考虑负荷模型的多回直流同时换相失败分析.pdf

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第43卷第9期2015年5月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.43NO.9May1.2015考虑负荷模型的多回直流同时换相失败分析夏成军,杨仲超,周保荣,赵勇(1.华南理工大学电力学院,广东广州510641;2.南方电网科学研究院,广东广州510080)摘要:分析了直流换相失败的机理,指出交流系统故障导致的换流母线电压跌落是换相失败的主要诱因,而负荷模型的不同又将导致故障后系统电压跌落幅度的不同,从而影响换相失败的发生。分析了现有的两种常用负荷模型ZIP模型和电动机模型对电压跌落的影响机理,指出电动机模型可为系统提供机械惯量,在故障瞬间相比于ZIP模型更有利于抑制系统电压跌落,降低换相失败发生概率;但在故障持续期间,电动机负荷会吸收更多无功,危及系统稳定性。基于南方电网方式数据,计算了不同负荷模型下可能导致多回直流同时换相失败的故障区域以及系统的极限切除时间,并对以上论述进行了仿真验证。关键词:交直流混联系统;换相失败;换流母线电压;负荷模型;电力系统仿真计算Analysisofcommutationfailureinmulti-infeedHVDCsystemunderdifferentloadmodelsXIAChengjun,YANGZhongchao,ZHOUBaorong2,ZHAOYong2(1.SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China;2.ElectricPowerResearchInstituteofChinaSouthernPowerGrid,Guangzhou510080,China)Abstract:ThispaperanalyzesthemechanismofcommutationfailureandpointsoutthatthevoltagesagofcommutationbusininverterstationcausedbyACsystemfaultiSamainfactor.DifferentloadmodelswilIleadtodifierentamplitudeofvoltagesag,whichwillinfluencetheoccu ̄enceofcommutationfailure.Thispaperanalysegtheimpactonsystem——voltagesagoftwocommonusedloadmodelsZIPloadandmotorload,andpointsoutthatcomparedwithZIPmodel,themotorloadmodelismorebeneficialforpreventingvoltagesagattheinstantoffaultasthemotorloadcanprovidemechanicalinertiatothesystem.Whileinthedurationoffault.themotorloadwillabsorblargeamountofreactivepower,whichwilldoharmtothesystemstability.BasedOilthedataofChinaSouthernPowerGrid(CSG),thispapercalculatesthefaultregionsthatcancausecommutationfailureandthesystemcriticalclearancetimeunderdifferentloadmodelstoverifytheviewpointproposed.—ThisworkissupportedbyNationalHightechR&DProgramofChina(863Program)(NO.201IAA05A102)andFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(No.2013ZM0028).Keywords:AC/DChybridsystem;commutationfailure;voltageofcommutationbus;loadmodel;powersystemSimIBation中图分类号:TM77文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2015)09-0076060引言随着国民经济的快速发展,电力系统的面貌目新月异。其中,高压直流输电系统因其拥有良好的远距离大容量输电能力、高度的可控性、快速灵敏的控制响应等优点越来越受到人们的重视l引,随着电力电子技术的发展以及控制技术的日益成熟,直流输电技术将在未来拥有更加广阔的应用前景。