卓谷穎，黃曉明，樓伯良， 華 文，葉 琳

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310027）

直流建模對(duì)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(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)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(guò)程中，站內(nèi)換流變分接頭調(diào)節(jié)范圍對(duì)換流器消耗無(wú)功功率的影響，以及站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)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(guò)PSS/E仿真計(jì)算，分析了寧紹特高壓直流輸電對(duì)紹興換流站交流母線(xiàn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響，并驗(yàn)證了建立逆變站詳細(xì)模型對(duì)電壓穩(wěn)定分析的重要性。

特高壓直流；逆變站；無(wú)功補(bǔ)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(jī)組、特高壓遠(yuǎn)距離、交直流并聯(lián)輸電的方向發(fā)展。在遠(yuǎn)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(guò)程往往需要消耗大量的無(wú)功功率，整流站所需的無(wú)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(wú)功補(bǔ)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(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制策略、低電壓減負(fù)荷方案、無(wú)功補(bǔ)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(duì)受端系統(tǒng)進(jìn)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(xiàn)[6]介紹了國(guó)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(xiàn)[7]側(cè)重分析了直流控制方式對(duì)受端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性影響；文獻(xiàn)[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(xiàn)[9-11]在交直流簡(jiǎn)單模型下側(cè)重提出了交直流并聯(lián)系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)；文獻(xiàn)[12]側(cè)重評(píng)估不同直流落點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在進(jìn)行交直流系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析時(shí)，一般都把直流受電系統(tǒng)作為負(fù)荷模型處理，沒(méi)有考慮換流站的無(wú)功特性，而本文則側(cè)重分析逆變站詳細(xì)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(wú)功補(bǔ)償裝置數(shù)量對(duì)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(guò)淮滬特高壓以及賓金特高壓直流受入大量電力，同時(shí)，落點(diǎn)于浙江紹興的寧紹直流將于2016年計(jì)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(wú)功補(bǔ)償裝置的模型及其控制方式），并對(duì)寧紹特高壓直流對(duì)換流站交流母線(xiàn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響進(jìn)行仿真，分析了換流變分接頭調(diào)節(jié)范圍對(duì)換流器消耗無(wú)功功率的影響，以及換流站詳細(xì)建模對(duì)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(xiàn)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(xiàn)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(duì)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(dāng)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(shí)，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(gè)在一定范圍內(nèi)可變的變量，即當(dāng)交流系統(tǒng)電壓US2變化在分接頭可調(diào)范圍內(nèi)時(shí)，換流變可自動(dòng)改變分接頭位置來(lái)維持U2不變，當(dāng)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(wú)功功率Qd2為：

在靜態(tài)電壓穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程中，隨著計(jì)算負(fù)荷增加，換流站交流母線(xiàn)電壓Us2逐漸降低，當(dāng)Us2在換流變分接頭可調(diào)范圍內(nèi)時(shí)，k2根據(jù)分接頭自動(dòng)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(dāng)Us2低于可調(diào)范圍極限時(shí)，分接頭不再自動(dòng)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(shí)，逆變器的功率因數(shù)將有所降低，此時(shí)換流器需要從交流系統(tǒng)吸收更多的無(wú)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(shí)，逆變器消耗的無(wú)功功率基本保持不變；若U2低于分接頭可調(diào)范圍下限時(shí)，逆變器消耗的無(wú)功功率則會(huì)迅速增加，進(jìn)而又將影響母線(xiàn)電壓，因此在靜態(tài)電壓穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程中需對(duì)換流變分接頭調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行準(zhǔn)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(guò)改變和換流變分接頭進(jìn)行控制[1-3]，在達(dá)到極限時(shí)，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(dāng)U2低于換流變分接頭可調(diào)范圍下限時(shí)，根據(jù)式（5）和（6），逆變站吸收的無(wú)功功率也增大。因此，不論在哪種直流控制方式下，當(dāng)交流電壓低于分接頭可調(diào)范圍下限時(shí)，逆變站消耗的無(wú)功功率均增大。

