徐 蔚，程斌杰，林 勇，徐 政

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

基于多饋入交互作用因子的直流分區(qū)原則和方法研究

徐 蔚1，程斌杰2，林 勇1，徐 政2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

運用 VSC-HVDC對多直流饋入系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)能夠提升受端系統(tǒng)的運行性能。不同分區(qū)方案對系統(tǒng)性能提升程度不同。為了尋找最優(yōu)方案，運用靈敏度分析法對多直流饋入系統(tǒng)的特性進(jìn)行了研究，得到了制定分區(qū)方案的兩個基本原則。在此基礎(chǔ)上提出了基于多饋入交互作用因子的直流分區(qū)方法，進(jìn)而得到受端系統(tǒng)分區(qū)的最優(yōu)方案。以廣東電網(wǎng)2030水平年作為案例，運用該分區(qū)方法對廣東電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)，得到了最優(yōu)分區(qū)方案。運用PSS/E進(jìn)行仿真，驗證了該最優(yōu)分區(qū)方案的有效性。該方案對于實際工程中分區(qū)方案的制定具有指導(dǎo)意義。

多饋入系統(tǒng)；直流分區(qū)；靈敏度分析法；多饋入交互作用因子；分區(qū)方法

0 引言

隨著直流輸電技術(shù)的成熟，直流輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電工程中得到更為廣泛的應(yīng)用，不可避免同一受端系統(tǒng)會饋入多回直流線路。交直流系統(tǒng)以及直流落點之間復(fù)雜的相互作用產(chǎn)生了一系列問題，其中交流系統(tǒng)故障引起多個直流換流站同時發(fā)生換相失敗的問題一直是廣泛研究的課題[1-5]，換相失敗導(dǎo)致受端系統(tǒng)瞬時失去大量直流功率，對于交直流并列輸電通道，換相失敗更會使得潮流大量轉(zhuǎn)移到交流通道而導(dǎo)致整個系統(tǒng)失穩(wěn)。防止換相失敗的一種措施是在交流系統(tǒng)故障期間改變直流系統(tǒng)的控制方式[6-9]，另一種措施是將受端系統(tǒng)分區(qū)，減小分區(qū)之間的電氣耦合程度。受端系統(tǒng)分區(qū)可分為同步分區(qū)和異步分區(qū)，同步分區(qū)指分區(qū)之間同步運行，通過加裝特殊設(shè)備增大分區(qū)之間電氣距離，文獻(xiàn)[10]提出了交流聯(lián)絡(luò)線上加裝故障限流器從而在故障期間減小分區(qū)之間耦合的動態(tài)分區(qū)方法，文獻(xiàn)[11]提出利用儲能設(shè)備對交流系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)的方法，通過儲能設(shè)備的充放電抑制聯(lián)絡(luò)線上的功率搖擺，近似達(dá)到直流輸電中的定功率控制。然而不管是改變直流系統(tǒng)控制方式還是同步分區(qū)，均無法將分區(qū)徹底解耦，仍然存在大故障下多個換流站同時發(fā)生換相失敗的可能性。異步分區(qū)通過VSC-HVDC將受端系統(tǒng)分隔成異步運行的小區(qū)[12-14](本文稱為直流分區(qū))，分區(qū)之間基本無耦合，能夠徹底防止分區(qū)之間換流器同時發(fā)生換相失敗的問題，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流分區(qū)具有更廣闊的應(yīng)用前景。

