交流系统故障对直流输电系统的影响及改进建议
交流系统故障对直流输电系统的影响及改进建议
朱韬析1 , 武 诚2 , 王 超3
(1. 南方电网超高压输电公司广州局 , 广东省广州市 510405 ; 2. 浙江大学电气学院 , 浙江省杭州市 310027 ;
3. 浙江电力调度通信中心 , 浙江省杭州市 310007)
摘要 : 远距离、大容量、交直流混合运行电网中 ,交直流系统间的相互影响非常复杂。文中以南方
电网交直流混联系统运行实例为基础 ,讨论了直流系统控制功能在交流系统故障期间的作用 ,分析
了交流系统故障时可能误动的相关直流保护监视功能及换流变和站用变保护等 ,并给出了相应的
改进建议。这不仅有助于提高直流输电系统的运行维护水平 ,确保交直流系统的安全稳定运行 ,还
为未来直流输电系统的设计、交直流输电系统控制保护功能的合理配合等提供了有益的参考。
关键词 : 交直流混联系统 ; 交流故障 ; 直流保护监视功能 ; 换流变保护 ; 站用电系统
中图分类号 : TM721. 1
收稿日期 : 2008208217 ; 修回日期 : 2008209204。
0 引言
直流输电具有传送功率大、线路造价低、控制性
能好等优点 ,是目前发达国家作为高电压、大容量、
长距离送电和异步联网的重要手段[1 ] 。国内外大量
的研究成果表明 :当输电距离较长、输送容量较大
时 ,从经济和环境等角度考虑 ,直流送电是优选的输
电方案[2 ] 。中国幅员辽阔、能源分布不均、能源基地
与负荷中心之间距离较长 ,电网发展迅速 ,已经形成
了跨度几千公里的交直流混合互联系统、多个数千
万千瓦规模的大负荷中心 ,而随着特高压交直流输
电系统的建设 ,这一特点将更加突出[3 ] 。
对于这种远距离、大容量、交直流混合运行电
网 ,交直流系统间的相互影响非常复杂[426] 。交流系
统的故障 ,可能导致直流系统的停运 ,进而影响到交
流系统故障的快速恢复 ,甚至对电网的安全稳定造
成威胁。
本文以南方电网交直流混联系统运行实例为基
础 ,首先讨论了直流系统控制功能在交流系统故障
期间的作用 ,指出低压限流功能可能对系统稳定造
成不良影响 ,接着分析了交流系统故障时可能误动
的相关直流保护、监视功能以及换流变、站用变保护
等 ,并给出了相应的改进建议。
1 与交流系统故障相关的直流系统控制
功能
直流输电系统采用合适的控制方式 ,可以提高
交流系统故障下直流系统运行的稳定性 ;同时 ,利用
直流输电系统控制调节快速灵活的特点 ,合理设置
稳定控制功能 ,还有助于交流系统快速从故障恢复。
1. 1 直流输电系统基本控制策略在交流系统故障
期间的作用
直流输电系统的控制策略至今仍然保持了经典
的原则 ,即定电流控制、定 amin 控制、定电压或定熄
弧角控制[1 ,425 ] 。以天广直流输电工程为例[7 ] ,其整
流侧选择Δ= min( Iref - Iact ,U ref - Uact ) 、逆变侧选择
Δ= max( Iref - Iact ,Uact - U ref , rref - ract ) 作为调节量。
其中 : Iact ,Uact , ract 分别表示直流电流、直流电压及熄
弧角的实际值 ; Iref ,U ref , rref 分别代表直流电流、直流
电压及熄弧角的设定值。
同时 ,为保证正常情况下逆变侧定电流控制不
起作用 ,控制系统将 Iref 减去电流裕度 Imar 后再与
Iact 进行比较 ,正常情况下用于控制的电流调节量将
小于电压和熄弧角控制量 ,这就保证了逆变侧采用
定电压或定熄弧角控制方式。Imar 一般设置为 011
(标幺值 ,下同) ,一旦检测到直流电流偏低 ( Iact <
0108) 或逆变侧交流电压偏低 (Uact < 013) , Imar 将变
为 015 ,以防止直流电流控制过大 ,反而延缓了故障
的恢复。
图 1 为天广直流输电系统逆变侧一次因交流系
