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GB/Z20996.3-2007/IEC/TR60919-3:1999高压直流输电在我国电网设中,对于长距离送电和大区联网有着非常广阔的发展前景,是目前作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段。根据我国直流输电工程实际需要和高压直流输电技术发展趋势开展的项目在引进技术的消化吸收、国内直流输电工程设经验和设备自主研制的基础上,研究制定高压直流输电设备国家标准体系。内容包括基础标准、主设各标准和控制保护设备标准。项目已完成或正在进行制定共19项国家标准:(1)《高压直流系统的性能第一部分稳态》(2)《高压直流系统的性能第二部分故障与操作》(3)《高压直流系统的性能第三部分动态》(4)《高压直流换流站绝缘配合程序》(5)《高压直流换流站损耗的确定》(6)《变流变压器第二部分高压直流输电用换流变压器》(7)《高压直流输电用油浸式换流变压器技术参数和要求》(8)《高压直流输电用油浸式平波电抗器》(9)《高压直流输电用油浸式平波电抗器技术参数和要求》(10)《高压直流换流站无间隙金属氧化物避雷器导则》(11)《高压直流电月并联电容器及交流滤波电容器)乙.J(12)《高压直流输电用直流滤波电容器》(13)《高压直流输电用普通晶闸管的一般要求》(14)《输配电系统的电力电子技术静止无功补偿装置用晶闸管阀的试验》(15)《高压直流输电系统控制与保护设备》(16)《高压直流换流站噪音》(17)《高压直流套管技术性能和试验方法》(18)《高压直流输电用光控晶闸管的一般要求》(19)《直流系统研究和设备成套导则》理罚素前网Z.ZC.E1
GB/Z20996.3-2007/1EC/TR60919-3:1999高压直流系统的性能第3部分:动态1范围GB/Z20996的本部分提供了高压直流系统动态性能的综合导侧。本部分中的动态性能是指其特征频率或时间区域覆盖暂态条件到稳态条件之间范围的事件和现象。它涉及到的动态性能应属于在稳态或暂态条件下,两端高压直流输电系统与相连的交流系统或其部件,如电厂、交流线路和母线、无功源等之间的相互影响。两端高压直流输电系统采用由三相桥式接线(双路)组成的12脉动(波)换流器单元构成,具有双向功率传输能力。换流器采用由无间隙金属氧化物避雷器进行绝缘配合的晶闸管阀作为桥臂。本部分中未考虑二极管换流阀。对于多端高压直流输电系统虽未特别提及,但本部分中的许多内容也适用于多端系统。GB/Z20996由三个部分组成。第1部分稳态,第2部分故障和操作,第3部分动态。在制定与编写过程中,已经尽量避免了三部分内容重复。因此,当使用者准备编制两端高压直流系统规范时,应参考三个部分的全部内容。对系统中的各个部件,应注意系统性能规范与设备设计规范之间的差别。本部分没有规定设备技术条件和试验要求,而是着重于那些影响系统性能的技术要求。本部分也没有包括详细的地震性能要求。另外,不同的高压直流系统可能存在许多不同之处,本部分也没有对此详细讨论,因此,本部分不应直接用作某个具体工程项目的技术规范。但是,可以以此为基础为具体的输电系统编制出满足实际系统要求的技术规范。本部分涉及的内容没有区分用户和制造厂的责任。2规范性引用文件下列文件中的条款通过GB/Z20996的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注明日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分。然而,鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本部分。