高压直流输电系统对受端电网暂态电压稳定影响的评估方法

基于电网电流换相的高压直流输电系统在未来相当长的一段时间内仍然是在大容量远距离输电和异步电网互联的主要手段。当直流系统的换流母线电压由于受端交流系统故障而降低时,直流系统将发生换相失败,导致直流系统有功和无功功率发生剧烈的波动,从而威胁受端交流系统的安全稳定运行。随着直流规模的不断扩大,含多直流馈入的受端电网严重交流故障引发的暂态电压问题进一步突出,对交直流电网安全稳定运行提出了新的挑战。本文紧密结合我国交直流互联大电网安全稳定的重大需求,在换相失败评估、直流系统对受端电网暂态电压稳定影响评估、含多直流馈入的受端电网暂态电压稳定评估方面展开研究。本文主要工作包括:(1)提出了基于交直流系统解耦的换相失败评估方法。由于直流系统不提供短路电流,且在直流换相失败之前,直流电流变化较小,因此在评估交流系统故障引起的直流换相失败时可以采用交直流系统解耦的方法。针对目前换相失败判据仅考虑换流母线电压降落的不足,提出了同时计及换流母线电压幅值跌落和相位偏移的换相失败判据,并与PSCAD/EMTDC数值仿真结果进行对比,验证了所提换相失败判据的准确性和有效性。在此基础上,提出了引起直流换相失败的交流系统故障范围评估方法,对引起南方电网直流输电系统换相失败的受端交流系统故障范围进行了评估。(2)揭示了直流系统影响受端电网暂态电压稳定的机理。分析了各种常见大扰动下的直流系统无功动态特性,揭示了对受端电网暂态电压稳定影响最严重的直流系统无功响应场景——交流系统故障引起直流换相失败。同时分析了直流系统固有的无功动态特性和直流控制对直流系统无功动态特性的影响,并揭示了换相失败情况下直流系统无功的源-荷转换特性以及直流系统影响受端电网暂态电压稳定最主要的因素。(3)提出了直流系统无功动态对受端电网暂态电压稳定影响的解析评估方法。在揭示直流系统无功动态对暂态电压稳定影响机理的基础上,提出了适用于暂态电压稳定分析的直流系统无功动态解析刻画方法,使得直流系统无功幅值的获取不再依赖于仿真。在此基础上,综合考虑直流系统无功源-荷转换特性、感应电动机动态特性、无功网络传递特性和直流落点电压支撑强度,构建了一种适用于评估直流系统对受端电网暂态电压稳定影响的解析指标。以南方电网为背景,以临界切除时间相对变化量为参照,相关结果验证了所提指标的有效性和实用性。(4)提出了基于临界失稳滑差的含多直流馈入的受端电网暂态电压稳定评估方法。结合暂态电压失稳的物理本质,提出了一种基于等值感应电动机临界失稳滑差的交直流受端系统暂态电压稳定评价指标,该指标综合考虑了直流系统无功动态特性、电压支撑能力、网架结构和动态负荷的影响。以南方电网为背景,利用所提出的指标对换流母线的暂态电压稳定性进行了评估,相关结果与采用临界切除时间指标所得到的结果具有一致性,从而验证了所提评估方法的有效性和实用性。本文得到国家863计划项目《含大规模新能源的交直流互联大电网智能运行与柔性控制关键技术》(项目编号:2012AA050209)、国家自然科学基金项目《多馈入交直流混联电网换相失败时空关联机理与策略研究》(项目编号:51377059)和《交直流系统动态无功源荷失配机理与暂态电压稳定协调控制研究》(项目编号:51407079)的资助。部分研究成果已经南方电网实际直流工程中得到应用,取得了良好的技术和经济效益,验证了本文工作的正确性和有效性。