分析交直流系統(tǒng)穩(wěn)定特性應(yīng)著重考慮交直流相互影響作用，并需要引入一系列指標(biāo)對系統(tǒng)進(jìn)行描述。文獻(xiàn)[15-19]對交直流混合系統(tǒng)的穩(wěn)定特性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[20-21]對交直流系統(tǒng)中的有效短路比(ESCR)、最大輸送功率(MAP)、系統(tǒng)慣性(Hdc)等指標(biāo)進(jìn)行了闡述。對于多直流饋入系統(tǒng)，文獻(xiàn)[22-23]對多直流饋入系統(tǒng)的多直流落點短路比(MSCR)與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[24-25]研究了多饋入交互作用因子(MIIF)的影響因素，文獻(xiàn)[26]提出了換相失敗抵御因子(CFII)的概念，而文獻(xiàn)[27]對描述多直流饋入系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行了分類整理和分析。多直流饋入系統(tǒng)的特性借助這些指標(biāo)得到了一定程度上的描述，本文主要依據(jù) MIIF對系統(tǒng)進(jìn)行描述。多直流饋入系統(tǒng)網(wǎng)架復(fù)雜，對指標(biāo)的計算和分析較為困難，對于多直流饋入系統(tǒng)，采用靈敏度法進(jìn)行計算分析是一種可行的方法[28-29]，此外文獻(xiàn)[30]采用小信號穩(wěn)定性分析對雙直流饋入系統(tǒng)之間的相互影響進(jìn)行研究。

盡管直流分區(qū)已有了相關(guān)研究工作，但目前對于直流分區(qū)應(yīng)用于多直流饋入系統(tǒng)的分析，以及在此基礎(chǔ)上具體直流分區(qū)方法的研究還不多，因此該問題值得深入研究，并且具有實際的工程價值。本文首先對多饋入系統(tǒng)進(jìn)行建模，并運用靈敏度分析法分析了系統(tǒng)參數(shù)對于多饋入交互作用因子的影響，基于以上分析得到了直流分區(qū)的兩條基本原則；其次本文提出了基于多饋入交互作用因子的直流分區(qū)方法以及相應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)，依據(jù)直流分區(qū)的基本原則得到了直流分區(qū)的具體方法和分區(qū)流程；最后本文以2030水平年廣東電網(wǎng)為例，運用提出的直流分區(qū)方法對廣東電網(wǎng)的具體分區(qū)方案進(jìn)行研究和分析，得到了最優(yōu)化方案，通過在PSS/E仿真平臺搭建各方案的模型，仿真驗證了該方案的可行性和基于多饋入交互作用因子的直流分區(qū)方法的有效性。

1 電網(wǎng)直流分區(qū)基本架構(gòu)

直流分區(qū)利用柔性直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)將電網(wǎng)分隔成若干個異步運行的分區(qū)電網(wǎng)，多直流落點系統(tǒng)直流分區(qū)示意圖如圖1所示，其中分區(qū)之間為柔性直流輸電系統(tǒng)，其他為傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)(LCC-HVDC)。

圖1 電網(wǎng)直流分區(qū)基本架構(gòu)Fig. 1 Basic concept of DC-segmentation

利用電網(wǎng)直流分區(qū)技術(shù)對多直流落點系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)能有效提升受端系統(tǒng)的運行性能。首先，直流分區(qū)將故障的影響范圍限制在分區(qū)之內(nèi)，避免了連鎖故障引起的大面積停電，有效減少故障下發(fā)生換相失敗的直流系統(tǒng)數(shù)目；其次，柔性直流輸電系統(tǒng)能夠控制分區(qū)之間的潮流交換，有利于電能交易；再次，電網(wǎng)直流分區(qū)能夠降低受端電網(wǎng)的短路電流水平。

2 多饋入系統(tǒng)描述指標(biāo)及建模

本文將多饋入交互作用因子(MIIF)作為直流分區(qū)的主要依據(jù)，并用以評價直流分區(qū)的結(jié)果。CIGRE B4.41工作組定義了多饋入交互作用因子 MIIF (Multi-Infeed Interaction Factor)[17]，提出的計算式如下

其中：i為自擾動母線；j為觀察母線；△Vi為換流站i交流母線的電壓擾動量，約為1%；△Vj為換流站j交流母線的電壓變化量。

MIIF描述了換流站交流母線之間相互耦合的程度，當(dāng)兩個換流站交流母線完全重合時，耦合最緊密，此時的 MIIF=1；當(dāng)兩個換流站交流母線電氣距離無窮遠(yuǎn)時，相互之間沒有耦合，MIIF=0。一般情況下，MIIF介于0和1之間。以雙直流饋入系統(tǒng)為例，MIIF矩陣如表1所示。

