高壓交直流混聯(lián)輸電對電網(wǎng)運(yùn)行影響的仿真研究

何文博，關(guān)煥新，高慶忠

(沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

扎魯特—青州±800kV高壓直流工程是落實(shí)中央全面振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略部署，推動?xùn)|北電力協(xié)調(diào)發(fā)展的重大工程。扎魯特直流投運(yùn)后，遼寧、黑龍江、吉林、蒙東地區(qū)的大部分電力將通過扎魯特直流送出，遼寧電網(wǎng)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(lián)格局[1]，遼寧電網(wǎng)主要輸送斷面的暫態(tài)穩(wěn)定極限均將重新界定，運(yùn)行特性發(fā)生較大改變。本文主要通過對遼寧部分電網(wǎng)的仿真分析了扎魯特直流工程投運(yùn)后發(fā)生直流閉鎖故障[2]對遼寧地區(qū)部分電網(wǎng)的影響，并基于以上分析制訂了應(yīng)對措施。

1 仿真模型

遼寧電網(wǎng)位于東北電網(wǎng)的南端，是東北電網(wǎng)與華北電網(wǎng)的聯(lián)系樞紐。根據(jù)負(fù)荷電源布局及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可分為遼西電網(wǎng)、遼中電網(wǎng)和遼南電網(wǎng)。

扎魯特直流輸電工程投運(yùn)后，對遼寧地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行、頻率、無功動態(tài)穩(wěn)定、原有繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定裝置等各個方面都產(chǎn)生了不同程度的影響。為研究遼寧直流系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，需要將遼寧直流系統(tǒng)整體關(guān)聯(lián)起來，對遼寧直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，了解直流系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理和各元器件設(shè)備特性，進(jìn)而研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(wǎng)遠(yuǎn)距離匯集，電壓控制十分困難，集中表現(xiàn)在直流初始功率超過一定限值時交直流系統(tǒng)故障過程中，換流站及其近區(qū)暫態(tài)電壓和故障后的穩(wěn)態(tài)電壓直接威脅一、二次設(shè)備安全。

2.1 不同電容切投策略對電壓的影響

暫態(tài)電壓升高引起的設(shè)備安全問題成為影響扎魯特直流輸電能力的關(guān)鍵因素。扎魯特直流雙極閉鎖，采取不同電容切頭策略下?lián)Q流站交流側(cè)母線電壓暫態(tài)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?fù)Q流站交流母線暫態(tài)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(tài)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(wǎng)電壓沖擊很大，換流站交流母線暫態(tài)電壓最高超過1.3 pu，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)后的電壓超過1.2 pu，其他母線暫態(tài)電壓超過1.1 pu，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)后的電壓超過1.05 pu，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

一次性投切電容和分組逐步投切電容，二者在系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)后電壓基本保持一致，逐步投切條件下，電壓暫態(tài)恢復(fù)相對慢一些，暫態(tài)電壓超標(biāo)的時段更長。由以上分析可見，為了抑制遼寧特高壓電網(wǎng)發(fā)生直流閉鎖故障后的電壓超標(biāo)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(tài)特性密切相關(guān)[3]，若直流輸送容量大，閉鎖后系統(tǒng)失去電壓較多，無功不平衡功率差額也較大，對電網(wǎng)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(cè)母線電壓暫態(tài)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?fù)Q流站交流母線暫態(tài)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(tài)電壓

由計(jì)算結(jié)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(wǎng)電壓沖擊也逐漸增加，系統(tǒng)暫態(tài)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(qū)別在于初始暫態(tài)過電壓不同，電壓恢復(fù)過程中的暫態(tài)電壓不同，而穩(wěn)態(tài)恢復(fù)電壓基本相近。由以上分析可見，為了抑制遼寧特高壓電網(wǎng)發(fā)生直流閉鎖故障后的電壓超標(biāo)問題，在某些運(yùn)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(dāng)扎魯特直流雙極閉鎖時，扎魯特?fù)Q流站和遼寧典型500 kV母線電壓計(jì)算結(jié)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?fù)Q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(jì)算結(jié)果可見：①扎魯特直流發(fā)生閉鎖故障后，大量容性無功注入交流系統(tǒng)，導(dǎo)致?lián)Q流站周邊電網(wǎng)電壓迅速升高。電網(wǎng)其余各部分的電壓也有較大的暫態(tài)電壓，但換流站附近暫態(tài)電壓的升高最為顯著。②雙極閉鎖時近區(qū)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(qū)變電站母線電壓均能夠恢復(fù)到正常水平附近。

