率也越來越大。

（2）站內(nèi)剩余的無功補償裝置較少，而且已投入的無功裝置的補償容量隨電壓下降而急劇減少（補償無功和電壓平方成正比），因而削弱了對受端系統(tǒng)電壓的支撐作用。

當直流功率為 4 000 MW，隨負荷增加率ΔP_ZJ%變化時，紹興站交流母線U2變化曲線見圖4。在保證初始狀態(tài)且聯(lián)絡(luò)線上功率不變的前提下，當寧紹直流輸送功率降為4 000 MW，省內(nèi)發(fā)電機出力增大4 000 MW時，隨著負荷不斷增大，若紹興站逆變站采用恒負荷模型，紹興站交流電壓變化情況則如圖4中的①線所示，此時靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為21.6%；若紹興站逆變站采用逆變器和無功補償裝置模型，紹興站交流電壓變化情況則如圖4中的②線所示，此時靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為24.3%，圖中在電壓每跌至最小電壓限制值0.93 pu時，站內(nèi)便投入1組無功補償裝置，使得電壓瞬間抬升，直到站內(nèi)沒有剩余的無功補償裝置時，隨著負荷繼續(xù)增大，電壓穩(wěn)定功率達到了極限。

圖4 直流功率4 000 MW時，不同控制方式下靜態(tài)電壓的變化

由圖4可得，當直流功率為4 000 MW，站內(nèi)剩余的無功補償裝置較多時，特高壓直流的饋入會增強靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力。雖然逆變器本身消耗較大的無功功率，且無功裝置的補償容量隨電壓下降而急劇減少，但是由于站內(nèi)剩余較多的無功補償裝置，因而增強了對受端系統(tǒng)電壓的支撐能力。

4 結(jié)論

（1）將直流建模和換流站無功策略以及換流變分接頭控制應(yīng)用于靜態(tài)電壓穩(wěn)態(tài)分析后，分析結(jié)果更為合理。

（2）逆變站內(nèi)換流器消耗的無功功率以及無功補償裝置對受端系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析結(jié)果有一定的影響，而且站內(nèi)換流變分接頭調(diào)節(jié)范圍對換流器消耗的無功功率也有一定影響，因此在分析過程中需要對逆變站詳細建模。

當換流站交流母線電壓變化范圍在換流變分接頭可調(diào)范圍內(nèi)時，逆變器消耗的無功功率基本維持不變；當交流電壓電壓持續(xù)下降使得換流變分接頭被調(diào)整至極限時，逆變器消耗的無功功率將會增加，而且當換流變分接頭可調(diào)范圍越小，換流器消耗的無功功率則越多。

（3）換流站內(nèi)剩余電容器組數(shù)對直流受端系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定有一定影響。

當直流輸送功率較高時，由于逆變站剩余的電容器較少，而且已投入電容器組無功輸出隨電壓成平方倍減少，同時換流器消耗的無功功率也增大，此時特高壓直流則會削弱受端系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力；當直流輸送功率較低時，由于逆變站的剩余濾波器較多，在換流站無功控制策略的作用下，電容器組的逐步投入提高了電壓支撐作用，從而增強了受端系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力。

[1]Edward wilson kimbark．Direct circuit transmission[M]．New York：John Wiley&Sons,1971.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3]徐政.交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]劉振亞.特高壓交直流電網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社，2013.

[5]李立浧.特高壓直流輸電的技術(shù)特點和工程應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（24）:5-6.

[6]張建設(shè)，張堯，張志朝，等.交直流并聯(lián)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定研究綜述[J].繼電器，2005，33（2）:79-84.

[7]劉曉明，慈文斌，劉玉田.直流控制方式對受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（4）:69-73.

[8]胡艷梅，吳俊勇.±800 kV哈鄭特高壓直流控制方式對河南電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（21）:147-153.

[9]徐梅梅，李興源，白加林，等.交直流并聯(lián)系統(tǒng)的換流母線電壓穩(wěn)定性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（7）: 6-10.

[10]張堯，張建設(shè).交直流混合系統(tǒng)負荷功率裕度分析[J].電力自動化設(shè)備，2005，25（9）:1-4.

[11]黃弘揚，徐政，許烽.多饋入直流輸電系統(tǒng)短路比指標的有效性分析[J].電力自動化設(shè)備，2012，32（11）:46-50.

[12]毛雪雁，孫黎瀅，徐政，等.浙江特高壓交直流混合電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[J].浙江電力，2010（6）:1-4.

[13]張嘯虎，曹國云.高壓直流系統(tǒng)低功率運行時的無功控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（1）:118-122.

[14]張望，郝俊芳，曹森，等．直流輸電換流站無功功率控制功能設(shè)計[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（14）:72-76.

[15]SVENSSON C，RADBRANDT U.Reactive power compensation of Xiangjiaba Shanghai±800 kV UHVDC transmission project[R].Beijing：ABB，2008.

（本文編輯：楊 勇）

Impacts of UHVDC Transmission System Modeling on the Static Voltage Stabilization Analysis

ZHUO Guying1，HUANG Xiaoming1，LOU Boliang1，HUA Wen1，YE Lin2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310027，China）

The paper introduces the model and control mode of an inverter station and analyzes the impact of converter transformer tap adjusting range on the reactive power of converter during static transmission voltage stabilization of UHVDC power receiver system，as well as the impact of reactive power compensation on the static voltage stabilization capability of power receiver system.Based on the planning data of East China power grid in 2016，the impact of Ningbo-shaoxing UHVDC transmission system on the static AC bus voltage stabilization of Shaoxing converter station is analyzed by PSSE simulation;besides,the importance of building a detailed inverter station model to voltage stabilization analysis is verified.

UHVDC；inverter station；reactive power compensation；converter transformer tap；static voltage stabilization

TM712.1+1

B

1007-1881（2016）06-0006-05

2016-03-08

卓谷穎（1988），女，碩士研究生，研究方向為交直流電力系統(tǒng)分析計算。