交直流系统故障相互作用分析计算模型及其应用研究

【摘要】：随着我国直流工程建设的快速推进，南方电网和华东电网已经形成了复杂的多馈入直流输电系统(multi-infeed direct current，MIDC)。在含有多条直流馈入的交直流混联大电网中，交直流系统间以及各馈入直流系统间所存在的极其复杂的相互作用关系，在故障情况下显得越发突出，其机理的揭示及相关问题的研究对于确保交直流混联大电网的安全稳定运行具有重要的理论和实用价值。本文围绕交流电网故障时，交直流系统间故障稳态相互作用分析计算方法和故障暂态过程对交流电网保护的影响机理展开研究工作。针对故障稳态，分析建立不引起换相失败的交流故障情况下直流系统等值模型，并基于其提出一种MIDC系统受端交流电网故障分析及谐波计算方法；研究直流输电系统谐波不稳定的机理以及提出直流谐波保护新判据。针对故障暂态，分析建立换相失败情况下直流系统等值工频及工频变化量电流动态相量模型，并基于其分析直流换相失败对交流电网继电保护的影响机理。主要内容如下： 1．在分析交流系统故障情况下换流器动态开关特性和直流控制系统响应特性的基础上，建立了计及直流控制特性的直流系统等值模型。该模型反映了交流系统故障时由直流系统决定的直流系统注入交流系统电流的工频及各次谐波分量与换流母线电压的工频及各次谐波分量之间的关系，提供了多直流馈入交流电网故障分析所需的交直流系统间的接口模型。 2．基于计及直流控制特性的直流系统等值模型，结合受端交流电网的拓扑结构和交流不对称故障的边界条件，提出了一种多直流馈入交流电网故障分析和谐波计算方法，能有效提高各种运行工况下直流系统注入交流系统电流以及换流母线电压的工频和各次谐波分量的计算精度。以CIGRE标准测试系统为基础搭建三馈入直流输电系统模型，将所提方法用于该模型的故障分析和谐波计算，并与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件的仿真结果相比较，结果表明所提方法计算简单，可靠收敛，精度较高，为MIDC系统故障分析、谐波抑制、滤波装置的配置和继电保护的整定配合等提供了定量分析依据。 3．高压直流换流器谐波调制特性和换流变压器饱和特性的共同作用可以导致谐波不稳定现象的发生。对换流器的谐波调制特性和换流变压器饱和时的谐波变换特性进行分析，基于谐波在饱和换流变压器以及换流器交直流侧的闭环传变特性，提出了一种换流变压器铁心饱和型谐波不稳定判据。基于该判据，对换流器运行参数、换流变压器参数和交直流系统等值阻抗等影响因素进行了理论分析。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立测试模型证明了该判据简单，物理意义清晰，参数易得，且可定量评估换流变压器铁心饱和型谐波不稳定发生的程度，为高压直流输电系统谐波不稳定的风险评估和抑制措施等提供了理论依据。 4．针对直流100Hz保护逻辑中存在识别换流阀故障和交流不对称故障的难题，在详细分析换流阀故障和交流不对称故障导致换流器电流开关函数产生工频负序分量机理不同的基础上，提出了利用两种故障情况下换流站6脉动换流器电流开关函数工频负序分量幅值比的不同来识别换流阀故障和交流不对称故障的新方法。该方法不仅能正确识别换流阀故障和交流不对称故障，而且能实现换流阀故障时故障桥的定位。基于贵广II回HVDC系统详细模型对该方法进行了仿真验证。结果表明，该方法简单可靠，具有工程实用价值。 5．在交直流互联系统中，交流电网故障引发的直流换相失败可导致交流电网保护不正确动作。分析建立了换相失败情况下逆变器的开关函数模型和直流电流暂态变化模型；根据调制理论及卷积定理，推导出了换相失败情况下直流系统的等值工频及工频变化量电流的动态相量模型；通过分析表明该等值工频及工频变化量电流的变化特性有别于纯交流系统，可能造成交流电网故障引发换相失败时交流电网保护的不正确动作；最后，结合两种具体的交流电网保护，分析了直流换相失败导致交流电网保护不正确动作的机理，为交直流系统继电保护策略研究提供了理论基础。