交直流互联系统暂态电压稳定问题仿真分析

交直流互联系统暂态电压稳定问题仿真分析

莫 琦，张 尧,钟 庆

（华南理工大学电力学院，广州510641）

摘 要：以南方电网2005年丰大方式数据为基础，使用BPA程序对交直流混联系统的暂态电压稳定问题进行了仿真和分析。结果表明，快速切除足够容量的合适的机组是保持系统电压暂态稳定的有效手段；在系统无功功率充足情况下，利用直流线路的过载能力，快速提升直流功率对交流系统有较好的支援作用；在系统无功出力减少的情况下，适当的直流功率提升率有利于系统暂态电压稳定。

关键词：暂态电压稳定性；交直流互联系统；直流紧急功率提升；切机

０引言

暂态电压稳定性是指系统在遭受大扰动后维持各点电压在一定范围内的能力。在某些严重故障中，保护动作后，系统机组的功角趋于稳定，而系统中某些节点的电压却持续偏低或者呈振荡失稳。南方电网是交直流混联的大型电力系统，交直流系统间的相互作用强烈，研究交直流系统的相互作用对系统暂态电压稳定性的影响有着重要的意义。

一直以来，电压问题都认为是和无功问题紧密联系的。当系统的无功不足，就会引起电压的下降。一方面，直流系统运行时需要吸收大量的无功功率（约合直流输送功率的50%-60%），这对交直流系统的电压稳定是不利的。另一方面，由于直流系统具有快速调制功率的能力，它又可以起到改善交直流系统暂态功角稳定性的作用，从而有利于电压的恢复。大扰动后，直流系统的控制策略对于恢复系统的功角稳定和电压稳定的作用似乎是相互矛盾的[1]。因为在暂态过程中，若提升直流功率，则直流从系统吸收的无功功率大幅增加，这将加剧交流系统电压的降落。若减小直流功率，则不利于功角的稳定，从而也会加剧电压的摆动。本文希望通过研究实际系统暂态电压失稳的一些现象，分析何时出现暂态电压失稳及采取何种措施有利于保持交直流混联系统的暂态电压稳定。利用南方电网2005年丰大方式数据为基础，使用BPA程序对系统进行了仿真和分析。

1 计算采用的基本约定和数学模型

发电机采用'变化模型，考虑自动励磁调节装置，调速器作用，机组阻尼系数D取0。天广、高肇和江城直流采用BPA程序中的两端直流详细模型，考虑直流控制系统作用，控制方式为定功率，不考虑调制功能。直流模型中的电压测量环节的时间常数根据有关会议纪要和SIEMENS所提供的文档资料取值。负荷采用考虑频率特性的ZIP静态模型，是电科院根据1994年电网事故拟合的结果。任意一回500kV交流线路三相短路0.1s后切除该线路

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［２］。

对各种稳定问题采用如下判据：

（1）暂态功角稳定：系统故障后在同一系统中的任意两台机组相对角度摇摆呈同步减幅振荡；

（2）暂态电压稳定：电压低于0.75p.u.的持续时间不大于1秒；

（3）频率稳定：在切机、切负荷后，频率不高于52.5Hz且不低于47.5Hz；

（4）动态稳定：系统任一元件故障，保护、开关正确动作，或系统发生小扰动时，系统阻尼比大于0.05，即震荡7次后振荡幅度减至10%。

只有以上4条判据全部满足，才能将系统判为稳定。

2 仿真和分析

2.1 安天线停运方式下天平三永故障暂态电压分

析

考虑安天线停运的方式下，0周波时发生天平双回三相短路故障，0.1s切除故障。若不采取稳定措施，系统功角和电压均失去稳定。采取如下A，

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国家自然科学基金资助项目(50337010)，高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20020561004）

B 两种稳定措施：

A ：考虑切除距离故障点近处的机组

方案A1：15周波（0.3s ）时切除天二6台，共220*6=1320MW ，功角稳，电压不稳。其中百色电压持续低于0.75p.u.约72周波。

方案A2：15周波时切除机组鲁布革4台，天二2台，共600+440=1040MW ，功角稳定，但百色电压仍不稳，持续低于0.75pu 超过1秒。图１为百色的电压。