统故障引起的换相失败录波图。正是通过控制方式
的合理切换 ,不仅有效控制了对直流系统的不良影
响、保护了一次设备 ,而且可靠地保证了直流系统在
交流故障清除后恢复正常运行。
1. 2 低压限流功能
低压限流功能的作用包括 :避免逆变器长时间
换相失败 ,保护换流阀 ;在交流系统出现干扰或干扰
消失后使系统保持稳定 ,有利于交流系统电压的恢
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第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
复 ;在交流系统故障切除后 ,为直流输电系统的快速
恢复创造条件 ,在交流电压恢复期间 ,平稳增大直流
电流来恢复直流系统[1 ,425 ] 。
图 1 逆变侧换相失败录波图 1
Fig. 1 Transient recorded curves of commutation
failure on inverter side ( case 1)
2008 年 7 月 30 日 ,天广直流逆变侧交流系统
发生严重故障 ,故障录波图如图 2 所示。可以看出 ,
交流系统故障造成直流输电系统换相失败、直流电
压降低后 ,随即启动了低压限流功能。
图 2 逆变侧换相失败录波图 2
Fig. 2 Transient recorded curves of commutation
failure on inverter side ( case 2)
根据《中国南方电网 2007 年运行方式》的计算
和分析 ,交流系统故障 ,如主保护或断路器拒动 ,将
可能引发单回或多回直流同时降功率或闭锁 ,导致
系统稳定破坏 ,且无法通过安稳控制系统维持电网
稳定。但对多数断路器拒动故障、失灵保护动作前 ,
如果直流输电系统不降功率 ,电网便可以保持稳定。
同时 ,理论分析和大量的直流系统电磁瞬态
( EM TDC) 仿真和实时数字仿真 (R TDS) 研究表明 ,
长时间交流系统不对称故障期间 ,只要交流系统提
供的换相电压能够维持换流阀的正常换相 ,直流系
统就能够持续稳定运行 ,因此 ,在交流系统故障期间
不降低功率、也不闭锁 ,显然对系统稳定、特别是交
流故障后系统的快速恢复非常有利[829] 。
但是 ,通过上文所述的实例可以发现 ,如果逆变
侧交流系统发生严重故障 ,单回或多回直流均有可
能启动低压限流功能 ,这将导致直流输电系统传输
功率降低 ,并无法通过安稳控制系统辨识 ,很可能对
系统的稳定造成威胁。如何避免低压限流功能造成
的直流系统传输功率降低对系统稳定、交流故障后
系统快速恢复的不良影响 ,有待进一步深入研究。
1. 3 稳定控制功能[10 ]
直流输电系统主要的稳定控制功能包括 :
1) 功 率 提 升 (power run2ups) 和 功 率 回 降
(power run2backs) 功能 :通常由安稳系统启动 ,当
被监测的系统输入信号满足预先设定的启动条件时
被激活 ,根据预先设定的设定值及变化率快速改变
直流功率。
2) 频率限制功能 :根据电网频率变化调整直流
功率 ,将电网频率控制在设定范围内。
3) 双侧频率调制功能 :分为功率摇摆阻尼功能
(PSD) 和功率摇摆稳定功能 ( PSS) ,根据两侧换流
站交流母线的频差调整直流功率 ,将电网频率控制
在设定范围内。
合理利用直流输电系统的稳定控制功能 ,不仅
有助于解决事故后部分设备过载问题 ,还有助于事
故的紧急控制、建立事故预防控制体系等 ,从而提高
电网的可靠性。
2 与交流系统故障相关的保护功能
直流保护的功能配置应遵循交流系统故障期间
直流保护尽量不动作的原则[11 ] ,但为了防止交流系
统故障对直流系统的正常运行或直流设备的安全构
成威胁 ,也设置了部分保护、监视功能 ,监测交流系
统的运行状况。
以天广直流输电系统为例 ,交流系统故障时可