表1 MIIF矩陣Table 1 Matrix of MIIF

為探究直流分區(qū)對系統(tǒng)的影響，本文對雙直流饋入等值系統(tǒng)進(jìn)行分析，主要研究逆變側(cè)，等值系統(tǒng)如圖2所示。逆變站1所在分區(qū)1和逆變站2所在分區(qū)2之間的聯(lián)絡(luò)線通過等值阻抗Z34等效，聯(lián)絡(luò)線母線分別對應(yīng)的交流系統(tǒng)采用戴維南法等效成電壓源E1、E2和阻抗Z12、Z22。換流站母線與聯(lián)絡(luò)線母線之間的等效阻抗用Z11和Z21表示。Bc1、Bc2對應(yīng)于換流站母線上濾波器和電容器的電納。注入換流站母線和聯(lián)絡(luò)線母線潮流為P11+jQ11、P12+jQ12和P21+jQ21、P22+jQ22。本文依據(jù)此雙直流饋入模型，利用靈敏度分析法，探究直流分區(qū)對多直流饋入受端系統(tǒng)的影響。

圖2 雙直流饋入等值系統(tǒng)Fig. 2 Equivalent double-infeed HVDC system

3 分區(qū)原則研究

基于靈敏度法，在圖2所示模型基礎(chǔ)上，研究在系統(tǒng)參數(shù)變化情況下，系統(tǒng)多饋入交互作用因子的變化情況，基于以上規(guī)律，得到直流分區(qū)的基本原則，即1)優(yōu)先分隔電氣耦合程度高(即MIIF值大)的換流站；2)其他條件相同時，優(yōu)先選擇分區(qū)短路比較大的方案。這些基本原則對于直流分區(qū)流程的制定和實際系統(tǒng)分區(qū)方案的確定具有指導(dǎo)作用。

3.1 聯(lián)絡(luò)線阻抗對系統(tǒng)的影響

改變聯(lián)絡(luò)線等值阻抗Z34的大小，運用靈敏度法進(jìn)行計算，分析雙直流饋入系統(tǒng)中MIIF隨聯(lián)絡(luò)線阻抗的變化。換流站1和換流站2之間的多饋入交互作用因子MIIF隨聯(lián)絡(luò)線等效阻抗變化曲線如圖3所示。

由圖3可以看到，隨著聯(lián)絡(luò)線等效阻抗Z34的逐步增大，MIIF2,1和MIIF1,2的值逐漸減小，即兩個換流站母線之間的電壓耦合程度降低，電氣距離增大。從物理機(jī)理上分析，隨著等效聯(lián)絡(luò)線阻抗的增加，兩個換流站所在分區(qū)(分區(qū)1和分區(qū)2)的電氣距離逐漸增大，換流站所處的系統(tǒng)逐漸從強(qiáng)系統(tǒng)變?yōu)槿跸到y(tǒng)。當(dāng)換流站1母線上出現(xiàn)無功下降時，在等效聯(lián)絡(luò)線阻抗較大情況下，該無功更多地由換流站1所在的分區(qū)1來承擔(dān)，而分區(qū)2由于聯(lián)絡(luò)線阻抗較大，提供的無功相對較少，該區(qū)的電壓也下降較少，因此換流站之間MIIF較小，同理對于換流站2也是一樣。直流分區(qū)等效于聯(lián)絡(luò)線阻抗趨于很大的值，由圖2中曲線的趨勢可以看出，對于直流分區(qū)，MIIF的值趨于0。

圖3 MIIF隨聯(lián)絡(luò)線等效阻抗變化曲線Fig. 3 Curve of MIIF as impedance of tie line varies