方案A3：15周波时切除鲁布革4台，天二3台，共1040+220=1260mw ，系统稳定。

方案A4：15周波时切鲁布革3台，天二3台，共450+660=1100mw ，功角稳，百色电压不稳。

分别对方案A1、A2、A4加天广直流功率支援，即在0.3s 内将天广直流传输功率提高到额定值的1.5倍[3]，并持续约3s 。在这种情况下，方案1百色电压仍然不稳，但较原来有所改善，方案2、4功角电压均稳。图２为方案2加天广直流提升后百色的电压曲线。和图１比较可见，百色第一摆电压明显改善，故在该情况下提升对系统电压稳定的效果较明显。比较4个方案，方案2+直流提升功率为最佳方案，既可以保持系统稳定，又可以少切机组。

B ：考虑切除距离故障点较远处的机组 方案B1：切除漫湾机组5台，250*5=1250mw ，功角电压都不稳。

方案B2：切除漫湾机组5台，大朝山机组1台，共1250+225=1475mw ，功角稳，百色电压不稳。

方案B3：切除漫湾机组5台，大朝山机组2台，共1475+225=1700mw ，系统稳定。

分别在方案B1,B2,B3基础上加天广直流功率支援，发现效果不明显。电压在第2

摆失去稳定。

图1 百色电压（无直流功率提升）

图２ 百色电压（加直流功率提升）

安天线是联系云南和贵州的重要联络线，由于安天停运，系统南北（云贵）之间的联系变得薄弱，在此情况下发生天平双回三永故障，属于很严重的故障。比较A,B 两类方案，可以得出一些初步的结论：

（1）一般地，切故障点近处的机组优于切远方的机组。切近处机组容量1260mw 即可使系统稳定，而切远方机组则需要切除1700mw 的容量。

（2）在切机的基础上，直流提升功率对电压的改善作用较明显，有利于系统的稳定。直流功率的提升为功率的传输提供了通道，有利于功角稳定，同时有利于电压的稳定。

（3）同时注意到一个现象，方案A1,A2,A4和方案B2中，功角都达到了稳定而某些点的电压却偏低（低于0.75p.u.超过1s ），不符合电压稳定的要求，即暂态电压不稳定。在采取单一切机措施的情况下，似乎总是功角先达到稳定，但功角达到了稳定却没有保证电压也能达到稳定。在以上故障中，可以认为功角不稳定引发了电压的剧烈摆动，造成电压长期偏低。

2．2 机组切除时间对暂态电压稳定性的影响

分别对方案A3,B3的机组切除时间进行调整，考察其对暂态电压稳定性的影响。

在A3基础上修改某些机组的切除时刻，LBG （鲁布革）机组单机容量150MW ，TSQ 机组单机容量220MW ；在B3基础上修改某些机组的切除时刻，DCS （大朝山）机组单机容量225MW 如下表一：

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表一修改切机时刻效果表

序号修改切除时间的机组修改切除

时刻容量（MW）百色电压<0.75p.u

持续时间（周波）

1 TSQBG4 15—25

220 42

2 TSQBG4 15—30

220 46

3 TSQBG3-TSQBG

4 15—2

5 440 50

4 LBG4G 15—25

150 36

5 LBG3G—LBG4G 15—25 300 46

6 LBG2G—LBG4G 15—25 450 54

7 LBG1G—LBG4G 15—25 600 60

8 DCS2G 15—25

225 36

9 DCS1G—DCS2G 15—25 450 48

表一注：修改切除时刻栏１５－２５表示把切机时刻从１５周波改为２５周波其中序号1-7是对方案A3的修改，序号8-9是对方案B3的修改

图３百色电压（无直流功率提升）

图４百色电压（加直流功率提升）图３－４为对表一第3种情况加直流支援，可见此时电压值持续低于0.75p.u.时间约为２４周波。明显弥补了快速切机容量的不足。

从表一可以看到，切除机组时刻越快越好。切除容量要尽快达到一定的量，达到这样的量后，以后的容量可以慢些切除。因此在这个意义上，迅速

切除大机组有利于暂态电压的稳定。表中的第2种情况可看作临界状态，必须在15周波时间内切除1260-440=820MW的容量才能使系统维持暂态电压稳定。远近对比，发现近处的机组切除容量对切除效果的灵敏度更好。而直流功率提升可以弥补短时间内切机容量的不足。