能动作的相关直流保护[8 ] 如表 1 所示。
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2009 , 33 (1)
表 1 交流系统故障时可能动作的相关直流保护
Table 1 DC protection correlated with AC system fault
保护名称 动作逻辑 动作延时/ s 动作后果
100 Hz 保护 Id (100 Hz) > 0105 IdL 10 3 Idref降至 013
Id (100 Hz) > 0105 IdL 3 3 3 闭锁
交流低电压保护
交流过电压保护
直流低电压保护
Uac < 013 018
Uac > 115 0101
Uac > 113 014
2 条馈线开关均断开
且 Uac > 112 0
U d < 0108 整流侧 013
逆变侧 6
启动
ESOF[12 ]
直流零电流保护 Id < 0108 3
触发角过大保护 60°<α< 120°, Id > 0108 1 闭锁
注 : 3 表示原动作延时为 0. 2 s ; 3 3 表示原动作延时为 1 s。
表 1 中 : U d = U dL - UdN , Id = max ( IdH , 2 IdY ,
2 IdΔ) ,U dL 和 U dN 分别为高压直流线路电压和中性母
线电压 , IdH , IdY , IdΔ分别为高压直流母线、换流变阀
侧星形绕组和三角形绕组电流 ;Uac 为换流变压器网
侧电压 ;α为触发角 ; IdL 和 Id (100 Hz) 分别为高压
直流线路电流及其 100 Hz 谐波含量幅值。
同样 ,以天广直流输电系统为例 ,交流系统故障
时可能动作的换流变后备保护如表 2 所示。
表 2 交流系统故障时可能动作的换流变后备保护
Table 2 Converter transformer backup protection
correlated with AC system fault
保护名称 动作逻辑 动作延时/ s 动作后果
过励磁保护
相过流保护
中性点零序过流保护
U/ f = 215 110
I ≥715 A 0
I ≥215 A 015
I E ≥015 A 0
I E > 0120 A 110
启动 ESOF
表 2 中 :U 为换流变压器网侧电压; f 为系统频
率; I 为换流变压器网侧电流; IE 为换流变中性点零
序电流。
直流输电极控系统设有软件故障监测功能 ,当
主系统判断出现软件故障 ,将自动切换至备用系统 ,
如果备用系统也检测到软件故障 ,2 套极控系统均
故障 ,则会立即启动直流系统紧急停运 ( ESOF) 。
天广直流输电系统中 ,交流系统故障时可能动作的
极控软件监视功能[13 ] 如表 3 所示。
表 3 中 :Uac 和 Uac′分别为换流变压器网侧交流
电压值及其正序电压值 ;U dL 为高压直流线路电压。
站用电系统是换流站内最重要的辅助设备 ,为
双极阀冷主泵、冷却塔、换流变冷却器等非常重要的
负荷提供电源 ,一旦站用电全部丢失 ,将直接造成双
极闭锁。显然 ,如果交流系统严重故障造成站用电
系统相关保护误动 ,同样可能造成严重后果。
表 3 交流系统故障时可能动作的极控软件监视功能
Table 3 Software monitoring function in pole control
system correlated with AC system fault
保护名称 动作逻辑 动作延时/ s 动作后果
同期电压监视功能
交流电压测量
故障检测功能
不正常运行范围的
监视功能
直流电流截止
监视功能 3
| Uac′| < 011 015
| U ac - Uac′| > 0115 11025
U dL < 0155 3
检测换相失败 012
由 主 系 统 切
换 至 备 用 系
统 ,如备用系
统也故障 ,则
启动 ESOF