從以上分析可以看出，直流分區(qū)有利于隔離換流站之間的故障，即通過分隔換流站對，使得某個換流站附近故障時其他分區(qū)內(nèi)的換流站不受影響，從而有效抑制多條直流線路同時發(fā)生換相失敗的可能性。在選擇分區(qū)方案時考慮盡量減小逆變站之間的耦合程度，即減小 MIIF的值，由于直流分區(qū)能最大程度減小換流站之間 MIIF的數(shù)值，因此在確定分區(qū)方案時，優(yōu)先分隔電氣耦合程度高(即 MIIF值大)的換流站。

3.2 等效電源阻抗對系統(tǒng)的影響

同時改變等效電源阻抗 Z12和 Z22的大小(該系統(tǒng)中 Z12=Z22=Z)，運用靈敏度法進(jìn)行計算，分析雙直流饋入系統(tǒng)中 MIIF隨等效電源阻抗的變化，如圖4所示。

圖4 MIIF隨等效電源阻抗變化曲線Fig. 4 Curve of MIIF as equivalent source impedance varies

從圖4可以直觀地看出，隨著等效電源阻抗的增大，區(qū)內(nèi)直流換流站母線之間的電壓耦合逐漸變強(qiáng)，相互之間的影響增加，因此等效電源阻抗的增大總體上惡化了系統(tǒng)的運行特性。分析物理機(jī)理，等效電源阻抗越小，等效電源與換流母線之間的電氣距離越短，當(dāng)換流母線出現(xiàn)無功波動時，電源能夠更迅速更多地提供無功以補(bǔ)償換流母線上的缺額，從而提高電壓穩(wěn)定性，由于該無功波動能夠被電源更快地彌補(bǔ)，使得該波動對其他換流母線的影響也相應(yīng)減小，因此耦合程度下降。

在實際系統(tǒng)中，等效電源阻抗與分區(qū)短路比密切相關(guān)，等效電源阻抗越小，分區(qū)短路比越大，而此時換流站之間耦合程度下降。因此在確定分區(qū)方案時，若其他條件差別不大，優(yōu)先選擇分區(qū)短路比較大的方案。

4 直流分區(qū)方法

包含n個直流換流站的受端等效系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 受端等效系統(tǒng)示意圖Fig. 5 Equivalent receiving system

依據(jù)提出的直流分區(qū)的兩個原則，從降低換流站之間耦合程度以盡量避免多直流同時換相失敗的角度出發(fā)，本文提出一種基于 MIIF最優(yōu)化的直流分區(qū)方法，尋找分區(qū)后系統(tǒng)MIIF總體最小的方案，即最小化L，如式(2)所示，n為受端系統(tǒng)換流站個數(shù)，L反應(yīng)了各換流站之間的平均耦合程度。

直流分區(qū)需要權(quán)衡兩方面問題：其一，分區(qū)后區(qū)間換流站耦合程度降低，區(qū)間換流站一般不會發(fā)生多直流同時換相失??；其二，區(qū)內(nèi)換流站耦合程度上升，區(qū)內(nèi)發(fā)生多直流同時換相失敗的可能性加大?；?MIIF最優(yōu)化的直流分區(qū)方法綜合考慮了這兩方面的因素，以 MIIF來衡量這種耦合程度，最優(yōu)方案的優(yōu)化指標(biāo)為所有換流站之間 MIIF的平均值最小，從而使得受端系統(tǒng)中換流站之間的總體耦合程度下降最多。

以各換流站 MIIF的平均值作為優(yōu)化指標(biāo)可以有效避免某個分區(qū)內(nèi)直流數(shù)目過多的方案，從而降低更多直流出現(xiàn)同時換相失敗的可能性。直流分區(qū)后區(qū)間換流站的MIIF為0，而區(qū)內(nèi)換流站MIIF有所增大，對于某分區(qū)內(nèi)直流數(shù)目過多的方案，MIIF下降為0的換流站對數(shù)較少，優(yōu)化指標(biāo)L相對較大，使得該方案更不易被選擇，從而有效避免了該問題。另外考慮到聯(lián)絡(luò)線數(shù)目最少和行政劃分等原因，分隔兩個特定的換流站時，加裝VSC-HVDC換流站的聯(lián)絡(luò)線是確定的。