基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA05A102):中央高校基本业务费项目(2013ZM0028)然而,直流输电在具备一系列优点的同时,也对电网的运行分析提出了新的挑战,交直流系统问的相互影响问题己成为电力工作者研究的重点和难点pJ。在交直流混合系统运行所暴露的各种问题中,由交流系统故障引发的直流换相失败是最为常见的一种。换相失败可导致直流电压降低,直流电流增大,直流输送功率减小,换流阀寿命缩短,换流变压器直流偏磁及逆变侧弱交流系统过电压等不良后果。对于多馈入直流系统,各回直流逆变站之间的电气距离较小,交直流相互作用特性更为复夏成军,等考虑负荷模型的多回直流同时换相失败分析.77.杂,一回直流的换相失败可能导致临近多回直流相继换相失败,甚至出现多回直流输送功率中断,危及交直流系统的稳定性。研究换相失败问题对于了解交直流混合系统的运行特性,改善系统运行条件,增强系统稳定性具有重要意义,因此国内外学者已对此开展了大量—研究工作。文献[1213]以关断角为出发点,详细地分析了换相失败的影响因素。文献[14]指出交流系统故障或扰动导致的换流母线电压跌落是换相—失败的主要诱因。文献[1516]提出了一种新的指标——换相失败免疫因子(CommutationFailureImmunityIndex,CFII),来量化评估换流器对交流系统故障所引起的换相失败的抵抗能力,并通过仿真验证了其正确性。文献[17]基于大量仿真研究,提出了一种换相失败的工程实用判据。但在已有的对于换相失败的研究中,较少涉及系统负荷模型的影响。而从仿真计算中可以发现,直流换相失败的发生与负荷模型有着密切关系。本文针对这一问题进行了讨论,提出电动机负荷的机械惯量将对换相失败产生影响的观点,并通过仿真计算加以分析和验证。1换相失败机理及其影响因素分析交流系统故障引发的直流换相失败与受端交“”“”流系统的强度有关。受端交流系统越强,交直流相互影响越弱,换相失败发生的概率及严重“”性越小。受端交流系统的强度受两方面因素的影响。一方面,直流逆变站需要交流系统提供换相电流,换相电流实际上是相问短路电流,要保证可靠换相,受端交流系统必须有足够的短路容量。通常用短路比(ShortCircuitRatio,SCR)这一指标来衡“”量受端交流系统的强度,其定义为=S(1)式中:为换流站交流母线电压为1.0pu时交流系统的三相短路容量;尸dN为直流系统的额定功率。文献i181根据不同的SCR值将交流系统强度分为:高(SCR>3)、低(2CR3)、极'f ̄(SCR<2)。“”另一方面,受端交流系统的强度还与系统机械惯量有关。若交流系统有较大的机械惯量,故障时机组的惯性足以维持系统电动势,有利于系统电压恢复,防止系统崩溃。可以认为机械惯量越大,“”则受端交流系统越强。通常认为发电机转子是交流系统机械惯量的主要来源,但需要指出的是,除发电机以外,系统中的电动机负荷在故障瞬问也能向系统提供机械惯量。高压直流输电系统使用的晶闸管属于半控型功率元件,其换相过程需要一定的时间以完成其内部载流子的复合,恢复阻断能力。载流子的复合时间在工程中可以用关断角y来描述。y角对逆变器的运行非常重要,若换流阀运行的Y<7(固有极限关断角),则会发生换相失败。关断角y可用式(2)描述。lrfv=arccos(+COS)(21。’由式(2)可见,关断角y与换流母线电压E、换流变压器变比k、超前触发角、直流电流厶、换相电抗等因素有关,因而直流换相失败也与上述因素密切相关。对于某回特定的直流,其换相电抗一般为定值。当逆变侧交流系统发生故障时,直流系统控制器的响应和换流变压器的变比变化都需要一定的时间,所以故障瞬间和k保持不变,此时直流电流的增大和换流母线电压的减小都可导致换相失败,而本文主要关注换流母线电压对换相失败的影响。交流系统的短路故障将造成换流站母线电压降低,使式(1)中的y角减小,当y<时引发换相失败。对于多馈入直流系统,单个交流系统故障还有可能导致多回直流同时换相失败。而在电力系统中,负荷类型不同,交流系统故障所导致的电压下降幅度也有所不同,进而影响换相失败的发生,在仿真分析中则以不同的模型来模拟实际系统中的负荷。因此下文重点讨论不同负荷模型对故障条件下系统电压降落的影响机理。2负荷模型对系统电压跌落的影响机理2.1静态负荷模型静态负荷模型是一种反映负荷有功、无功随系统电压及频率缓慢变化而变化的模型u引,其中ZIP模型是仿真分析中最常用的一种。该模型将总负荷划分为恒阻抗负荷、恒电流负荷和恒功率负荷,其数学表达式为j=cV2十V+1+,r・3l[Qz()+Q,()+](1+.LQj).78.电力系统保护与控制分别为稳态运行时负荷的有功功率、无功功率和母线电压;af为实际频率与稳态值之间的差异。