交直流混聯電網對動態穩定的影響分析

王 淵，高玉喜，程曉磊，蔡文斌

（1. 內蒙古電力經濟技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010000；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著國內特高壓交直流輸電的大規模建設以及地區網架補強，電網網架結構日趨緊密[1-3]，電網存在的穩定問題也由傳統的暫態穩定問題、動態穩定問題向短路電流超標[4-5]、電力電子化帶來的新能源脫網[6-7]、諧波振蕩[8-10]等方面轉變，但由于新疆、西藏、內蒙古等地區地理環境的影響，仍然存在因弱聯絡、長距離輸電而存在的電壓穩定、動態穩定問題[11-12]。

當前直流規劃多針對新能源匯集區域電力外送需求與沿海地區的負荷需求所開展的遠距離特高壓直流輸電方案，對于新疆、內蒙古這種處于建設階段電網且存在區內遠距離輸電的情況，關于區內部直流規劃建設亟需面對的問題，尚未有深入地研究。

高壓直流輸電技術的發展可分為3個階段，分別為采用汞弧閥的第一代直流輸電技術，采用晶閘管的第二代直流輸電技術，以及當前得到廣泛關注及應用的第三代直流輸電技術，即柔性直流輸電技術[13]。

目前國內已經建設的柔性直流輸電工程主要有舟山五端柔直工程和張北四端直流工程等，在配網方面柔直輸電技術也得到了廣泛應用，如蘇州高可靠性配電網應用示范工程、杭州江東新城智能柔性直流配網示范工程等。

本文結合內蒙古電網存在的區內交直流混聯輸電需求，以及電網中現有的動態穩定問題約束，從規劃角度考慮，開展了交直流混聯輸電方案、純交流輸電方案情況下的電網動態穩定問題分析，并進一步開展了直流輸電容量對動態穩定阻尼情況的影響研究，最后從等值阻抗的角度，對交直流輸電方案下動態穩定水平存在差異的情況進行了理論分析。

1 內蒙古電網動態穩定問題概述

內蒙古西部地區位于我國北部邊疆，煤炭資源豐富，且錫林郭勒盟、巴彥淖爾等地區風能資源豐富，是我國西電東送的重要送電端。但由于電源與負荷的逆向分布特性，內蒙古電網承擔西電東送的壓力比較大，特殊情況下存在西部窩電與東部供電緊張局面并存的情況。

當前內蒙古電網承擔著內蒙古自治區西部地區六市二盟的供電任務，目前已基本形成了“三橫四縱”的500 kV主干網架結構，且各個盟市的相關供電區域已形成了以220 kV電壓水平為主的電網結構。目前內蒙古電網與華北主網僅通過4回500 kV線路聯絡，構成了弱聯系，外送斷面送電能力受動態穩定制約，且限制了內蒙古電網內西部地區富余電力的向東輸送[14]，動態穩定問題還嚴重影響內蒙古主網架建設工程的投資效益[15]。

針對內蒙古電網外送動態穩定約束問題，“十四五”期間規劃增加區內輸電通道，從而提高整體西電東送輸電能力，可選的加強方案分別為：

（1）交流通道加強方案：新建西電東送500 kV交流輸電通道，雙回線配置。

（2）直流通道加強方案：新建直流輸電通道，雙極直流輸電，傳輸容量初定為200萬kW。如圖1所示。

圖1 交流/直流加強方案示意Fig. 1 Schematic diagram of AC/DC strengthening schemes

下面結合內蒙古電網實際情況，分別對直流通道加強方案和交流通道加強方案下電網動態穩定情況進行分析。

2 直流與交流輸電對動態穩定影響對比

結合內蒙古電網規劃，調整BPA電網潮流數據，相同斷面傳輸功率情況下，交流加強通道與直流通道的初始傳輸功率均在200萬kW左右。現針對西電東送各輸電斷面線路N-1故障開展動態穩定分析對比。

2.1 交直流輸電方案動態穩定對比

針對內蒙古電網西電東送通道交流線路 N-1故障，分析斷面內各輸電通道傳輸功率波動情況，選取交流、直流輸電方案下，同一輸電線路的功率曲線對比如圖2所示。

圖2 CKS～WC功率曲線對比Fig. 2 CKS～WC power curve comparison

由圖可以看出，電網內發生交流N-1情況下，電網存在動態穩定問題，進一步針對曲線進行Prony分析，相應的Prony分析結果如表1所示。

表1 CKS～WC線路有功Prony分析結果Tab. 1 Prony analysis results of CKS～WC line active

電網內發生XSW～YSY線路N-1故障，直流輸電方案的CKS～WC有功功率動態穩定曲線振蕩頻率為0.333 Hz，振蕩阻尼比為2.417%，交流輸電方案對應動態穩定曲線的振蕩頻率為0.352 Hz，振蕩阻尼比為2.481%。可以看出，直流輸電方案的動態穩定曲線頻率低于交流輸電方案，且直流輸電方案動態穩定曲線的振蕩阻尼比也低于交流輸電方案。

進一步，直流、交流輸電方案下，不同500 kV輸電線路N-1情況下，相關斷面剩余線路有功功率曲線的Prony分析結果統計如表2所示。

由表2可以看出，直流輸電方案下，不同故障情況下的動態穩定阻尼比均小于交流輸電方案，且振蕩頻率低于交流輸電方案。初步分析是由于交流輸電方案增強了電網強度，拉近了不同站間的電氣距離，所以在動態穩定水平上優于直流輸電方案，而且振蕩頻率也高于直流輸電方案。該分析結果也在后續章節中從等值阻抗的角度得到了驗證。

