高壓交直流混聯輸電對電網運行影響的仿真研究

何文博，關煥新，高慶忠

(沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

扎魯特—青州±800kV高壓直流工程是落實中央全面振興東北老工業基地戰略部署，推動東北電力協調發展的重大工程。扎魯特直流投運后，遼寧、黑龍江、吉林、蒙東地區的大部分電力將通過扎魯特直流送出，遼寧電網500kV層面更多的電力將向扎魯特匯集，形成東電西送為主的特高壓交直流混聯格局[1]，遼寧電網主要輸送斷面的暫態穩定極限均將重新界定，運行特性發生較大改變。本文主要通過對遼寧部分電網的仿真分析了扎魯特直流工程投運后發生直流閉鎖故障[2]對遼寧地區部分電網的影響，并基于以上分析制訂了應對措施。

1 仿真模型

遼寧電網位于東北電網的南端，是東北電網與華北電網的聯系樞紐。根據負荷電源布局及網架結構，可分為遼西電網、遼中電網和遼南電網。

扎魯特直流輸電工程投運后，對遼寧地區電網的運行、頻率、無功動態穩定、原有繼電保護和安全穩定裝置等各個方面都產生了不同程度的影響。為研究遼寧直流系統在運行中出現的問題，需要將遼寧直流系統整體關聯起來，對遼寧直流輸電系統進行建模分析，了解直流系統運行機理和各元器件設備特性，進而研究系統的穩態運行和故障特性。

2 電壓特性

扎魯特直流定位是送出遼寧目前盈余電力，10 000 MW功率通過500 kV線路從全網遠距離匯集，電壓控制十分困難，集中表現在直流初始功率超過一定限值時交直流系統故障過程中，換流站及其近區暫態電壓和故障后的穩態電壓直接威脅一、二次設備安全。

2.1 不同電容切投策略對電壓的影響

暫態電壓升高引起的設備安全問題成為影響扎魯特直流輸電能力的關鍵因素。扎魯特直流雙極閉鎖，采取不同電容切頭策略下換流站交流側母線電壓暫態過程如圖1、圖2所示。

圖1 直流雙極閉鎖，不同電容投切策略下扎魯特換流站交流母線暫態電壓

圖2 直流雙極閉鎖，不同電容投切策略下穆家換流站交流母線暫態電壓

由圖1、圖2可見，若不采取任何措施，扎魯特直流雙極閉鎖后，對遼寧電網電壓沖擊很大，換流站交流母線暫態電壓最高超過1.3 pu，恢復穩態后的電壓超過1.2 pu，其他母線暫態電壓超過1.1 pu，恢復穩態后的電壓超過1.05 pu，系統無法正常運行。

一次性投切電容和分組逐步投切電容，二者在系統恢復到穩態后電壓基本保持一致，逐步投切條件下，電壓暫態恢復相對慢一些，暫態電壓超標的時段更長。由以上分析可見，為了抑制遼寧特高壓電網發生直流閉鎖故障后的電壓超標問題，迅速切除換流站電容器組和濾波器組是有效措施之一。

2.2 不同輸送容量對電壓的影響

直流輸送容量與閉鎖故障后的電壓暫態特性密切相關[3]，若直流輸送容量大，閉鎖后系統失去電壓較多，無功不平衡功率差額也較大，對電網電壓的沖擊和影響就更大。不同輸送容量下，扎魯特直流雙極閉鎖，扎魯特直流輸送容量分別為10 000 MW、8 000 MW、6 000 MW時，換流站交流側母線電壓暫態過程如圖3、圖4所示。

圖3 直流雙極閉鎖，不同直流輸送容量下扎魯特換流站交流母線暫態電壓

圖4 直流雙極閉鎖，不同直流輸送容量下穆家換流站交流母線暫態電壓

由計算結果可見，隨著扎魯特直流輸送容量的增加，扎魯特直流雙極閉鎖后，對遼寧電網電壓沖擊也逐漸增加，系統暫態電壓隨著扎魯特直流傳輸容量的增加而不斷增加。三者的主要區別在于初始暫態過電壓不同，電壓恢復過程中的暫態電壓不同，而穩態恢復電壓基本相近。由以上分析可見，為了抑制遼寧特高壓電網發生直流閉鎖故障后的電壓超標問題，在某些運行方式下，限制扎魯特直流輸送容量也是有效措施之一。

輸送容量最大(10 000 MW)時，當扎魯特直流雙極閉鎖時，扎魯特換流站和遼寧典型500 kV母線電壓計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 扎魯特直流10 000 MW，雙極閉鎖時扎魯特換流站母線電壓曲線