值得注意的是，也可以從小到大排列優(yōu)化指標(biāo)L，選擇 L較小的若干個方案作為最優(yōu)分區(qū)方案，在考慮各類實際因素的情況下進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)劃。本文選擇一個最優(yōu)分區(qū)方案為例。

基于MIIF最優(yōu)化的直流分區(qū)方法主要分兩步進(jìn)行。

4.1 選擇候選方案

由于受端系統(tǒng)換流站個數(shù)較多，分區(qū)方案也相應(yīng)較多，在優(yōu)化指標(biāo)L下如果對每個方案進(jìn)行一一計算，則過程復(fù)雜且工作量大，因此首先選擇候選方案。候選方案選擇的整體思路是優(yōu)先分隔耦合程度高的換流站，一方面耦合程度高的換流站極有可能同時發(fā)生換相失敗，另一方面由于被分隔換流站MIIF為0，分隔耦合程度高的換流站能更大程度地降低優(yōu)化指標(biāo) L。結(jié)合以上兩方面，候選方案最大程度地包括了分區(qū)的最優(yōu)方案。

一般情況下，對于換流站 i和換流站 j，MIIFi,j≠MIIFj,i。在選擇候選方案時取

選擇候選方案時，首先求出受端系統(tǒng)各個換流站的MIIF矩陣，根據(jù)式(3)得到每對換流站的Mij。Mij反應(yīng)了換流站之間的耦合程度，本文稱Mij為換流站耦合程度因子，從大到小對 Mij進(jìn)行排序，即按耦合程度對每對換流站進(jìn)行排序。

其次選擇換流站耦合程度因子Mij中前k對換流站作為候選分隔對象，k根據(jù)實際情況而定。若須將受端系統(tǒng)分成j個異步網(wǎng)，則從k對換流站中選擇j對作為被分隔對象，即候選方案，共有種。例如，對于有10個直流換流站的受端系統(tǒng)，Mij共有45個，從高到低取前5個Mij，即k=5。若分成3個異步網(wǎng)，則共有10種候選方案。

考慮特殊情況：對于三個相鄰換流站i、i+1、i+2，如果選取的前k個換流站耦合程度因子中同時包括Mi,i+1，Mi,i+2，即分隔換流站i和(i+1)的同時也分隔了換流站i和(i+2)，此時把Mi,i+1和Mi,i+2分別對應(yīng)的換流站對視為一個換流站對，即分隔換流站i和(i+1)，同時再增加第(k+1)個換流站耦合程度因子對應(yīng)的換流站對作為候選分隔對象。

最后，對候選方案進(jìn)行補(bǔ)充。以上得到的候選分區(qū)方案中，假設(shè)方案1和方案2各分區(qū)內(nèi)直流換流站數(shù)目相同，根據(jù)4.2節(jié)結(jié)果，如果分區(qū)內(nèi)對應(yīng)短路比較小，則分區(qū)內(nèi)換流母線電壓穩(wěn)定性較低，區(qū)內(nèi)換流站耦合程度較高，因此對于分區(qū)短路比較小的候選方案，可考慮進(jìn)一步剔除以減少工作量，具體如式(4)和式(5)所示，如果式(5)成立，則剔除分區(qū)短路比較小的方案，即對于式(4)，若H1,2>0，剔除方案2，若H1,2<0，剔除方案1。

其中：p為分區(qū)數(shù)目；tl為區(qū)內(nèi)換流站個數(shù)，l為分區(qū)編號；A為閾值；SCR為換流站對應(yīng)的短路比。

4.2 確定最優(yōu)方案

對每一種候選方案進(jìn)行直流分區(qū)，相應(yīng)地求出每種方案下的MIIF矩陣，并計算式(2)，得到優(yōu)化指標(biāo)L最小的方案即為最優(yōu)的直流分區(qū)方案?；贛IIF最優(yōu)化的直流分區(qū)方法的流程圖如圖6所示。