GB/Z20996.1-2007高压直流系统性能第1部分:稳态(IEC/TR60919-1:1988,IDT)GB/Z20996.2-2007高压直流系统性能第2部分:故障和操作(IEC/TR60919-2:1991,DT)3高压直流动态性能规范概要3.1动态性能规范高压直流系统完整的动态性能规范应包括以下章节:一交流系统潮流和频率控制(见第4章);交流动态电压控制及与无功源的相互影响(见第5章);交流系统暂态和静态稳定性(见第6章);较高频率下高压直流系统的动态性能(见第7章);次同步振荡(见第8章);一与电厂的相互影响(见第9章)。第4章涉及利用高压直流系统的有功功率控制影响相关交流系统潮流和/或频率,以改善交流系统的性能。在设计高压直流有功功率控制模式时应考虑以下儿点:興尚览素前阀ZC.ET
GB/Z20996.3-2007/1EC/TR60919-3:1999a)稳态运行时,使交流系统损耗最小;b)稳态运行和扰动时,防止交流输电线过负荷;c)与交流发电机调速器控制配合;)稳态运行和扰动时,抑制交流系统频率偏差」在第5章中,当采用交流母线电压控制时,应考虑高压直流换流站和其他无功源(交流滤波器、电容器组、并联电抗器、静止无功补偿装置、同步调相机)的电压和无功功率特性,以及它们之间的相互作用。在第6章中,对通过控制高压直流有功和无功,以阻尼机电振荡来提高互联交流系统的静态和/或暂态稳定性的方法进行了讨论。第7章涉及一个高压直流系统,由于换流器产生的特征谐波和非特征谐波所引起的在二分之一工频以上频率范围内的动态性能;地讨论了防止失稳的措施在第8章中,考虑了由于高压直流控制系统(定功率和定电流调节方式)与火电厂的涡轮机在它们的自然颜率下,发生扭矩放大和机械振荡的现象;定义了次同步振荡阻尼控制的规范。在第9章中,考虑了一个电与电气距离较近的高压直流系统之间的相互影响,考虑了核电站的一些特点和对高压直流系统可常性的要求。3.2一般说明对于所要考虑的高压直流系统,其任何设计要求均应在稳态性能(GB/?20996.1)和暂态性能(GB/Z20996.2)所覆盖的设计限制之内。在制定高压直流系统动态性能规范时,应以详细的电力系统研究为基础,确定正确的高压直流系统控制策略;并规定输人信号的优先级和处理方法。4交流系统潮流和频率控制4.1概述素才双高压直流系统的有功控制能够用于控制相连交流系统的潮流及频率,以改善交流系统在稳态运行和扰动下的性能。该章说明高压直流有功功率运行方式可用于改善交流系统性能,以达到如下目的:一稳态运行时高压直流功率控制用于使电力系统总损耗最小扰动以及稳态条件下,高压直流功率控制用于防止交流线路过负荷;高压直流功率拉制与交流系统发电机调速器控制配合;在稳态运行以及扰动时,高压直流功率控制用于抑制交流系统频率偏差。使用有功和/或无功的方式来改善交流系统动态和暂态稳定性,或改善交流电压控制,在第5章和第6章论述。4.2功率潮流控制4.2.1稳态功率控制要求高压直流系统的功率控制通常可用于使电力系统总损耗最小,防止交流输电线过负荷、或与交流发电机的调速器控制配合。随着高压直流系统在整个电力系统中的作用变化,对直流功率控制的要求也有所不同。当高压直流系统用于输送远端发电站功率时,高压宜流传输功率控制需与发电厂发电机调速器控制配合,此时发电机的电压、频率、或转速可以作为高压直流功率控制系统的参考值。当一个高压直流系统连接两个交流系统时,在常规条件下按预定方式控制高压直流功率;但可在此高压直流功率控制上附加一个功能,以便控制任何一端或两端交流系统的频率。当其中一个交流系统是一个独立系统时,如向孤岛供电,此时该独立交流系统就必须由高压直流系统实现频率控制。在4,3中讨论由高压直流系统控制交流系统频率。当两个交流系统通过一个以上的直流系统相连,或同时由直流和交流线路连接时,或当一个直流系统处于一个交流系统中时,均可对高压直流功率进行控制,以使整个互联系统的总输送损耗最小。在上述交/直流系统结构的一些工况下,控制高压直流系统功率的变化,能够防止电力系统中一条2理甄素前网Z.ZC.E]
