長鏈式交直流混合電網振蕩特性及優化措施研究

梁紅勝，湯 凡，鄒福強，吳 沖，王 媛，羅宣平

(1.國家電網有限公司特高壓建設分公司，北京 100032；2.國家電網有限公司西南分部，四川 成都 610021；3.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610056)

0 引言

西電東送工程建設受制于地理位置和輸電走廊等外部因素，可能采用長鏈式、交直流線路通過同一密集走廊等建設方案，形成長鏈式交直流混合的一種復雜電網。

截至2022 年底，隨著±800 kV 白鶴灘左—江蘇、±800 kV 白鶴灘右—浙江特高壓直流工程投運，西南跨區直流增至9 回，總額定容量達46 200 MW，其中，西南—華東同送同受直流群增長至4 回，總容量達到29 600 MW。“十四五”期間，金上—湖北、哈密—渝北特高壓直流將相繼投運，西南電網通過“九橫三縱”12 回跨區直流互聯，西南電網大水電、大直流外送的送端電網特征更加突出。

西藏電網與四川電網之間經過長距離的500 kV 交流線路相連，四川電網已有多回外送直流，同時今年還有多條規劃直流，整個西南電網已經呈現出長鏈式交直流混合電網態勢，此種電網在極端故障下的振蕩特性研究對于目前以及未來電網都具有參考意義。

本文介紹長鏈式交直流混合電網的基本特征，分析了典型的長鏈式交直流混合電網發生極端故障時關鍵斷面的振蕩特性，以及極端故障導致長鏈式交直流混合電網整體與主網解列后的電氣量特征，提出基于失穩特征的第三道防線優化建議。

1 研究對象及仿真模型

1.1 研究現狀

李曉珺[1]等研究了多通道受電斷面解列裝置的影響因素和配合關系，適用于受端電網或受電斷面。胥威汀[2]等對區域互聯電網故障后的解列措施進行了綜述。丁劍[3]等針對典型的長距離輸電型互聯電網，分析了振蕩中心分布的特點、影響因素和特征，提出了改進的失步解列控制措施。陳恩澤[4]等分析了振蕩中心遷移的原因，提出了基于廣域測量信息的自適應失步解列策略。宋洪磊[5]等利用廣域測量系統(wide area measurement system，WAMS)提供的實時動態信息，構建了主動解列的控制策略。

楊浩[6]等為解列后孤島頻率電壓聯合緊急控制的研究提供了參考。吳麟琳[7]等提出了一種新的基于頻率特征的失步解列判據，該判據可以區分同步振蕩和失步振蕩，識別振蕩中心的位置，同時不受系統結構變化和運行方式變化的影響。任建鋒[8]等對傳統基于相位角原理的失步解列判據在特高壓線路的應用進行了說明分析。張保會[9]等基于已有失步解列裝置的判據原理，指出了傳統解列存在的不適應性，總結了自適應失步解列需要重點研究的方向。

1.2 研究對象

考慮到電網尤其是大型互聯電網失步振蕩過程及失步后的異步運行狀態復雜，難以應用數學解析方法，因此，采用時域仿真分析方法并結合具體問題的物理特性展開分析。研究對象為某電網，其電網網架如圖1 所示，其中：電網A 是以水風光為主體的低轉動慣量電力系統，電網B 是以大水電多直流通道為特征的電網，電網B 交流通道分為南、北2 個通道，分別接入了2 個特高壓換流站。電網A 通過長距離鏈式通道接入B 電網，一起構成典型的長鏈式交直流混合電網。

1.3 仿真模型

研究工具采用中國電力科學研究院電力系統分析軟件PSD-BPA 的電暫態仿真程序，其中主要元件模型類型選擇如下：

1)發電機模型：本次計算機組均采用考慮次暫態過程的電勢變化模型，計及調速系統和勵磁系統的作用，同時考慮了機組的電力系統穩定器(power system stabilizer，PSS)。

2)負荷模型：電網A 負荷采用70%感應馬達模型和30%靜態負荷模型，其中，靜態負荷模型為25%恒阻抗+65%恒電流+10%恒功率的綜合負荷模型；電網B 采用“40%恒阻抗+60%恒功率”的綜合負荷模型。所有負荷均計入頻率因子，具體參數見表1 所列。