1.2 無(wú)功補(bǔ)償裝置模型及其控制方式

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

（1）絕對(duì)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(mǎn)足時(shí)，則會(huì)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(yùn)行過(guò)程中將交流母線(xiàn)電壓限制在規(guī)定范圍內(nèi)。

（3）無(wú)功交換限制，使系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)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(lái)確定最佳濾波器投入的數(shù)目和類(lèi)型，但不會(huì)直接控制切除濾波器。

（5）無(wú)功/電壓控制（兩者選其一）。無(wú)功控制是為了將換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)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(xiàn)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(wú)功控制。

在靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析過(guò)程中，若直流輸送功率較小，由于此時(shí)站內(nèi)將剩余的電容器組較多，在無(wú)功控制的作用下投入電容器組，則使得站內(nèi)交流母線(xiàn)電壓維持相對(duì)穩(wěn)定而呈現(xiàn)較強(qiáng)的剛性，從而增強(qiáng)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(shí)站內(nèi)剩余的電容器組較少，使站內(nèi)交流母線(xiàn)電壓得不到足夠的無(wú)功支撐，又因?yàn)殡S著電壓下降，已投的電容器組無(wú)功輸出減少，而且換流器消耗無(wú)功功率增大，換流站從交流系統(tǒng)吸收大量的無(wú)功功率，從而導(dǎo)致交流系統(tǒng)的電壓進(jìn)一步惡化，進(jìn)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(shí)，需要考慮站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)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(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)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(fù)荷，求解靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，從而估計(jì)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度。靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限是指負(fù)荷緩慢增加導(dǎo)致母線(xiàn)電壓下降，達(dá)到電力系統(tǒng)所承受負(fù)荷增加能力的臨界值[12-15]。

本文則采用負(fù)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(fù)荷以及區(qū)外的發(fā)電機(jī)出力，隨著負(fù)荷的增加，系統(tǒng)的運(yùn)行方式逐漸惡化，電壓不斷降低，直到達(dá)到電壓崩潰點(diǎn)。

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(yùn)行點(diǎn)的功率值。

由式（7）可得，Kp相當(dāng)于在靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限時(shí)的負(fù)荷增長(zhǎng)率。

在研究寧紹特高壓直流對(duì)換流站交流母線(xiàn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響時(shí)，不斷增加浙江電網(wǎng)負(fù)荷和省外的機(jī)組出力，此時(shí)電網(wǎng)交流電壓不斷下降，得出電壓失穩(wěn)的臨界點(diǎn)，最終獲得換流站交流母線(xiàn)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(jì)算工具

以浙江電網(wǎng)2016年夏季高峰作為研究背景，屆時(shí)將有賓金以及寧紹2回特高壓直流落點(diǎn)于浙江電網(wǎng)，賓金直流落點(diǎn)于特高壓金華換流站，寧紹直流落點(diǎn)于特高壓紹興換流站（簡(jiǎn)稱(chēng)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(jì)算工具，賓金和寧紹直流均采用PSS/E中的直流模型，分別計(jì)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(shí)際工程，計(jì)算中2回直流線(xiàn)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(wú)功補(bǔ)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(guò)程中逆變器消耗的無(wú)功功率

由上分析可得，在分析逆變器吸收的無(wú)功功率時(shí)需要對(duì)換流變分接頭的調(diào)節(jié)范圍準(zhǔn)確建模，尤其是調(diào)節(jié)范圍的下限，即換流變最小標(biāo)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(shí)換流變最小標(biāo)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(wú)功功率Qd2與站內(nèi)交流母線(xiàn)電壓U2和換流變最小標(biāo)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(wú)功功率Qd2

如圖2中曲線(xiàn)①所示，當(dāng)交流電壓U2在換流變可調(diào)范圍時(shí)，逆變器消耗的無(wú)功功率Qd2基本維持不變，而造成其波動(dòng)的原因則是因?yàn)閾Q流變的分接頭是分級(jí)調(diào)節(jié)而非連續(xù)調(diào)節(jié)；當(dāng)U2低于換流變可調(diào)范圍下限，即U2＜0.90 pu時(shí)，逆變器消耗的無(wú)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(shí)，此時(shí)k2_min=510/525=0.97，如圖2中曲線(xiàn)②所示，則逆變器消耗的無(wú)功功率Qd2在U2＜0.97 pu時(shí)便開(kāi)始增加，而且比k2_min=0.90時(shí)消耗的無(wú)功功率更多。