GB/Z20996.3-2007/IEC/TR60919-3:1999或多条输电线路过负荷。在某些特殊的高压直流控制方案中,例如方案设计为扰动过程中或扰动后增加直流功率以改善交流系统的性能,稳态直流传输功率必须设置在一限定范围内,以便此控制被启动时,直流功率就不会超出直流额定功率或过载能力。此时还必须考虑为高压直流换流器和交流系统提供所需的无功功率。在稳态控制要求的规范中应考虑以下)到g)项的需要。在制定规范时应注意,由于完整的稳态控制要求可能还没有设计或决定,因此,应为将来可能的输人留有裕度。)当设计的潮流控制系统有多个功能时,包括交流系统频率控制,则应对这些控制功能设置优先权。b)在稳态条件下,防止交流线路过负荷控制的优先级通常高于其他潮流控制。对于使电力系统损耗最小的控制,或是通过电力系统数据确定的预置直流功率参数控制实现,或是根据负荷调度中心的在线计算执行操作,通常它的腔制响应较慢,达几秒或几分钟甚至更长。c)在孤岛系统或有大型直流输电接人的系统,频率通常由高压直流功率维持。此时,高压直流频率控制优先于系统损耗最小控制,但它可能受到过负荷保护的限制。d)无功需求随着功率变化而改变,这可能导致频繁切换无功补偿装置。此时,需要特殊的交流电压控制措施,例如通过换流单元的无功控制,或对高压直流功率变化幅值设置限制等。e)应对电力系统所需的特殊功率指令调节信号加以确定、研究和规范。不允许这些信号引起直流电流或功率、或交流电压偏差超过装置和系统的额定值和限制值。当两个或更多的输入信号同时要求直流系统功率调节时,必须对其立优先级并进行协调。)双极直流系统通常要求直流功率和电流在各极之间有效均分;当一个极退出,剩余极的过负荷应能使交流系统的潮流、电压和频率的扰动最小。?g)直流系统送,受端之间通信中断不应起对交流系统的扰劲。规范至少应要求:在通信中断时,保持输送功率不变。如果在通信线路暂时中断时仍需要如频率控制这样的辅加功能,均应在规范中规定。4.2.2功率阶跃变化的要求在某些条件下,电力系统在扰动中或扰动后,要求高压直流系统功率阶跃变化以改善交流系统的性能。有时,这种功率阶跃变化也包括直流功率反转。通常通过改变设置的直流系统功率指令定值,或通过改变功率范围以响应输入信号,来实现直流功率阶跃变化。阶跃变化需要的功率变化率和直流功率变化的限制量,应被限制在交流系统要求的范围内进行调节。例如,对于不同的事件可以要求不同的变化率。当功率阶跃变化包括功率反转时,应特殊考虑。在规范直流功率阶跃变化时,所应考意的电力系统扰动包括:交流线路跳闸、失去大的供电电源、交流系统频率大幅度降低、突然增加或减少电力系统负荷导致的大幅度频率偏移等。在上述一些电力系统扰动中,交流系统也将由直流系统提供的交流频率控制来支持。在设计和规定高压直流控制功能时,应针对各种电力系统条件,详细考察功率阶跃功能的影响。最好规定功率变化的限制和范围,以及变化率,而不是规定定值。可以在直流系统运行时进行定值调整。高压直流功率阶跃变化的启动信号包括:过负荷继电器信号;或送到高压直流换流站特别的输电线路跳闸信号;或在高压直流换流站以及交流系统某些点测得的交流系统频率等。传输这些启动信号的通信系统延时将影响直流或交流系统的性能。因此,对某些情况,需要高速通信系统。当信号传输延时太长时,应考虑其影响。某些情况,信号要同时送给两个高压直流换流站或一个高压直流换流站需要接受多个信号,此时必须设置控制功能的优先级。直流功率阶跃变化量可能受交流和直流系统条件的限制,因此需要在特定工况下检测系统条件的变化,更新其限制值。3興尚理甄素荷网Z.