注 : 3 表示当 Uac < 0175 时将闭锁该功能。
3 实例及改进建议
3. 1 交流系统严重故障实例及 100 Hz 保护的改进
3. 1. 1 运行实例
2006 年 6 月 23 日 ,天广直流整流侧交流系统
发生严重故障 ,造成整流侧双极 100 Hz 保护和换流
变中性点零序过流保护动作 ,停运双极。故障录波
如图 3 所示。
图 3 整流侧交流系统故障期间录波图
Fig. 3 Transient recorded curves of AC system
fault on rectifier side
如图 3 所示 ,随着交流系统故障 ,不仅交流侧出
现较大的零序电流 ,而且直流系统电流和电压中出
现了较大幅值的二次谐波 ,满足 100 Hz 保护 Ⅰ段延
时(最初为 012 s) 后 ,将直流负荷降为 013 ;但由于
交流故障仍未切除 ,对直流系统的影响依然存在 ,所
以满足 100 Hz 保护 Ⅱ段延时 (最初为 1 s) 后 ,闭锁
双极直流系统 ;同时 ,由于也满足换流变零序过流保
护的动作条件和延时 ,所以换流变零序过流保护也
动作 ,启动了双极 ESOF。
3. 1. 2 对 100 Hz 保护的改进
事故发生后 ,文献[9 ,12 ,14215 ]对 100 Hz 保护
的原理及影响进行了深入研究 ,同时 ,根据《中国南
—59—
·工程应用 · 朱韬析 ,等 交流系统故障对直流输电系统的影响及改进建议
方电网 2007 年运行方式》的计算和分析 ,交流系统
故障如主保护或断路器拒动 ,将可能引发单回或多
回直流同时降功率或闭锁 ,导致系统稳定破坏 ,且无
法通过安稳控制系统维持电网稳定。但对多数断路
器拒动故障、失灵保护动作前 ,如果直流输电系统不
降功率 ,电网便可以保持稳定。因此 ,在断路器保护
动作前 ,直流 100 Hz 保护 Ⅰ段不宜动作。而且 ,由
于断路器失灵发生的概率较高 ,因断路器失灵导致
多回直流同时降功率的动作后果比较严重 ,考虑到
开关拒动 ,与失灵保护动作时间的配合 ,故对天广和
贵广 Ⅰ回、Ⅱ回直流系统 100 Hz 保护进行了改进 ,
如表 1 所示 ,将 100 Hz 保护 Ⅰ段延时由 012 s 修改
为 10 s(实际取消了 Ⅰ段功能) , Ⅱ段延时由 1 s 修
改为 3 s。
同样 ,从图 3 也可以看出 ,逆变侧交流系统故障
时 ,直流电压和电流中也会出现较大幅值的二次谐
波。不过 ,由于已经改进了 100 Hz 保护 Ⅰ段延时 ,
所以并没有如图 3 一样启动降功率功能。
3. 1. 3 存在的问题
如表 1～表 3 所示 ,交流系统严重故障时 ,除了
100 Hz 保护可能动作外 ,还有其他部分直流保护及
监视功能、甚至换流变保护可能会误动 ,在交流系统
故障切除之前 ,误停运直流系统 ,甚至给电网带来重
大的不良影响。
如 3. 1. 1 节的故障案例中 ,即使改进了 100 Hz
保护 ,同样会由换流变零序过流保护动作 ,停运直流
系统 ;而如 1. 2 节的故障案例中 ,随着直流电压的降
低 ,整流侧直流低电压保护极有可能动作。
3. 1. 4 改进建议
对照设备制造规范书 ,根据 EM TDC 仿真和
RTDS 结果及实际工程应用案例 ,持续几秒的交流
系统故障 ,并不会威胁直流输电系统内换流阀、换流
变压器、平波电抗器、避雷器、直流滤波器等一次设
备的安全 ;而改进 3 次交流滤波器中的电阻器后 ,也
完全可以避免对交流滤波器造成危害[8 ] 。
因此 ,建议对表 1～表 3 内的相关保护、监视功
能根据以下原则进行改进 :以交流低电压保护作为
监测交流系统故障的主保护 ,其动作延时考虑与交
流系统后备保护相配合 ;其他相关保护作为监测交
流系统故障的后备保护 ,动作延时应大于交流低电
压保护动作延时。
至于改动最大的整流侧直流低电压保护 ,由于
该保护的主要功能是在通信系统故障、逆变侧已停