当交流系统电压因故障骤降,且近似认为系统频率在故障瞬问保持不变。则由式(3)可知,负荷模型中的恒阻抗部分与电压的平方成正比,在故障后吸收的无功功率随电压的降低而显著减少,降低了系统的无功缺额,有利于抑制电压降落。而恒功率部分与电压无关,在故障后吸收的无功功率不随电压的降低而变化,无助于减少系统的无功缺额,…不利于抑制电压降落L2。恒电流负荷与电压一次方成正比,对抑制电压降落的作用介于恒阻抗负荷与恒功率负荷之间。2,2动态负荷模型感应电动机是电力系统负荷中最主要的动态负荷,其简化等效电路如图1所示。其中,为电动机输入电压,J『为转子电流,为励磁电抗,为转子漏抗,尺为转子电阻,S为转差率。结合图1,感应电动机吸收的无功可由式(4)描述。图1感应电动机等效电路Fig.1EquivalentcircuitofinductionmotorQ=Qm+Qr=Uz}Xm七lX!其中:Qm=U/为电动机的励磁功率;Qr=I2Xr为转子漏抗吸收的无功功率。图1中的可变电阻风用于衡量电动机所带的负载P,如式(5)所示。P=12Rr/s(5)假设交流系统发生三相短路故障,故障点及其附近区域将出现电压骤降。由式(4)可见,电动机的励磁功率p由于与电压的平方成正比,因此在故障后瞬间将会大幅下降。电动机转子由于机械惯性,转速不能突变,保持故障前的值,因此转差率S保持不变。若负载功率在故障后瞬间也不突变,则由式(5)可知,转子电流将保持不变,进而转子漏抗吸收的无功在故障后瞬间不会增大。即电动机作为旋转设备,能够在故障后瞬间因其机械惯量维持转速不变,在励磁功率大幅下降的同时,不增加转子漏抗的无功损耗,从而比z,尸负荷更有利于缓解系统无功缺额,增强系统的电压支撑能力。在故障持续期间,由转矩转差率特性可知,感应电动机的电磁转矩与机端电压的平方成正比,因此故障后的电压降低将导致电动机电磁转矩减小。若故障后负荷机械转矩保持不变,则电动机转速将持续下降甚至堵转。此过程中转差率S将逐渐增大,并趋近于1。由式(51可见,电流,将逐渐增大,电动机转子漏抗吸收的无功也随之增大,从而加剧了系统的无功缺额,不利于电压的恢复。由以上分析可见,在故障瞬间,电动机负荷能增强系统的电压支撑能力。但随着故障的持续,电动机无功消耗将增大,不利于系统电压的恢复,对系统稳定运行产生负面影响。3算例分析3.1换相失败判据本文采用文献[17]中提出的换相失败工程实用判据即:使用PSD.BPA进行仿真计算,在交流系统的不同故障点设置三相短路故障,若故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到正常运行电压值的90,则认为该直流发生换相失败。该判据为基于大量仿真计算提出的,偏保守的工程实用判据。3。2换相失败算例分析本文的计算基于南方电网丰大运行方式数据,考虑落点于广东境内的天广、云广、兴安、高肇、江城、糯扎渡、溪洛渡7回直流。负荷模型分为ZIP负荷、40%电动机负荷并联60%恒阻抗负荷、50%电动机负荷并联50%恒阻抗负荷、60%电动机负荷并联40%恒阻抗负荷四种情况。其中,ZIP负荷模型中恒阻抗部分、恒电流部分、恒功率部分的比例分别为30%、40%、3O%。电动机采用BPA中的仿真模型,其参数如表1所示【卜。表1电动机模型参数Table1Parametersofmotorload故障设置为广东500kV节点发生三相接地短路故障,计算广东境内各逆变站换流母线在故障瞬.80.电力系统保护与控制3.3系统暂态稳定性算例分析[3]本文基于南方电网丰大运行方式数据,分静态负荷和40%电动机并联60%恒阻抗负荷两种情况,计算了部分节点发生三相短路故障时系统的极限切除时间,反映不同负荷模型对系统暂态稳定性的影响,计算结果示于表3。表3不同负荷模型下系统极限切除时间的比较LJTable3ComparisonofsystemcritiealclearancetimeunderdifferentIoadmodels故障类型静态负荷/s含40%电动机负荷/s穗增线穗侧三相短路0.34O.26肇砚线肇侧三相短路0.66O54安鹏线安侧三相短路0.280.22[5]北增线北侧三相短路0.34O.28鹅博线鹅侧三相短路>1.5>1.5由表3可见,相比于静态负荷,采用含电动机的动态负荷模型后,系统极限切除时间减少,暂态稳定性下降。这印证了2.2节的观点,即电动机负荷在故障持续期间将吸收大量无功,增大系统无功…缺额,不利于电压恢复,从而降低了系统暂态稳定性。4结语本文分析了换相失败的机理和影响因素,以交流系统故障导致换流母线电压跌落为切入点,研究f7]了负荷模型对换相失败的影响,证明了:1)短路故障瞬间,由于可为系统提供机械惯量,感应电动机负荷相比于静态负荷更有利于抑制换流母线电压跌落,从而降低直流系统发生换相失败的概率,减小可能引起多回直流同时换相失败的故障区域。2)在故障持续过程中,电动机负荷将增大系统[8]的无功缺额,危及系统稳定性。