GB/Z20996.3-2007/IEC/TR60919-3:1999特别是当直流系统功率阶跃变化很大时,可能会使交流电压产生相当大的变化。因此,需研究交流电压允许波动的范围进而决定功率阶跃变化的限制,或是提出一种特殊的交流电压控制方法。在稳态运行和暂态条件下,允许的交流电压偏移限制可能不同,应分别予以规定。当高压直流系统与一个高阻抗和/或小惯性的交流系统相连时,直流功率阶跃变化对交流系统电压稳定、暂态稳定和频率都有不利的影响。在此情况下,必须限制功率的变化率和变化量,或是提出其他待殊的方法来阻止交流系统动态性能的恶化。当一个高压直流系统和两个交流系统互联时,必须详细评定直流功率阶跃变化的影响,不仅要考虑发生扰动的交流系统,而且要考虑另一个未发生故障的交流系统的情况。当直流功率阶跃变化会造成直流电流低于高压直流系统允许运行的最小值时(通常是额定电流的5%到10%),换流器运行应限制在正向最小电流;否则,经过一段允许时间的低电流运行后,换流器应被闭锁,或规定运行电流应降到零在失去通信时,因为逆变器控制的限制和可能对交流系统运行带来的危害,除非采取特殊的控制策略,否则电流的阶跃变化般不应大于电流裕度。当高压直流系统必须从空载备用状态起动以响应一个功率阶跃变化指令时(参见GB/Z20996.12007的7.4),可能还需要考虑其他因素。4.3频率控制利用高压直流系统控制交流系统频率,可用于以下情况:)一个从远端电原送电的直流系统,送端和/或受端所连接交流系统的频率控制:b)一个孤岛的交流系统,当它通过直流系统与一个大交流系统互联时的频率控制;c)通过高压直施系统互联的任一端交流系统的频率控制,同时要考虑另一端系统的频率。交流系统领控,或作为稳春条下预率的特续控制功能,或是当交流系统的领率偏差超出了某一限值时执行的控制功能。频率控制可能仅在某些情况下才起作用,例如,当与高压直流换流站连接的地区交流系统(独立)与主交流系统无联系时。因此,规范应规定频率控制功能的任务和特性要求。如果利用改变或调节直流系统输送功率来控制受端的频率,直流系统的频率控制就必须与其连接的任一台相关交流发电机的调速器控制进行协调。还可利用异步的送端系统暂态频率偏差能力支持受端系统,进而提出交流发电设备的设计要求。当高压直流换流站在电气上远离交流系统中心时,高压直流换流站的交流电压相角完全随功率变化而改变,此时频率信号的响应速度将减慢。为了避免这种低速的响应,可在交流系统中心检测频率信号,并将其传输给高压直流换流站。在频率控制时,为了使交流系统电压的波动维持在允许的范围内,要求提供功率变化和功率变化率的限制,或者采用特殊的电压调书法,例如利用换流器或静态无功补偿装置控制无功功率。应该规定在稳态频率控制期间,允许的电压波动限制值。当直流系统承担交流系统频率控制时,如果配合不当,可能使发电机频率控制减弱。当两个不同的电力系统互联时,应对高压直流系统的频率控制规定适当的死区,或频率控制中应采用适当的增益,以通过直流功率控制来补偿大的或快速的频率波动,而通过属于独立交流系统的电来控制小的、慢速的频率波动。对于严重扰动时的频率控制,应进行设计的修正。例如,大型发电机组跳闸引起的扰动,如果发电机组的跳闸信号传输给高压直流换流站去启动控制作用,则可以更有效地实现频率控制。频率控制时直流功率的快速和大幅度变化,可能引起交流系统的过电压或电压降低。这种情况可通过限制功率变化率或采用快速无功补偿来缓解。应规定允许的过电压或电压降低的数值,以及允许的持续时间。当实施直流功率控制来实现频率控制时,通常需要提供快速通信通道,例如在两个高压直流换流站间安装微波通道。当两个直流换流站间通信中断时,频率控制通常受到实施电流控制的换流站侧交流興尚理览素前网Z]