运的情况下 ,可靠停运整流侧 ,增加该保护动作的延
时并不会导致一次设备受到危害 ,同时还避免了高
阻接地故障时该保护误动的问题。
3. 2 交流系统严重故障对站用电系统的影响及改
进建议
3. 2. 1 运行实例
2008 年 7 月 30 日 ,天广直流逆变侧交流系统
发生严重故障期间 ,不仅造成直流系统较长时间的
换相失败 ,同时还导致广州换流站 2 号站用变后备
过流保护动作。故障录波如图 4 所示。
图 4 逆变侧交流系统故障期间站用变录波图
Fig. 4 Transient recorded curves of auxiliary power
system during AC system fault on inverter side
由于交流系统严重故障 ,10 kV 备自投装置已
监测到交流电压偏低、自动退出了备自投功能 ,所以
2 号站用变跳开后 ,未能自动投入 10 kV 3 号母线
103M ,造成部分低压负荷交流电源丢失。后经检查
发现 ,2 号站用变后备过流保护延时设置为013 s ,故
导致保护动作。随后将该延时重新整定后设置为
115 s。
3. 2. 2 改进建议
显然 ,交流系统严重故障时 ,也可能造成站用电
系统保护 ,尤其是后备过流保护误动 ,同时 ,由于交
流电压偏低会退出 10 kV 备自投功能 ,因此存在站
用电丢失的风险 ;而站用电为阀冷主泵等重要负荷
供电 ,换流站站用电全失将直接造成双极闭锁 ———
国内直流输电系统曾多次发生换流站站用电全失导
致双极闭锁的事故[16218 ] 。因此 ,不仅在站用电设计
时就要优化进线侧电源的网架结构 ,确保站用电取
自不同变电站的不同间隔[16 ] ,并采用降压变压器的
方式保证站用电稳定可靠[18 ] ,而且还需要根据电网
的发展及时整定站用电系统的保护定值和延时 ,重
视与交直流系统相关保护的配合 ,尽量避免在交直
流保护动作、切除故障前动作。另外 ,考虑到直流输
电系统的重要性 ,建议在换流站内安装备用发电机 ,
为阀冷主泵等直接影响到直流输电系统安全稳定运
行的重要负荷提供备用电源 ,尽最大可能避免换流
站站用电全失造成双极闭锁。
4 结语
目前 ,多馈入直流系统的形成给电网的安全稳
—69—
2009 , 33 (1)
定运行带来了严峻的挑战 ,交流系统故障期间 ,如果
又导致了多条直流系统同时双极闭锁 ,很可能导致
电网失稳。本文以南方电网交直流混联系统运行实
例为基础 ,探讨了交流系统故障期间直流系统控制、
保护、监视功能和换流站内其他设备应注意的问题 :
1) 直流系统的基本控制策略可以有效控制交流
系统故障对直流系统的影响 ,但需要进一步深入研
究低压限流功能对交流系统的不良影响 ,并合理利
用直流系统的稳定控制功能 ,提高电网的可靠性。
2) 研究表明 ,以南方电网直流输电系统为例 ,交
流系统故障对直流系统和换流站内一次设备的安全
并不会构成严重威胁 ,因此 ,建议直流系统、换流变
压器、站用变和交流滤波器等设备的相关保护动作
的延时均应妥善设置 ,并与交流系统保护动作延时
合理配合 ,保证交流系统故障切除之前 ,直流系统相
关保护不会先动作而造成直流系统停运。
3) 今后在设计直流输电系统时 ,应注意保证直
流系统和换流站内一次设备的安全在交流系统故障
可靠切除之前的时间内不会受到威胁。
4) 站用电系统是直流输电系统中最重要的辅助
设备之一 ,同样应合理设置相关保护动作定值 ,与交
直流系统相关保护相配合 ,避免区外故障时误动 ;同
时 ,为了确保站用电的可靠性 ,建议在换流站内安装
备用发电机。
参 考 文 献
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朱韬析 (1980 —) ,通信作者 ,男 ,硕士 ,工程师 ,主要研究
方向 :直流输电运行维护。E2mail : taoxi - zhu @hotmail.