圖6 扎魯特直流10 000 MW，雙極閉鎖時遼寧典型500 kV母線電壓曲線

由計算結果可見：①扎魯特直流發生閉鎖故障后，大量容性無功注入交流系統，導致換流站周邊電網電壓迅速升高。電網其余各部分的電壓也有較大的暫態電壓，但換流站附近暫態電壓的升高最為顯著。②雙極閉鎖時近區500 kV母線瞬間電壓接近1.4 pu。可見直流閉鎖瞬間由于無功大量剩余，換流站周圍變電站母線電壓快速升高，但在無功裝置切除后，近區變電站母線電壓均能夠恢復到正常水平附近。

2.3 控制策略

雙級閉鎖故障下電壓穩定性及控制策略如下。

a.直流換相[4]失敗，如果直流輸送功率10 000 MW，換流母線暫態電壓最高將達到1.4 pu；若要控制暫態電壓不超過1.3 pu，需控制直流初始功率不大于8 400 MW；如果控制暫態電壓不超過1.1 pu(風場的220 kV電壓母線)，需控制直流初始功率不大于6 200 MW。

b.直流閉鎖后系統的電壓暫態過程和恢復后的電壓運行狀態，與直流閉鎖故障前的系統運行狀態、無功配置、直流功率、開機方式等多種因素有關，為保證系統電壓的穩定運行和新能源的大規模送出，建議開展針對遼寧特高壓電網直流閉鎖故障下的遼寧地區無功和電壓優化配置和運行的研究。

c.為提高遼寧交直流混合電網電壓穩定性和抵御事故的能力，建議開展主干網架動態無功補償220 kV風電接入網絡動態無功補償策略的研究。

3 功角特性

扎魯特直流發生單極閉鎖或雙極閉鎖，遼寧送端電網均會失去大量負荷，產生電源過剩，從而引發較為劇烈的功率振蕩和發電機功角擺動。在這個過程中，伴隨著頻率變化和電壓的變化,為此從功角角度來分析直流發生閉鎖后電網的故障特性。

按照扎魯特直流分別輸送10 000 MW、8 000 MW、6 000 MW條件下，冬季大負荷，發生雙極閉鎖故障，研究遼寧電網典型機組功角特性。計算過程中暫不考慮切除機組措施，換流站電容器組在故障后0.5 s一次性投切，計算結果如圖7—圖9所示。

圖7 扎魯特直流雙極閉鎖，不同直流輸送容量下，綏中—伊敏機組功角特性曲線

圖8 扎魯特直流雙極閉鎖，不同直流輸送容量下，綏中—霍林河機組功角特性曲線

圖9 扎魯特直流雙極閉鎖，不同直流輸送容量下，綏中—白音華機組功角特性曲線

經仿真計算結果可知：扎魯特直流雙極閉鎖后遼寧電網重要機組的功角搖擺曲線如能夠保持一致，典型大機組將發生功角搖擺[5]，最大功角差為20°，這表明同步穩定性[6]不是制約系統動態穩定問題的主要因素。

4 頻率特性

扎魯特直流工程投產后，當扎魯特直流出現單極閉鎖時，遼寧電網頻率變化如圖10—圖12所示。

圖10 扎魯特直流雙極閉鎖時遼寧頻率特性曲線

圖11 扎魯特直流雙極閉鎖時，切機5 900 MW，遼寧頻率特性曲線

圖12 扎魯特直流雙極閉鎖時，切機8 540 MW，遼寧頻率特性曲線

雙級閉鎖故障下頻率穩定性及控制策略如下。

a.若扎魯特直流雙極閉鎖，不采取任何切機措施，東北電網頻率最高可能升至53.12 Hz。

b.若扎魯特直流雙極閉鎖或雙極閉鎖后再啟動失敗，為控制頻率最高不超過51 Hz，需切除東北電網5 900 MW電力，為控制穩態頻率不超過50.2 Hz需切除東北電網8 890 MW電力。

由仿真結果可見，為應對遼寧電網的高頻問題，應在全網范圍內組建頻率穩定控制系統，系統以扎魯特換流站為主站，以遍布全網的火電、風電、水電電源點或匯聚站為執行站，控制措施包括：集中切除運行風電場；切除運行水電機組；切除常規火電機組，切除不影響或影響可以接受的供熱火電機組。

5 結束語

對扎魯特直流輸電系統投運后，遼寧地區部分電網進行了仿真分析，研究了直流閉鎖故障下，切投電容以及輸送容量對遼寧部分電網電壓特性的影響，并給出了相關應對措施；計算了遼寧部分電網在不同輸送容量下的功角特性曲線，并通過分析得到了同步穩定性不是制約系統動態穩定問題的主要因素這一結論；研究了直流閉鎖故障對遼寧部分電網頻率的影響并制訂相關應對措施。