GB/Z20996.3--2007/IEC/TR60919-3:1999系统的限制。当频率检测点远离高压直流换流站控制端时,或准备利用交流系统提供的特殊信号启动频率控制作用时,要求使用通信通道。在任何工况下,都应该计及通信延时的影响。对于通信通道的说明,参考GB/Z20996.1一2007的第13章。5交流动态电压控制及与无功源的相互影响5.1概述负荷改变、倒闸操作或故障时引起的无功潮流变化,会在交流电网中产生电压波动。对于高阻抗交流电力系统,即短路容量低、电压波动大的系统,电压控制的需要就更为明显。应对电网电压的突然变化量规定一个适当的限制值,例如,经常发生的电压被动应小于3%,偶尔发生的电压波动应小于10%。在低短路容量的电网中,由于大的负荷变化及甩负荷会造成超过正常运行范围的高暂态过电压,它可能危及变电站设备,此时可切除无功源对其进行限制。应该规定可接受的暂态过电压限制值和持续时间。5.2高压直流换流站及其他无功源的电压和无功特性可采用不同的设备来实现高压直流换流站交流母线的动态无功和电压控制。图1给出一个高压直流换流站的无功补偿设备示意图。无功补偿设备的选取应考虑交流电网特性和高压直流换流站有关数据的要求,以及对各种可能方案的经济评估。5.2.1换流器作为有功/无功源去大才高压直流换流器的有功无功与以下因素有关:换相阻抗;换相电压;整流器的触发角《或逆变器的关断角Y;直流电流。换流器的运行时间常数是由控制系统、测量系统以及直流输电线的时间常数组成。如果典型控制系统时间常数范围是几毫秒,其触发角和关断角的控制将在小于20s的范围内,而整个直流系统的响应时间通常在50ms~150ms之间。除了换流器的触发控制,还可通过分接开关进行控制,但每级分接开关的改变要有几秒的延时。因此,这种控制不能用于快速有功/无功控制,只能用于调整最优运行条件的新运行点。考虑动态工况时,换流器的有功/无功特性可参见图2所示(或参见GB/Z20996.1一2007的图15)。图2中所给定的最大直流电流,以及从几度到90°的触发角运行有效范围可以作为理论值使用。然而,实际的变化范围要受到设备的设计和运行条件的限制。下述为不同动态运行条件下换流器特性的一些实例:在定触发角α或定关断角Y运行时,动态工况的无功功率随有功功率变化的相应曲线由图2的曲线a表示。当有功功率改变时无功功率保持恒定(图2的b线),触发角α或关断角Y随之改变。如果换流站确定了相应的应力要求,则根据交流电网的要求,曲线a和曲线b之间面积范围内的所有运行点都可用于动态控制目的。在背靠背直流系统中,换流器的无功控制可在较大范围内进行;对于长距离或电缆输电系统,换流器无功控制的范围将受到一定的限制,它首先要考虑保持直流线路或电缆的电压恒定,以经济地输送有功功率。当一个换流器用于无功控制时,必须考虑对另一端换流器运行的影响。尽管两个换流器在背靠背興尚理甄素前网Z.ZC.ET
