对江苏电网连锁换相失败做的仿真分析

1. 研究背景

近年来随着我国高压直流输电工程的大量建设，电能需求较大的负荷中心很可能有多个直流落点而形成“多直流馈入受端电网”。根据“十三五”规划，2018年江苏电网将形成一个多直流馈入受端电网。多直流馈入系统可以较好的解决电能的长距离传输和电力短缺问题，但多回直流与交流系统的混合大大增加了电网结构的复杂性，直流与直流、交流与直流之间的相互耦合作用很有可能造成连锁故障，扩大故障范围，加重故障后果。

在有多个直流落点的交直流混联电网中，受端交流系统或直流系统发生故障可能导致多回直流连锁换相失败，使得直流电压降低、电流增大、直流传输功率波动，对电网造成一定冲击。连锁换相失败还可能引发更为严重的直流闭锁故障，出现直流功率中断、潮流大范围转移，危及受端电网的电压稳定性、功角稳定性以及频率稳定性。所以有必要对实际多馈入系统进行连锁换相失败分析，对系统采取预防和控制措施。

文中基于2018年江苏规划电网的丰大运行方式，采用中国电力科学研究院开发的PSD-BPA机电暂态程序，针对受端交流系统直流逆变站附近主要500kV交流线路的三相永久性短路故障，考虑交流和直流、多直流之间的相互作用，研究了江苏多直流馈入电网发生连锁换相失败的原因，分析了MIIF和VIF在使用中需要注意的问题，为江苏电网的实际运行提供了相关参考。

2. 江苏电网多直流馈入直流输电系统连锁 换相失败仿真

多直流馈入直流输电系统发生换相失败多为交流系统故障导致直流逆变站换流母线电压降低引起的，目前判断换相失败主要有最小电压降落法与最小熄弧角法2种方法，文中采用最小电压降落法。根据实际工程运行经验，当逆变侧换流母线电压跌落至0.8p.u.以下且变化率超过0.3p.u./s或电压低于0.6p.u.时则判断该直流系统发生换相失败，当故障后电压恢复至0.75p.u.时则判断恢复正常换相。

为分析受端交流系统故障引发直流系统同时或连续连锁换相失败的可能性，对受端各直流逆变站附近的重要500kV交流线路模拟最为严重的母线出口处三相永久性短路故障，故障设置于10周波，并于15周波时切除故障线路。根据2018年江苏规划电网的结构图，以泰州换流站附近交流线路泰州特—南京特于泰州特侧发生故障为例，仿真计算结果如图1所示，其中泰州换1、泰州换2分别表示泰州换流站500kV和1000kV换流母线。

图1 受端交流线路故障后换流母线电压

从仿真结果可见，当泰州换流站附近交流线路泰州特—南京特在泰州特侧发生三相永久性短路故障后政平换流站换流母线电压仍维持在0.8p.u.以上，同里换流站和南京换流站换流母线电压最低分别低至0.756p.u.和0.706p.u.，泰州换流站500kV和1000kV换流母线故障后电压分别低至0.557p.u.和0。政平换流站不会发生连锁换相失败。同里换流站和南京换流站会发生连锁的换相失败，但交流故障切除后电压水平可以快速恢复从而恢复正常换相，换相失败持续时间小于100ms。泰州换流站会发生连锁的连续换相失败，故障持续时间100ms，在故障清除后可以快速恢复。

江苏电网受端直流逆变站附近重要交流线路故障后的换流母线电压仿真计算结果如表1-4所示，其中故障发生在线路首端的母线出口处。

表1 南京换流站附近交流线路故障后换流母线电压

表2 同里换流站附近交流线路故障后换流母线电压

根据表1-4的仿真结果，可得出如下结论：

（1）南京换流站附近交流线路南京换—三汊湾、南京换—安澜、安澜—南京、三汊湾—秋藤发生三相短路后均会导致南京换流站和邻近的泰州换流站短暂的换相失败。

（2）同里换流站附近交流线路同里换—木渎、 同里换—吴江、同里换—车坊、木渎—梅里、木渎— 车坊、吴江—车坊发生三相短路故障后均会导致同里换流站和邻近的政平换流站短暂的换相失败。

（3）政平换流站附近交流线路政平换—宜兴、 政平换—武南、武南—惠泉、宜兴—岷珠发生三相短路故障后均会导致政平换流站和邻近的同里换流站短暂的换相失败。

（4）泰州换流站附近交流线路泰州换1—凤城、泰州换1—双草、泰州换1—旗杰、凤城—仲洋、 双草—大丰发生三相短路故障后会导致泰州换流站短暂的换相失败，旗杰—沭阳发生三相短路故障后会导致泰州和南京换流站短暂的换相失败，南京特—泰州特、苏州特—泰州特、泰州换2—泰州特发生三相短路故障后会导致同里、南京和泰州换流站同时换相失败。