com
武 诚 (1982 —) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向 :电力
系统稳定。E2mail : wuc @zju. edu. cn
王 超 (1981 —) ,男 ,博士 ,主要研究方向 :电网经济运
行与调度。E2mail : wangchao @zju. edu. cn
Influence of AC System Fault on HVDC System and Improvement Suggestions
Z HU Taoxi1 , WU Cheng2 , W A N G Chao3
(1. China Southern Power Grid Guangzhou EHV Bureau , Guangzhou 510405 , China ;
2. Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China ;
3. Zhejiang Electric Power Dispatch and Communication Center , Hangzhou 310007 , China)
Abstract : Interaction of AC and DC system in long2distance , high2capacity , ultra2high voltage AC/ DC hybrid system is very
complicated. Based on the analysis of operational examples in China Southern Power Grid , the effects of DC control system
during AC system fault are discussed first. Then some functions that maybe misoperate during the AC system fault , including
the DC protection and monitoring function , converter transformers protection and auxiliary transformers , are analyzed. The
improvement suggestions are given , which are not only valuable for improving the operation and maintenance capability and
insuring the safe and reliable operation of HVDC system , but also provide useful reference to the design of HVDC transmission
projects and the cooperation of AC/ DC system in China in the future.
Key words : AC/ DC hybrid system ; AC system fault ; DC protection and monitoring function ; converter transformer protection ;
auxiliary power system
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陈之栩 (1978 —) ,男 ,通信作者 ,博士 ,主要研究方向 :电
力市场、经济调度、电力系统优化。E2mail : Chen - zhixu @
126. com
谢 开 (1971 —) ,男 ,博士 ,主要研究方向 :电力市场、经
济调度、电网调度运行管理。
张 晶 (1970 —) ,男 ,硕士 ,主要研究方向 :电力市场、经
济调度、继电保护、电网调度运行管理。
Optimal Model and Algorithm for Day2ahead Generation Scheduling of Transmission Grid Security
Constrained Convention Dispatch
C H EN Zhi x u1 , X I E Kai1 , Z HA N G J ing1 , YA N G Zhenglin2 , L IU J un1 , W A N G Hong1
(1. North China Grid Company Limited Power Dispatch Communication Center , Beijing 100053 , China ;
2. NARI Technology Development Co. Ltd. , Nanjing 210061 , China)
Abstract : The day2ahead generation scheduling module of North China Power Grid security constrained convention dispatch
auxiliary decision2making system achieves two major functionalities , unit commitment and security constrained economic
dispatch. The optimized result of unit dispatch schedule satisfies the security constraints and auxiliary service requirements.
Based on the same optimisation model , different dispatch modes can be realized by different input data , such as the energy2
saving generation dispatch , generation scheduling dispatch , cost dispatch , and market competition/ clearing dispatch. The
violation and violation penalty weights are introduced to guarantee convergence and satisfy the actual engineering application
requirements. The computation time is reduced by the iteration of the simultaneous feasibility test and optimisation
computation. The optimisation model of day2ahead generation scheduling belongs to mixed2integer programming and the
branch2and2bound algorithm is adopted to solve it. To accurately check the day2ahead dispatch results , the study2state whole2
network multi2timepoint security check function is developed to ensure the scheduling result meets the power system security
requirements.
Key words : security constrained unit commitment ; security constrained economic dispatch ; mixed2integer programming ;
branch2and2bound algorithm
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2009 , 33 (1)
交流系统故障对直流输电系统的影响及改进建议.pdf