5 直流分區(qū)案例

以南方電網(wǎng)2030年規(guī)劃方案為例，基于MIIF最優(yōu)化對廣東省進(jìn)行直流分區(qū)(方案中廣東電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步運行)。廣東省內(nèi)共有10個直流落點，如圖7所示。

5.1 選擇候選方案

利用 PSS/E仿真平臺，計算各換流站之間MIIF，從大到小得到換流站耦合程度因子 Mi,j，取前 4對換流站作為候選分隔對象，分別為 M1,10= 0.656 9，M5,7=0.327 9，M8,9=0.314 0，M6,7= 0.255 9。各換流站編號如圖6所示。依據(jù)4.1節(jié)，對于M5,7和M6,7，分隔換流站6和7即可，此時根據(jù)Mi,j大小引入下一個換流站耦合程度因子 M5,6=0.199 5。從而得到候選分隔對象為：烏東德直流和貴廣直流II換流站對、伊江直流III和溪洛渡直流換流站對、云廣直流I和三廣直流換流站對、天廣直流和伊江直流III換流站對。

將廣東電網(wǎng)分隔成兩個異步網(wǎng)，則共有6種方案，其中方案a：分隔烏東德直流、貴廣直流II換流站對和云廣直流I、三廣直流換流站對，方案b：分隔伊江直流III、溪洛渡直流換流站對和云廣直流I、三廣直流換流站對，這兩種方案均將廣東電網(wǎng)分成了分別含有2個和8個換流站的兩個分區(qū)，根據(jù)分區(qū)流程，計算兩種方案中各換流站的短路比，如表2所示。

圖6 基于MIIF最優(yōu)化的直流分區(qū)方法流程圖Fig. 6 Flow chart of the DC-segmentation method

圖7 2030年廣東電網(wǎng)直流落點分布Fig. 7 DC terminal location of projected Guangdong grid in 2030

根據(jù)式(4)和式(5)，本文閾值A(chǔ)取0，由表2，Ha,b=-15.158 5<0，因此剔除方案a。

表2 兩方案各換流站短路比Table 2 SCR of two schemes

綜上得到5種候選分區(qū)方案，如表3所示。

表3 候選分區(qū)方案Table 3 Candidate DC-segmentation schemes

5.2 確定最優(yōu)方案

依照候選方案，在 PSS/E仿真平臺上用VSC-HVDC柔性直流輸電技術(shù)對廣東電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)，將廣東電網(wǎng)分隔成兩個異步網(wǎng)，并計算分區(qū)后廣東電網(wǎng)的MIIF矩陣。根據(jù)式(2)，利用MIIF矩陣計算得到每種候選方案的優(yōu)化指標(biāo)L，如表4所示。

表4 各候選方案優(yōu)化指標(biāo)LTable 4 Index L of each candidate scheme

分析表 4，可以得到以下三點。a. 各候選方案與未分區(qū)方案進(jìn)行比較，直流分區(qū)后優(yōu)化指標(biāo)L顯著下降，說明各換流站之間的平均耦合程度下降，分區(qū)是合理有效的。b. 方案1和方案2優(yōu)化指標(biāo)L較小，這是因為這兩個方案分隔的兩個異步區(qū)內(nèi)換流站數(shù)目較為均衡，更多的換流站對通過背靠背VSC-HVDC隔開了，換流站之間的總體耦合程度下降。c. 方案4的優(yōu)化指標(biāo)L最大，該方案的1個分區(qū)中只有一個直流換流站伊江直流III，另外9個換流站分布在另一分區(qū)中，從而很有可能引起更多換流站同時發(fā)生換相失敗，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上該方案都較為不合理，因此方案4的優(yōu)化指標(biāo)L最大，即最不可能被選中作為最終方案。

表4中，方案2的優(yōu)化指標(biāo)L最小，因此確定該方案為分區(qū)最終方案。在方案2中，分隔的兩個分區(qū)內(nèi)各有5個換流站，有效降低了更多換流站同時發(fā)生換相失敗的可能性。相比于其他方案(某一分區(qū)內(nèi)換流站數(shù)目較少)，某些故障下該方案可能會有更多換流站換相失敗，但是從總體上分析，即考慮系統(tǒng)各個換流站之間的總體耦合程度，該方案是最優(yōu)的。