2.3 控制策略

雙級閉鎖故障下電壓穩(wěn)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(tài)電壓最高將達(dá)到1.4 pu；若要控制暫態(tài)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(tài)電壓不超過1.1 pu(風(fēng)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(tǒng)的電壓暫態(tài)過程和恢復(fù)后的電壓運(yùn)行狀態(tài)，與直流閉鎖故障前的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、無功配置、直流功率、開機(jī)方式等多種因素有關(guān)，為保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定運(yùn)行和新能源的大規(guī)模送出，建議開展針對遼寧特高壓電網(wǎng)直流閉鎖故障下的遼寧地區(qū)無功和電壓優(yōu)化配置和運(yùn)行的研究。

c.為提高遼寧交直流混合電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和抵御事故的能力，建議開展主干網(wǎng)架動態(tài)無功補(bǔ)償220 kV風(fēng)電接入網(wǎng)絡(luò)動態(tài)無功補(bǔ)償策略的研究。

3 功角特性

扎魯特直流發(fā)生單極閉鎖或雙極閉鎖，遼寧送端電網(wǎng)均會失去大量負(fù)荷，產(chǎn)生電源過剩，從而引發(fā)較為劇烈的功率振蕩和發(fā)電機(jī)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(fā)生閉鎖后電網(wǎng)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(fù)荷，發(fā)生雙極閉鎖故障，研究遼寧電網(wǎng)典型機(jī)組功角特性。計(jì)算過程中暫不考慮切除機(jī)組措施，換流站電容器組在故障后0.5 s一次性投切，計(jì)算結(jié)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(jī)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(jī)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(jī)組功角特性曲線

經(jīng)仿真計(jì)算結(jié)果可知：扎魯特直流雙極閉鎖后遼寧電網(wǎng)重要機(jī)組的功角搖擺曲線如能夠保持一致，典型大機(jī)組將發(fā)生功角搖擺[5]，最大功角差為20°，這表明同步穩(wěn)定性[6]不是制約系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題的主要因素。

4 頻率特性

扎魯特直流工程投產(chǎn)后，當(dāng)扎魯特直流出現(xiàn)單極閉鎖時，遼寧電網(wǎng)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(jī)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(jī)8 540 MW，遼寧頻率特性曲線

雙級閉鎖故障下頻率穩(wěn)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(jī)措施，東北電網(wǎng)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(wǎng)5 900 MW電力，為控制穩(wěn)態(tài)頻率不超過50.2 Hz需切除東北電網(wǎng)8 890 MW電力。

由仿真結(jié)果可見，為應(yīng)對遼寧電網(wǎng)的高頻問題，應(yīng)在全網(wǎng)范圍內(nèi)組建頻率穩(wěn)定控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以扎魯特?fù)Q流站為主站，以遍布全網(wǎng)的火電、風(fēng)電、水電電源點(diǎn)或匯聚站為執(zhí)行站，控制措施包括：集中切除運(yùn)行風(fēng)電場；切除運(yùn)行水電機(jī)組；切除常規(guī)火電機(jī)組，切除不影響或影響可以接受的供熱火電機(jī)組。

5 結(jié)束語

對扎魯特直流輸電系統(tǒng)投運(yùn)后，遼寧地區(qū)部分電網(wǎng)進(jìn)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(wǎng)電壓特性的影響，并給出了相關(guān)應(yīng)對措施；計(jì)算了遼寧部分電網(wǎng)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(wěn)定性不是制約系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題的主要因素這一結(jié)論；研究了直流閉鎖故障對遼寧部分電網(wǎng)頻率的影響并制訂相關(guān)應(yīng)對措施。