表3 政平换流站附近交流线路故障后换流母线电压

表4 泰州换流站附近交流线路故障后换流母线电压

此外，与泰州特—南京特三相短路后相同，上述由交流系统故障引起的直流系统连锁换相失败在交流故障清除后均可以快速恢复正常换相，换相失败持续时间不超过故障持续时间100ms。根据目前实际运行中直流保护的配置，当检测到由外部交流故障引起的换相失败时，保护延迟300ms动作将直流闭锁，防止持续的换相失败对逆变器造成损伤，因此对于2018年江苏规划电网，受端交流线路故障只会引起直流系统短暂的换相失败，不会导致更为严重的直流闭锁。

3. 江苏电网连锁换相失败原因分析

在含有直流落点的交直流混联系统中，直流换相失败是较为常见的故障之一，对于只含有1个直流落点的单馈入直流系统，受端系统发生交流故障导致换流母线电压降低时，换流阀在退出换相时不能及时恢复正向阻断能力从而导致直流换相失败。诱发换相失败的主要因素有受端交流系统的强度、故障位置、故障严重程度、换流母线处无功支撑强度等;而对于含有多个直流落点的多馈入直流系统，交流故障引发连锁换相失败的机理更为复杂，与单馈入系统相比多回直流落点之间的距离、相互之间的耦合关系都对是否会发生连锁换相失败有着不同程度的影响。

对于多馈入直流系统，目前主要采用MIIF指标来分析交直流系统的运行特性和相互影响关系，影响多直流连锁换相失败的主要因素在于多条直流之间的耦合关系，因此可用MIIF分析连锁换相的原因。MIIF指在换流母线i投入对称三相电抗器使该母线电压下降1%时换流母线j的电压降与其比值，该指标计算相对复杂。将换流母线电压降落等效为节点注入电流的变化，利用节点阻抗矩阵可以实现指标的解析计算，并将MIIF推广至任一交流节点，提出了VIF，计算公式如下：

利用上式对馈入江苏电网的各直流的fMIIFji进行计算，以分析江苏电网的连锁换相失败，计算结果如表5所示。

表5 江苏电网各直流fMIIFji

结果显示馈入江苏电网的4回直流各换流母线间共20个fMIIF ，仅有8个超过0.1，6个超过0.15，可见江苏电网的某一回直流在换流母线处的电压波动对其余直流换流母线电压的影响较小，四回直流间的相互联系程度总体上较弱。

根据江苏电网实际的故障仿真结果，对于fMIIFji》0.15的直流换流母线，当在换流母线处发生三相短路，电压短时降为0后均会使相应的另一换流母线电压大幅下降从而导致连锁的换相失败。南京换对泰州换1的fMIIFji为0.149，接近0.15，因此当南京换流站换流母线处发生三相短路，电压降为0后也会使泰州换1换流母线电压有较大跌落而导致连锁换相失败。泰州换2换流母线对同里换换流母线fMIIFji仅为0.077，但两回直流的传输功率相差较大，该fMIIFji并不能很好辨别两回直流间的联系，实际当泰州换2换流母线电压降为0后也会导致同里换流站短时的换相失败。

综合以上分析，2018年江苏规划电网在直流逆变站换流母线处发生三相短路导致连锁换相失败的主要原因是部分换流母线间的fMIIFji较大，不能将其当做单馈入直流处理，直流之间存在较大的相互作用，当某一换流母线处发生三相短路故障时电压会瞬时下降为0，使得本直流发生换相失败，又因电压跌落幅度非常大，从而也会使相应的另一换流母线电压有较大跌落，进而引发连锁换相失败。

4. 结论

文中基于2018年多直流馈入江苏规划电网的丰大运行方式，针对直流逆变站近区500kV交流线路故障，对江苏电网连锁换相失败进行了仿真分析，研究结果表明：

（1）馈入江苏电网的四回直流中，同里换流站与政平换流站、泰州换流站的500kV换流母线与1000kV换流母线、泰州换流站1000kV换流母线与南京换流站两两之间相互联系较为紧密，换流母线电压交互作用较强，当在其中一回直流逆变站换流母线处发生三相短路故障后会导致本回直流以及相应的另一回直流发生连锁的换相失败。

（2）泰州特—南京特、泰州特—苏州特是2018年江苏规划电网非常重要的交流通道，当其发生三相短路故障时会导致三回直流同时连锁换相失败，对电网造较大冲击，因此在实际运行调度中应给予足够的重视。

（3）由于江苏电网的无功支撑能力很强，在交流故障清除后直流即可恢复正常换相，换相失败持续时间很短，对系统运行造成的影响很小，因此2018年江苏规划电网可以保持现有的架构。

（4）直流逆变站相邻交流母线处发生三相短路故障后会导致本回直流以及与其联系紧密的另一 回直流连锁换相失败，同时由于直流逆变站相邻交流母线距离远方直流电气距离更近，交互作用更强，所以会导致比在换流母线处发生三相短路后更多的直流连锁换相失败。

（5）当采用由节点阻抗矩阵快速计算的fMIIFji值分析多回直流之间的相互联系时，若fMIIFji》0.15则可认为两回直流存在较强交互作用，存在连锁换相失败风险;若fMIIFji《0.15且两回直流传输功率相差较小时可认为两回直流之间没有相互联系，不会发生连锁换相失败。