5.3 仿真驗證

5.3.1 換流母線故障仿真

考查換流母線故障，基于PSS/E仿真平臺，對于每個候選方案，系統(tǒng)運行至1.00 s時換流母線發(fā)生短路故障，1.10 s后故障切除，統(tǒng)計廣東電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生換相失敗換流站的個數(shù)，以及每個候選方案在最嚴(yán)重故障下廣東電網(wǎng)損失的最大直流功率，如表5所示。

表5 換相失敗換流站統(tǒng)計以及損失最大直流功率Table 5 Number of DC inverters suffering commutation failure and the maximum DC power loss of the grid

分析表 5，可以得到以下兩點。第一，當(dāng)每條換流母線發(fā)生短路故障時，方案2中發(fā)生換相失敗換流站的總和最少，即每個故障下發(fā)生換相失敗換流站的平均個數(shù)最少；分析最嚴(yán)重?fù)Q流母線故障下廣東電網(wǎng)內(nèi)失去的最大直流功率，可以看到方案 2最少。綜合以上兩點，方案2的分區(qū)方案電網(wǎng)在故障下穩(wěn)定性高，為最優(yōu)方案。

第二，大區(qū)大故障，小區(qū)小故障。本文中大區(qū)指換流站數(shù)目較多的分區(qū)，小區(qū)指換流站數(shù)目較少的分區(qū)。例如當(dāng)伊江直流III換流母線發(fā)生短路故障時，對于方案4該故障在其小區(qū)內(nèi)，該區(qū)內(nèi)所有換流站發(fā)生換相失敗，即便如此，總共只有1個換流站(即該換流站)換相失?。欢?dāng)云廣直流I換流母線發(fā)生故障，由于該故障位于方案4的大區(qū)內(nèi)，更多換流站發(fā)生了換相失敗，總共有8個，更多有功功率的瞬間缺失加大了系統(tǒng)崩潰的可能性。另外方案3也有類似現(xiàn)象，由表5可看出這些方案在最嚴(yán)重故障下失去的最大直流功率也較多。這些分區(qū)方式在某些故障下發(fā)生換相失敗的換流站數(shù)目較多，瞬間失去較多直流功率，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行影響大，由第5節(jié)分析，這些分區(qū)方案的優(yōu)化指標(biāo)L也相應(yīng)較大，被選擇為最終方案的可能性相對較小，這也驗證了本文分區(qū)方法的有效性。

5.3.2 線路故障仿真

考慮到故障發(fā)生的隨機(jī)性，在受端系統(tǒng)中按區(qū)域的分布平均選取11條雙回線路，基于PSS/E仿真平臺分別作故障仿真，即1.00 s時一回線路發(fā)生三相短路故障，1.10 s時切除該回線路，并統(tǒng)計系統(tǒng)中發(fā)生換相失敗的換流站數(shù)目。在每種候選方案下，11條雙回線路分別發(fā)生故障時，換相失敗的換流站數(shù)目統(tǒng)計如表6所示。

表6 換相失敗換流站數(shù)目統(tǒng)計Table 6 Number of DC inverters suffering commutation failure

分析表6，盡管在某些線路故障下方案2發(fā)生換相失敗的換流站數(shù)目多于某些其他的方案，但考察所有選擇線路分別故障下發(fā)生換相失敗的換流器數(shù)目之和，則方案2的數(shù)目比其他分區(qū)方案少，說明方案2是總體最優(yōu)的方案，這種分區(qū)方案是合理的。