表1 電網穩定頻率因子

3)光伏模型：在電力系統發生短路故障引起電壓跌落時，變流器具有一定的無功調節能力，并且自并網點電壓跌落時刻起，動態無功電流的響應時間不大于30 ms。

2 振蕩特性分析

為了模擬電網振蕩，考慮電網發生故障后，第二道防線穩定控制裝置拒動。從拓撲結構來看，有3 個典型的輸電斷面，分別為長鏈式通道落點電網的第一級斷面；長鏈式電網內部匯集大電源的第二級傳輸斷面；長鏈式電網到主網的第三級聯絡斷面。第一級斷面匯集了鏈式通道和變電站b1、b2 的電力；第二級斷面增加了電網B 內部機組出力。

2.1 第一級斷面故障

長鏈式通道接入電網B，一部分電力通過h1 換流站外送，部分繼續通過電網B 流向主網。h1 直流大外送方式下，斷面1 功率大，但接續斷面功率小；h1 直流小外送方式下，斷面1 功率小，但接續斷面功率大。

1)振蕩中心落在故障斷面上

豐水期大負荷(以下簡稱“豐大”)方式下，b2—h1 線路N-2 故障后，振蕩中心位于b1—b3線路上。b1—b3 線路失步解列裝置動作后，電網B 和主網能夠恢復穩定；b1—b3 線路跳開后，電網A 帶長鏈式通道成為孤網，孤網內大量有功和無功盈余，造成孤網頻率電壓失穩，需要在鏈式通道起點跳開通道聯絡線，電網A 孤網后執行孤網功率平衡控制措施。

2)振蕩中心落在鏈式通道上

豐水期腰負荷(以下簡稱“豐腰”)方式下，b2—h1 線路N-2 故障后，振蕩中心位于電網A至b1 的長鏈式通道上。通道上失步解列裝置先后動作解列線路。失步解列裝置動作后，電網B 和主網恢復穩定；電網A 成為孤網，同理執行孤網功率平衡控制措施。

3)振蕩中心由故障斷面轉移至與主網的聯絡斷面上

枯水期腰負荷(以下簡稱“枯腰”)方式下，b2—h1 線路N-2 故障后，振蕩中心位于b1—b3線路上。b1—b3 線路失步解列裝置動作后，電網A 形成孤網，執行孤網功率平衡控制措施；電網B 和主網仍不能恢復同步，振蕩中心位于斷面3。斷面3 失步解列裝置動作后，主網頻率低周，觸發主網大范圍低頻減載動作后，逐漸恢復穩定，電網B 形成孤網，無法恢復穩定。

2.2 第二級斷面故障

b4—h2 線路N-2 故障后，存在近區機組功角失穩的問題，觸發第三道防線動作，電網頻率高周，具體動作情況如下：

1)故障后近區機組功角振蕩，振蕩中心位于斷面3，斷面3 失步解列裝置動作，解列與主網聯絡線。

2)失步解列裝置動作后電網A+電網B 存在孤網頻率高周問題，主網存在頻率低周問題，觸發電網A+電網B 大范圍高周切機，主網大范圍低頻減載，電網最終恢復穩定。

b4—h1 線路N-2 故障后，存在近區機組功角失穩的問題，電網頻率高周，觸發第三道防線動作。具體動作情況如下：

1)豐腰方式下，振蕩中心位于斷面1 上，斷面1 失步解列裝置動作后，電網A 至b1 的長鏈式通道隨后也解列。電網A、電網B 存在孤網頻率高周問題，主網存在頻率低周問題，觸發電網A、電網B 大范圍高周切機，主網大范圍低頻減載，電網最終恢復穩定。

2)枯水期大負荷及豐腰方式下，振蕩中心位于斷面2 剩余線路上，失步解列裝置動作后，電網A 至b1 的長鏈式通道隨后也解列。電網A、電網B 存在孤網頻率高周問題，主網存在頻率低周問題，觸發電網A、電網B 大范圍高周切機，主網大范圍低頻減載，電網最終恢復穩定。

2.3 第三級斷面故障

枯水期方式下，斷面3 線路N-2 故障后，存在近區機組功角失穩的問題，電網頻率高周，觸發第三道防線動作。具體動作情況為：故障后振蕩中心位于斷面3 剩余線路上，失步解列裝置動作后，電網A+電網B 存在高周問題，觸發高周切機動作，電網可逐漸恢復穩定；主網側損失電源后觸發大范圍低頻切負荷，低頻減載后主網恢復穩定。

2.4 振蕩特性小結

在長鏈式交直流混合電網發生極端故障后，容易導致長鏈路前后兩端電網失步，此時振蕩中心線路失步解列裝置動作，解列兩端電網。由于直流送端電源多，當直流配套電源留存主網較多時，長鏈式送端電網在第一步解列后同時存在孤網頻率問題以及內部電源之間相互振蕩的問題。因此，傳統的第三道防線措施只能解決第一層振蕩問題，由措施本身帶來的后續振蕩問題無法解決。