上述结论在仿真计算及工程应用中具有一定的实用价值。L9J参考文献[1]李兴源.高压直流输电系统的运行和控制[M].北京:科学出版社,1998:2-4.[2]李兴源,赵睿,刘天琪,等.传统高压直流输电系统稳定件分析和控制综述[J].电工技术学报,2013,28(10):[1O]—288300.LIXingyuan,ZHAORui,LIUTianqi,eta1.Researchofconventionalhighvoltagedirectcurrenttransmissionsystemstabilityanalysisandcontrol[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2013.28(1O1:288-300.杨卫东,徐政,韩祯祥.多馈入交直流电力系统研究中的相关问题[J].电网技术,2000,24(8):13-17.YANGWeidong,XUZheng,HANZhenxiang.Special—issuesandsuggestionsonmultiinfeedAC/DCpowersystems[J].PowerSystemTechnology,2000,24(8):13.17.谢开贵,吴韬,黄莹,等.基于二分法的高压直流输电系统可靠性最优分解[J]_电工技术学报,2010,25(5):—l49154.XIEKaigui,WUTao,HUANGYing,eta1.ReliabilityoptimaldistributionforHVDCsystemsusingbisectionmethod[J].TransactionsofChinaE1ectrotechnica1—Society,2010,25(5):149154.郭利娜,刘天琪,程道卫.直流多落点系统控制敏感点挖掘技术研究[J】.电力系统保护与控制,2013,41(10、:7-12.GUOLina,LIUTianqi,CHENGDaowei.StudyOn—diggingthemostsensitivecontrolpointofmultiterminalHVDCsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,41(10):7-12.周俊,郭剑波,胡涛,等.高压直流输电系统数字物理动态仿真【J1_电工技术学报,2012,27(5):221.228.ZHOUJun,GUOJianbo,HUTao,eta1.Digital/analogdynamicsimulationfor士500kVHVDCtransmissionsystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,—2012,27(5):221228.郭小江,汤涌,郭强,等.CIGRE多馈入直流短路比指标影响因素及XJLN[J].电力系统保护与控制,2012,—40f9):6974.GUOXiaojiang,TANGYong,GUOQiang,eta1.InfluencefactorsandtheoryforCIGREM1SCRindex[J]PowerSystemProtectionandControl,2012,40(9):69.74.‘TH10C、DAVISEJB,KENTKL.CommutationfailuresinHVDCtransmissionsystems[J].IEEE—TransactionsonPowerDelivery,1996,1l(2):946957.林凌雪,张尧,钟庆,等.多馈入直流输电系统中换相失败研究综述[J】.电网技术,2006,30(17):40-46.LINLingxue,ZHANGYao,ZHONGQing,eta1.A—surveyoncommutationfailuresinmultiinfeedHVDCtransmissionsystems[J].PowerSystemTechnology,2006,—30(17、:4046.朱韬析,宁武军,欧开健.直流输电系统换相失败探讨[J】_电力系统保护与控制,2008,36(23):116-120.ZHUTaoxi,N1NGWujun,OUKaijian.DiscussiononcommutationfailureinHVDCtransmissionsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2008,36(23):116.120.夏成军,等考虑负荷模型的多回直流同时换相失败分析一81一[11]慈文斌,刘晓明.刘玉田. 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一夕落阳
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