2.3 贵广直流双极闭锁时天广直流紧急功率提升

的作用

贵广直流双极闭锁时，系统将失去稳定。根据文献[3]计算结果，天广直流紧急功率提升对保持系统稳定性的效果很好，紧急提升功率600MW就可使贵州侧少切机组600MW。天一电站和鲁布革电站地理位置靠近天广直流换流站，其无功出力对天广直流系统的无功电压支撑有重要意义。现拟降低天一电站和鲁布革电站的无功出力（鲁布革机组无功出力降低30*4=120MVar，天生桥机组降低50*4=200 MVar），再观察贵广直流双极闭锁时，提升天广直流功率的效果。发现功角曲线变化不大，而第一摆电压下降更加严重。这主要是由于系统无功出力的减少造成直流功率提升困难，在这种情况下，可以尝试改变直流功率的提升速率，分析效果是否会有所改善。采取比文献[3]慢的直流提升速率，尝试在0.3秒内提升直流功率至额定值的1.4倍。如图5-6，贺州第一摆电压有所改善，以后每一摆最低电压均有所提高。系统更快趋于稳定。这样提升速率较慢，预定达到的功率最大值较小的操

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作却获得了更好的提升效果。图7-8是天广直流功率曲线，可见在系统无功出力减少的情况下，合适的直流功率提升速率对系统的稳定性是重要的。

图5 贺州电压（0.3s内提高至1.5倍）

图6 贺州电压（0.3s内提高至1.4倍）

图7 天广直流功率（0.3s内提高至1.5倍）

图8 天广直流功率（0.3s内提高至1.4倍）

3 结论

（1）交直流混联系统中，出现大扰动后，可能出现功角稳定，但电压不稳定的现象。电压不稳定可能是由于功角剧烈摆动引起的，而系统无功的不足会恶化电压的情况。

（2）快速切机和直流功率提升都有利于系统的功角稳定，从而有利于暂态电压的稳定。适当提升直流功率可以提高系统的暂态稳定性能。提升直流功率要考虑到系统的无功状况，选取适当的功率提升速率。

参考文献

[1] Carson.W.Taylor,Power System V oltage Stability,McGraw-Hill,1994.

[2] 中国南方电网2005年运行方式

[3] 徐政等，南方电网中直流紧急功率调制的作用，高电压技术，2004，30（11）。

[4] 张建设，张尧，张志朝，武志刚，直流系统控制方式对大扰动后交直流混合系统电压和功率恢复的影响，电网技术，2005，29（5）20-24

[5] 徐政，南方电网多直流落点系统稳定性分析，高电压技术，2004，30（11），21-26

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SIMULATION AND ANALYSIS ON TRANSIENT VOLTAGE

STABILITY OF AC/DC SYSTEM

MO Qi,ZHANG Yao, ZHONG Qing

(Electric Engineering College, South China University of Technology,Guangzhou 510641)

Abstract

Based on the high load level case of China Southern Grid (CSG) in the year of 2005 ,using BPA program ,the transient voltage stability problem of the AC/DC system is analyzed. Simulation result shows that, cutting sufficient amount of generation capacity quickly is an effective way to retain transient voltage stability; when system has plenty of reactive power support ,emergency DC power raising which takes advantage of DC’s overload ability is beneficial to the AC system recovery; when system is short of reactive power support, the rate of DC power raising should be carefully chosen to retain transient voltage stability of the system.

Keywords: Transient voltage stability, AC/DC system, Emergenby DC power raising, cutting generator.

作者简介：

莫琦（1981-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行与稳定；

张尧（1948-），男，教授，博士生导师，从事电力系统运行分析与控制，电压稳定性方面的研究工作；

武志刚（1975-），男，副教授，主要研究方向为电力系统运行与稳定；

郭力（1980-），男，博士研究生，主要研究方向为电力系统运行与稳定。

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