3.3 直流模型對(duì)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(yùn)行工況如表2所示，此時(shí)站內(nèi)交直流無(wú)功交換量均能控制在216 Mvar內(nèi)。浙江電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)率ΔP_ZJ%變化時(shí)紹興站交流母線(xiàn)電壓U2變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

當(dāng)寧紹直流輸送功率為8 000 MW時(shí)，隨著負(fù)荷不斷增長(zhǎng)，若紹興站逆變站采用恒負(fù)荷模型，紹興站交流電壓變化如圖3中的①線(xiàn)所示，此時(shí)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(wú)功補(bǔ)償裝置模型，紹興站交流電壓變化則如圖3中的②線(xiàn)所示，此時(shí)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(shí)，站內(nèi)投入了僅剩的1組無(wú)功補(bǔ)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(yùn)行工況

圖3 直流功率為8 000 MW時(shí)，不同控制方式下靜態(tài)電壓的變化

由圖3可得，當(dāng)直流功率為8 000 MW，站內(nèi)剩余的無(wú)功補(bǔ)償裝置只有1組時(shí)，特高壓直流的饋入會(huì)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(wú)功功率，當(dāng)電壓低于0.91 pu時(shí)，其消耗的無(wú)功功率也越來(lái)越大。

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

當(dāng)直流功率為 4 000 MW，隨負(fù)荷增加率ΔP_ZJ%變化時(shí)，紹興站交流母線(xiàn)U2變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。在保證初始狀態(tài)且聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上功率不變的前提下，當(dāng)寧紹直流輸送功率降為4 000 MW，省內(nèi)發(fā)電機(jī)出力增大4 000 MW時(shí)，隨著負(fù)荷不斷增大，若紹興站逆變站采用恒負(fù)荷模型，紹興站交流電壓變化情況則如圖4中的①線(xiàn)所示，此時(shí)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(wú)功補(bǔ)償裝置模型，紹興站交流電壓變化情況則如圖4中的②線(xiàn)所示，此時(shí)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(shí)，站內(nèi)便投入1組無(wú)功補(bǔ)償裝置，使得電壓瞬間抬升，直到站內(nèi)沒(méi)有剩余的無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，隨著負(fù)荷繼續(xù)增大，電壓穩(wěn)定功率達(dá)到了極限。

圖4 直流功率4 000 MW時(shí)，不同控制方式下靜態(tài)電壓的變化

由圖4可得，當(dāng)直流功率為4 000 MW，站內(nèi)剩余的無(wú)功補(bǔ)償裝置較多時(shí)，特高壓直流的饋入會(huì)增強(qiáng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力。雖然逆變器本身消耗較大的無(wú)功功率，且無(wú)功裝置的補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償裝置，因而增強(qiáng)了對(duì)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(wú)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(wú)功功率以及無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)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(duì)換流器消耗的無(wú)功功率也有一定影響，因此在分析過(guò)程中需要對(duì)逆變站詳細(xì)建模。

當(dāng)換流站交流母線(xiàn)電壓變化范圍在換流變分接頭可調(diào)范圍內(nèi)時(shí)，逆變器消耗的無(wú)功功率基本維持不變；當(dāng)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(shí)，逆變器消耗的無(wú)功功率將會(huì)增加，而且當(dāng)換流變分接頭可調(diào)范圍越小，換流器消耗的無(wú)功功率則越多。

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

當(dāng)直流輸送功率較高時(shí)，由于逆變站剩余的電容器較少，而且已投入電容器組無(wú)功輸出隨電壓成平方倍減少，同時(shí)換流器消耗的無(wú)功功率也增大，此時(shí)特高壓直流則會(huì)削弱受端系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力；當(dāng)直流輸送功率較低時(shí)，由于逆變站的剩余濾波器較多，在換流站無(wú)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(qiáng)了受端系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定能力。

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（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?yàn)榻恢绷麟娏ο到y(tǒng)分析計(jì)算。