表2 斷面N-1情況下Prony結果對比Tab. 2 Comparison of Prony results in the case of section N-1

2.2 直流輸電容量對動態穩定的影響

開展500 kV輸電線路N-1分析時，直流輸電容量為200萬kW，結果表明動態穩定水平弱于交流聯網方案，本節進一步分析加大直流輸電容量情況下，動態穩定水平是否會有變化。

調整直流傳輸功率至 300萬 kW，分析相應500 kV輸電線路N-1情況下內蒙古電網外送輸電斷面的動態穩定水平，并與相同斷面傳輸功率情況下的交流輸電方案進行對比。

在內蒙古電網外送斷面 FQ～WQ線路N-1情況下，HH～GY運行線路有功功率波形對比曲線如圖3所示，分別為直流傳輸200萬kW和直流傳輸300萬kW兩種工況。針對對比曲線分別開展Prony分析，所得結果如表3所示，可以看出加大直流傳輸功率，可以減少交流輸電斷面傳輸功率，大擾動情況下的低頻振蕩阻尼也得到提高。

表3 HH～GY有功功率Prony分析結果（直流不同容量對比）Tab. 3 Prony analysis results of HH～GY line active power(comparison of different DC capacity)

圖3 HH～GY有功功率對比曲線Fig. 3 The curve of comparison of HH～GY active power

與交流輸電方案相比，FQ～WQ線路N-1情況下，交流方案振蕩阻尼比為2.828%，頻率為0.34 Hz，直流300萬kW輸電方案振蕩阻尼比為3.177%，頻率為0.331 Hz，此時直流輸電方案的動態穩定水平反而高于交流輸電方案的動態穩定水平，數據對比結果如表4所示。

表4 HH～GY有功功率Prony分析結果（直流、交流對比）Tab. 4 Prony analysis results of HH～GY line active power(comparison of DC and AC)

對比同容量下交直流輸電方案以及不同直流輸電容量下的電網動態穩定水平可以看出，相同傳輸功率下，交流輸電方案拉近了電氣距離，相應動態穩定阻尼水平更高，振蕩頻率更低，但隨著直流傳輸功率的增加，交流通道功率相應減小，直流輸電方案的動態穩定阻尼水平得到提高。

3 直流與交流輸電等值阻抗分析

通過前文對比可以看出相同傳輸功率情況下，直流輸電方案的動態穩定阻尼低于交流輸電方案，且直流輸電方案的動態穩定振蕩頻率也低于交流輸電方案。結合內蒙古電網規劃，“十四五”期間內蒙古電網與華北主網仍然維持著 2個500 kV交流輸電通道共4回輸電線路的聯系[16]，因此考慮選擇內蒙古電網送出端HH、FQ兩個廠站，分別針對直流輸電方案、交流輸電方案開展內蒙古電網多點等值，從等值阻抗變化的角度分析兩種輸電方案動態穩定水平差異的原因。

3.1 多點等值模型

針對內蒙古電網西電東送的多級輸電斷面，選取內蒙古電網外送斷面（HH→GY、FQ→WQ）作為多點等值對象，并選擇HH、FQ作為等值點，基于BPA仿真軟件，構建多點等值模型，示意圖如圖4所示。

圖4 內蒙古電網多點等值模型Fig. 4 Multi-point equivalent model of Inner Mongolia Power Grid

圖中Zm為等值后的HH、FQ兩站間的等效互阻抗，ZHH_eq、ZFQ_eq分別為等值后的HH、FQ兩站的自阻抗，GHH_eq、GFQ_eq分別為等值后的HH、FQ兩站的等值電源。

3.2 直流與交流輸電方案多點等值對比

基于上節內蒙古電網多點等值模型，分別就直流輸電方案、交流輸電方案開展內蒙古電網內部等值，得到相應的多點等值模型參數如表5所示（忽略電阻）。

表5 直流與交流輸電方案多點等值參數對比（p.u.）Tab. 5 Comparison of multi-point equivalent parameters of DC and AC transmission schemes

由表5可以看出，直流輸電方案對應的內蒙古電網等值阻抗整體大于交流輸電方案對應等值阻抗。進一步對比可以看出，直流輸電方案的ZFQ_eq、Zm明顯大于交流輸電方案，而直流、交流輸電方案的ZHH_eq則基本維持不變，這是由于“十四五”期間的通道加強方案在地理位置上均位于內蒙古南部地區，與FQ站位置接近，所以對FQ站的等值自阻抗及站間互阻抗影響明顯，而對HH站的等值自阻抗影響不大。

通過多點等值模型的等值阻抗對比可看出，直流、交流輸電方案等值阻抗的差別。首先體現在直流輸電方案下內蒙古電網西電東送的整體電氣距離更長，導致動態穩定振蕩頻率更低；其次，直流、交流輸電方案相同傳輸容量情況下，由于電氣距離拉長、站間聯系更弱，直流輸電方案的動態穩定阻尼比也低于交流輸電方案。但考慮到直流輸電容量一般高于交流輸電，因此直流輸電方案仍然具有積極意義。

4 結論

本文針對內蒙古電網已存在的動態穩定問題，結合“十四五”電網規劃，開展了直流/交流輸電不同規劃方案下的動態穩定影響分析。結果表明，相同傳輸功率情況下，直流輸電不利于拉近電氣距離，會惡化電網動態穩定水平，但隨著直流輸電容量的提升，動態穩定水平優于交流輸電方案。