3 振蕩機理分析

電網A 通過長距離鏈式通道接入電網B，鏈式通道及電網B 內交直流故障均會導致電網A 和通道機組失穩。

失穩機理：兩區域互聯時，其聯絡線傳輸功率P的表達式為式(1)。

式中：P為聯絡線傳輸功率，MW；E1為首端電勢，kV；E2為末端電勢，kV；θ為E1、E2夾角；X∑為聯絡線等值阻抗，Ω。

當P取值為90°時，其傳輸功率最大，即為輸電線路的靜穩極限功率。

針對本次研究對象，兩個電網之間電氣距離大，即分母大；通道上欠缺電源支撐，θ位于180°附近。

總之，通道聯絡線靜穩極限低，聯絡線的暫態和動態穩定能力也較差，在大擾動情況下會出現上述仿真中出現的機組功角問題或弱/負阻尼振蕩問題。在第一層振蕩問題解決后，由于存在大量送端直流配套電源留存主網，解列后仍然存在大功率電源長距離傳輸，從而引發后續的振蕩問題。

4 優化措施

4.1 優化措施方案

現有第三道防線控制措施應對直流極端故障及部分交流線路極端故障時，可能導致電網A、電網B與主網解列，電網A+電網B形成孤網。孤網內存在長鏈式通道失步解列無序動作以及孤網頻率高周峰值較大、持續時間較長等問題。

針對上述問題，擬按以下邏輯對長鏈式通道解列方案進行優化：

1)若孤網后，電網A 機組可與電網B 機組保持同步，且頻率可快速恢復，則無需解列長鏈式通道。

2)若孤網后，電網A 機組可與電網B 機組保持同步，但頻率高周的峰值較大、恢復時間較長，則建議采用過頻解列裝置解開長鏈式通道。

3)若孤網后，電網A 機組與電網B 機組失步振蕩，優先失步解列長鏈式通道。

解列優化方案邏輯見圖2。

圖2 解列優化方案邏輯示意圖

4.2 仿真驗證

基于上述優化方案，對存在電網A+電網B 共同孤網情形的直流極端故障進行仿真驗證，結果如圖3～圖5 所示。

圖3 h1+h2兩回直流換相失敗閉鎖故障優化前后效果對比圖

1) h1+h2 兩回直流換相失敗閉鎖故障

發生h1+h2 兩回直流換相失敗閉鎖故障后，已有解列方案與優化解列方案效果對比如圖3所示。

從圖3 可以看出，h1+h2 兩回直流換相失敗閉鎖故障后，電網A 機組可與電網B 機組保持同步，且頻率高周的峰值較大、恢復時間較長，故障后2.5 s 滿足過頻解列判據，解列長鏈式通道，有效解決了電網A 的頻率問題，保證了電網A 的穩定運行。

2) h1 直流+主網一回直流換相失敗閉鎖故障

從圖4 可以看出，h1 直流+主網一回直流換相失敗閉鎖故障后，電網A 機組與電網B 機組失步，故障后10.5 s 滿足失步解列判據，解列長鏈式通道，有效解決了電網A 和電網B 的頻率問題，保證了電網A 和電網B 的穩定運行。

圖4 h1直流+主網一回直流換相失敗閉鎖故障優化前后效果對比圖

3)第三級斷面交流線路N-2 故障

從圖5 可以看出，第三級斷面交流線路N-2 故障后，電網A+電網B 與主網失步，故障后12 s 滿足失步解列判據，解列聯絡線路，有效解決了電網A 和電網B 的失步問題，保證了電網A 和電網B 的穩定運行。

圖5 第三級斷面交流線路N-2故障優化前后效果對比圖

綜上，本節提出的第三道防線優化解列方案能夠有效提高電網極端故障后的孤網穩定性。

5 結語

本文結合目前電網“西電東送”發展形勢，針對長鏈式交直流混合的復雜送端電網，研究其故障后的失步振蕩特性，總結不同斷面、不同故障形態下的振蕩中心規律；并對長鏈式交直流混合電網呈現出的振蕩特性進行了機理分析，針對目前第三道防線解列措施不適應的問題提出了優化解列方案。

對于長鏈式交直流混合的送端電網，長鏈式通道落點電網的第一級、第二級、第三級斷面故障后，電網存在功角失穩問題，振蕩中心位于相關斷面上，失步解列動作后存在孤網問題，需結合孤網平衡情況制定控制措施。直流換相失敗閉鎖等極端故障后，已有第三道防線措施存在不適應性，可以根據故障后的功角、頻率等特征，采取不同的解列措施，保證電網的穩定運行。