GB/Z20996.3-2007/IEC/TR60919-3:1999连接时被一个平波电抗器隔离,在两端输电的情况下由多个平波电抗器、直流线路或电缆、直流滤波器隔离,但一个换流器的有功/无功动态改变将影响另一端换流器的有功/无功,因此,必须对高压直流系统两端的控制进行协调。对远距离架空线或长电缆输电线路,直流输电系统较长的响应时间会影响有功/无功的动态性能,但可通过两端通信信号加以协调。如果通信系统故障,两端间的协调可以基于控制中的电压/电流控制特性进行,这时控制响应较慢。在背靠背换流站中,控制的协调更易实现。5.2.2与高压直流换流站母线潮流有关的交流电网电压特性在进行动态电压控制时,重要的是描述不同电压水平下,交流母线上有功/无功与交流电网特性的关系。图3是这种稳态性能的典型曲线。为保持某一电压(如,额定电压1p.1.)恒定,每个直流换流站要根据无功和有功的关系来规定高压直流换流站应该输出或消耗的无功量。图3可用于确定动态电压控制,曲线通常通过潮流和稳定程序计算得到。此外把交流电网简化为-个简单的戴维南('Thevenin)等值电路(见图4)也是可行的。在发电机远离高压直流换流站母线的交流网络中,励磁电压E(图4)近似地维持恒定,仅当交流电网的结构改变,如输电线路、负荷或发电机跳闸时才改变。但当发电机处在高压直流换流站附近时,有功/无功功率工况和相应电压工况的变化将会影响发电机的电压,发电机励磁控制将会动作并影响高压换流站母线的电压工况。电压变化时间常数大约是100ms一500s;当发电机与高压直流换流站的电气距离很近时,例如,独立发电机一高压直流网络结构,该值会更小。对于这种馈入方式的高压直流系统需要考虑更多的细节,例如高压直流控制和发电机电压控制必须紧密协调等。5.2.3用于高压直流换流站无功补偿的交流滤波器、电容器组和并联电抗器的电压特性为了满足稳态工况下的无功需求通常需要安装交流滤波器、电容器组和并联电抗器。为至少满足谐波特性所带的最小交流滤波器组应连接在高压直流换流站。其余可投切的无功补偿设备也可用于动态电压控制和系统所需无功的调节。无功补偿设备的容量由交流电网的需求决定,并应限制投切时电压的阶跃变化。在换流器运行时,可利用换流器控制的帮助抑制无功功率的变化,以减小换流器运行时无功设备投切引起的暂态电压变化。可实施双重操作,例如同时控制投入和切除不同容量和型号的无功设备,用于减小无功的变化。在对无功补偿设备进行规划配置时,应考虑交流合闸时间、控制系统处理时间,以及这些设备的放电或工作周期等限制因素。还应特别考虑电气回路开关的操作方式,包括在误操作或故障情况时设备的暂态恢复电压(TRV)。5.2.4静止无功补偿装置(SVC)的电压特性可通过静止无功补偿装置来控制交流网络的动态电压。当高压直流换流站退出运行或换流器无功功率挖制由于其他原因不能实现时,静止无功补偿装置可用于高压直流换流站母线的电压控制。与高压直流换流站母线连接的静止无功补偿装置的容量需根据母线电压变化的要求和需要补偿的无功功率决定。静止无功补偿装置的无功额定值应大于连接于母线上的最大可投切无功功率时,才能平稳地调压。静止无功补偿装置的容量还需根据过电压限制要求确定,例如甩负荷时,可利用静止无功补偿装置的过负荷能力。当计算静止无功补偿装置的动态补偿时,需考虑连续运行期间的运行点。从连续运行开始,静止无功补偿装置就应具有足够的调节范闱来维持电压控制。静止无功补偿装置设计的一个重要方面是其可用率问题。如果在静止无功补偿装置可能退出运行时仍要考虑静止无功补偿装置的动态性能,则需要有一个备用单元,或必须对运行进行限制。5.2.5同步调相机(SC)的电压特性在无惯性或小惯性的交流网络中,同步调相机用于增大短路额定值和惯性。此时同步调相机的容6理甄素荷网Z.
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