另外可以看到，大區(qū)系統(tǒng)較強(qiáng)，遠(yuǎn)離換流站的線路故障時發(fā)生換相失敗的換流站數(shù)目少。一般情況下大區(qū)內(nèi)換流站對應(yīng)等效系統(tǒng)的短路比較大，由4.2節(jié)分析可以看出，此時各換流站換流母線的互相耦合程度下降。當(dāng)故障發(fā)生點距離換流站較近時，電壓跌落較大，多條直流必然發(fā)生換相失??；而當(dāng)故障發(fā)生點距離較遠(yuǎn)時，由于大區(qū)內(nèi)電壓穩(wěn)定性高，換流母線耦合程度低，各換流站換流母線上電壓跌落反而較低，發(fā)生換相失敗的換流站較少。例如，當(dāng)奧里油-湛北單回線路發(fā)生故障時，由于該線路與各個換流站電氣距離較遠(yuǎn)，盡管方案3和方案4分區(qū)內(nèi)換流站較多，但發(fā)生換相失敗的換流站數(shù)目相對較少。反過來看，小區(qū)由于電壓穩(wěn)定性低，換流站耦合程度較高，電氣距離相對較遠(yuǎn)的故障同樣會導(dǎo)致較多換流站發(fā)生換相失敗。而由本案例可以看出，本文選擇的分區(qū)方案中沒有出現(xiàn)分區(qū)換流站數(shù)目較少的情況，最大程度上降低換流母線之間的耦合程度。從這個角度分析，本文提出的分區(qū)方法同樣具有合理性。

6 結(jié)論

1) 本文運用靈敏度分析法，研究了多直流饋入系統(tǒng) MIIF分別與聯(lián)絡(luò)線阻抗和等效電源阻抗的關(guān)系，進(jìn)而得到了指導(dǎo)直流分區(qū)方案制定的兩條基本原則：a. 優(yōu)先分隔電氣耦合程度高(即 MIIF值大)的換流站；b. 其他條件相同時，優(yōu)先選擇分區(qū)短路比較大的方案。

2) 本文提出了基于多饋入交互作用因子的直流分區(qū)方法，給出了方案的優(yōu)化指標(biāo)L和相應(yīng)的分區(qū)流程圖，即首先選擇分隔 MIIF較大的換流站對作為候選方案，其次通過計算候選方案的優(yōu)化指標(biāo)L得到最優(yōu)方案。

3) 本文使用該分區(qū)方法為實際電網(wǎng)制定直流分區(qū)方案，得到了最優(yōu)分區(qū)方案，同時利用 PSS/E對交流側(cè)故障時發(fā)生換相失敗的換流站數(shù)目進(jìn)行仿真，驗證了分區(qū)方法的有效性。

4) 基于多饋入交互作用因子的直流分區(qū)方法為電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃提供了指導(dǎo)，工程中可以通過該方法得到若干個最優(yōu)方案，在考慮各類實際因素下得到最終方案。

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(編輯 葛艷娜)

DC-segmentation planning based on multi-infeed interaction factor

XU Wei1, CHENG Binjie2, LIN Yong1, XU Zheng2
(1. Grid Planning & Research Center, Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China 2. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The operating performance of receiving terminal power system can be improved by segmenting a multi-infeed HVDC system into a set of asynchronously operated DC-interconnected sectors using VSC-HVDC. Different DC-segmentation schemes have different impact on multi-infeed system. In order to figure out the optimal scheme, this paper firstly analyzes the characteristics of multi-infeed systems by sensitivity method and puts forward two principles of DC-segmentation. Secondly according to these principles, a DC-segmentation method based on multi-infeed interaction factor is presented and then the optimal scheme of receiving terminal power system partition is got. Finally, by applying the method, an actual large scale network is studied and the optimal DC-segmentation scheme is obtained. The effectiveness of the optimal scheme and the DC-segmentation method is verified through simulations on PSS/E. This paper has guiding significance for making DC-segmentation schemes in real projects.

multi-infeed system; DC-segmentation; sensitivity method; multi-infeed interaction factor; DC-segmentation method

10.7667/PSPC151071

：2015-09-11

徐 蔚(1984-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與分析；E-mail：xuwei@gd.csg.cn

程斌杰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)分析；

林 勇(1973-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與分析。