特高壓直流故障對近區風機脫網的影響分析

郝 捷，劉鵬飛，張 健

（1.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原 030001；2.國網山西介休供電公司，山西 介休 032000；3.國網山西陽泉供電公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

近年來，隨著雁淮特高壓直流線路的投運，山西已形成特高壓交直流混聯的送端電網。而有著豐富風光資源的山西電網在直流近區配備了大規模的風電，實現了以風電、火電打捆經特高壓直流跨區外送的送電方式[1-2]。由于直流故障會導致近區風機大規模脫網的風險，給山西電網的安全穩定運行帶來隱患。因此，急需對風機脫網問題進行研究[3]。

1 雁淮直流近區風機現狀

山西電網從北到南已形成覆蓋全省的500 kV為主干的電力網絡。按照220 kV供電分片劃分，山西省電網分為大同、忻朔、中部、南部4大供電區域。雁淮直流接入忻朔電網的雁門關換流站，當前近區風機裝機容量達到3 000 MW以上，約占全省風電裝機總容量的30%。在近區存在大量風電機組的運行方式下，特高壓交直流混聯電網與風機的耦合特性逐漸增強[4]，直流故障會導致電網無功波動、風機脫網等問題，此類問題會威脅山西電網安全穩定運行[5-6]。本文利用中國電力科學研究院電力系統分析綜合程序 PSASP（power system analysis software package）搭建山西電網實際仿真模型，仿真分析雁淮直流發生故障對近區風機的影響，雁淮直流近區網架結構如圖1所示[7-8]。

2 風機暫態壓升計算分析

直流系統發生故障而導致近區風機高壓脫網的原因主要在于直流故障和風電同時率兩個方面。

2.1 不同類型直流故障對風機暫態壓升的影響

2019年，雁淮直流的最大送電能力約為6 000 MW，按雁淮直流送電功率6 000 MW、長南線南送5 800 MW、風機同時率40%方式，雁淮直流分別發生1次換相失敗、連續3次換相失敗、雙極閉鎖、雙極2次再啟動故障。以臥龍洞風電場為例，如表1所示（標幺值），在雁淮直流發生換相失敗后，換流站近區風電暫態壓升最大，且發生1次換相失敗與發生連續3次換相失敗的暫態壓升相同。

圖1 雁淮直流近區網架結構圖（含風電）

表1 不同直流故障類型時臥龍洞風電暫態壓升情況

對于直流系統而言，在發生連續換相失敗故障期間，前期因為直流系統的電流以及整流側觸發角同時增加，導致直流需要從系統側吸入大量的無功功率，而后期由于直流電流降為0但濾波器還盈余著大量無功，又使直流對系統釋放出大量的無功功率，這就會引起近區風機暫態電壓呈現出一種“先降低后升高”的特性，仿真波形如圖2所示。

2.2 不同風電同時率對風機暫態壓升的影響

按雁淮直流最大送電功率6 000 MW，明海湖近區風電同時率40%，雁淮直流發生連續3次換相失敗，仿真結果如表2所示，結果表明，風機脫網量為377 MW。

按雁淮直流最大送電功率600 MW，明海湖近區風電同時率60%，雁淮直流發生連續3次換相失敗，仿真結果如表3所示，結果表明，風機脫網量為567 MW。

圖2 不同直流故障類型時臥龍洞風電機端電壓曲線

表2 風機同時率40%風電脫網情況 MW

表3 風機同時率60%風電脫網情況 MW

按雁淮直流最大送電功率6 000 MW，明海湖近區風電同時率100%，雁淮直流發生連續3次換相失敗，仿真結果如表4所示，結果表明，風機脫網量為1 329.5 MW。

表4 風機同時率100%風電脫網情況 MW

在風機機端電壓降低期間，部分風機會進入低壓穿越的過程，導致其有功出力大幅度降低，在其低壓穿越的過程結束以后，風機有功出力的恢復過程比較緩慢，使風電場盈余了大量的無功功率。在風機機端電壓處于上升階段時期，風機與換流站的無功盈余會產生疊加作用，同時因為風機的無功補償設備具有電壓效應，就進一步提高了電壓。因此，風機有功出力越大，壓升越大。

2.3 風機脫網抑制措施

a）將雁淮直流近區風機的高壓（標幺值）保護動作定值由當前的1.2更改為1.3，可以有效地避免風機由于高壓保護誤動作而導致的脫網。由于山西電網直流外送的特點對風機的耐高壓特性有更高要求，因此在更改保護動作值以后，風機的耐高壓能力會比之前更符合直流近區的區域特點。能夠大幅度增強風機的高電壓穿越能力，減小風電機組因為大幅度壓升產生的脫網風險。

b）直流近區風機由于直流故障引起的暫態壓升而導致脫網問題，可以配置合理的動態無功補償裝置，有效改善風機的電壓水平，避免風機因為壓升而導致的脫網問題，保障山西電網的安全運行。

3 結論

a）直流近區接入大規模風機之后會影響電網的電壓特性。提升風機耐壓能力并加裝動態無功補償裝置，能夠在直流系統發生故障引起電壓波動時抑制風機大規模脫網，也可以在故障后對系統提供支撐，以此加速恢復電網電壓，為山西電網的風險管控及穩定運行提供策略和指導。

b）仿真結果符合山西電網特點，但是故障設置還具有局限性。隨著直流近區風機投產規模的升高，風機對系統的影響將逐步多樣化。山西電網，大規模風機脫網對交直流混聯送端電網穩定性產生的影響作用是需要進一步研究的問題。