王小昂， 南曉強(qiáng)， 張 謙

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030021；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著適合遠(yuǎn)距離大容量傳輸?shù)奶馗邏褐绷鬏旊姽こ痰年懤m(xù)投產(chǎn)，直流外送電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問(wèn)題受到重視和研究[1-4]。雁淮直流額定電壓±800 kV，額定輸送功率8 000 MW，原規(guī)劃有安太堡、木瓜界、神泉二期共計(jì)4 020 MW 配套電源，但根據(jù)國(guó)家能源局2016 年發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步調(diào)控煤電規(guī)劃建設(shè)的通知》 的相關(guān)要求，配套電源建設(shè)全面滯后。文獻(xiàn)[5-6] 從靜態(tài)安全、暫態(tài)功角穩(wěn)定、換流母線暫態(tài)過(guò)電壓、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)等方面，對(duì)雁淮直流原規(guī)劃的配套電源投產(chǎn)后8 000 MW 額定功率送電的穩(wěn)定特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7] 對(duì)雁淮直流投產(chǎn)初期無(wú)配套電源時(shí)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性、風(fēng)機(jī)暫態(tài)過(guò)電壓及穩(wěn)控裝置的切機(jī)策略進(jìn)行了研究。2019 年3 月，神泉電廠（2×600 MW） 由朔州站改接至雁門(mén)關(guān)站，實(shí)現(xiàn)了雁淮直流過(guò)渡階段配套電源的從無(wú)到有，即便如此，配套電源依然遠(yuǎn)低于原規(guī)劃規(guī)模。配套電源支撐不足導(dǎo)致直流近區(qū)交流設(shè)備故障后換流母線存在低電壓?jiǎn)栴}。此外，以往對(duì)于雁淮直流故障后近區(qū)風(fēng)機(jī)暫態(tài)過(guò)電壓的研究在模型中未區(qū)分風(fēng)機(jī)類(lèi)型，更為細(xì)致的研究是必要的。

本文對(duì)雁淮直流在神泉改接后這一過(guò)渡階段的電壓穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了不同交流設(shè)備故障、不同近區(qū)開(kāi)機(jī)方式對(duì)故障后換流母線電壓跌落的影響，并就直流功率、風(fēng)機(jī)類(lèi)型、風(fēng)電同時(shí)率、近區(qū)開(kāi)機(jī)等因素對(duì)直流換相失敗后風(fēng)機(jī)暫態(tài)過(guò)電壓的影響進(jìn)行了計(jì)算分析。研究結(jié)論為提升換流母線近區(qū)交流故障后的電壓支撐以及降低直流故障后風(fēng)機(jī)暫態(tài)過(guò)電壓提供有效措施及建議。

1 邊界條件

考慮神二1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組改接，雁淮直流近區(qū)網(wǎng)架情況如圖1 所示。

山西電網(wǎng)計(jì)算負(fù)荷28 750 MW，500 kV 九回線送華北12 500 MW，長(zhǎng)南I 線南送2 800 MW。采用PSASP7 潮流程序及機(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定程序。

圖1 雁淮直流近區(qū)網(wǎng)架示意圖

2 交流故障后電壓穩(wěn)定分析

2.1 近區(qū)交流故障后的電壓要求

根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》（DL/T 1234—2013），受故障擾動(dòng)后的中長(zhǎng)期過(guò)程中，要求換流母線電壓能夠保持或恢復(fù)到0.9 標(biāo)幺值以上，雁淮直流成套設(shè)計(jì)書(shū)也要求換流母線運(yùn)行的極端最低穩(wěn)態(tài)電壓不低于0.9 標(biāo)幺值。據(jù)此條件，校核近區(qū)交流故障后換流母線電壓。

2.2 近區(qū)交流故障選擇

雁淮直流一級(jí)匯集斷面由500 kV 湖關(guān)三回構(gòu)成，二級(jí)匯集斷面由500 kV 雁湖雙回、500 kV 湖寨雙回、明海湖主變構(gòu)成。湖關(guān)II 線與湖關(guān)III線、湖寨雙回、泉關(guān)雙回均為同桿架設(shè)，雁湖雙回也存在部分同桿架設(shè)。由此，近區(qū)交流故障考慮湖關(guān)三回N-2、湖寨雙回N-2、泉關(guān)雙回N-2、雁湖雙回N-2 及明海湖主變N-1 故障。

2.3 不同交流故障的影響

為考慮最嚴(yán)重情況，研究各交流故障時(shí)，盡量加重被研究設(shè)備的潮流：在雁同站近區(qū)大開(kāi)機(jī)方式下研究雁湖雙N-2 故障，在五寨站近區(qū)大開(kāi)機(jī)方式下研究湖寨雙N-2 故障，在雁同站與五寨站近區(qū)平衡開(kāi)機(jī)方式下研究湖關(guān)三回N-2 與泉關(guān)雙回N-2 故障，在明海湖近區(qū)220 kV 火電大開(kāi)機(jī)及新能源大發(fā)方式下研究明海湖主變N-1 故障。

神泉開(kāi)1 臺(tái)機(jī)，雁淮直流功率5 200 MW，交流系統(tǒng)向換流母線輸送300 Mvar 無(wú)功，換流母線電壓調(diào)節(jié)為正常運(yùn)行的下限510 kV，保持以上基礎(chǔ)條件不變，將開(kāi)機(jī)方式及風(fēng)電同時(shí)率調(diào)整為各交流故障對(duì)應(yīng)較嚴(yán)重的情況，校核故障后換流母線電壓的跌落情況如表1 所示。

表1 不同交流故障后換流母線電壓

結(jié)合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析，各交流設(shè)備故障對(duì)換流母線電壓跌落的影響程度不僅取決于故障前潮流大小，還取決于由網(wǎng)架結(jié)構(gòu)決定的潮流轉(zhuǎn)移情況。從故障后換流母線電壓跌落程度看，雁湖雙N-2是近區(qū)交流故障中影響最為嚴(yán)重的故障。給定條件下，雁湖雙N-2 故障后換流母線電壓跌至0.9標(biāo)幺值以下，不滿(mǎn)足直流運(yùn)行要求。

2.4 近區(qū)機(jī)組開(kāi)機(jī)影響

雁淮直流功率5 200 MW，交流系統(tǒng)向換流母線輸送300 MVar 無(wú)功，換流母線電壓調(diào)節(jié)為正常運(yùn)行的下限510 kV，近區(qū)風(fēng)電同時(shí)率10%，保持以上基礎(chǔ)條件不變，改變近區(qū)神泉、河曲開(kāi)機(jī)，校核雁湖雙N-2 故障后換流母線電壓跌落情況如表2 所示。為去除故障前雁湖雙功率大小產(chǎn)生的影響，對(duì)大同地區(qū)開(kāi)機(jī)方式進(jìn)行調(diào)整，保持雁湖雙功率為3 118 MW。

表2 近區(qū)不同開(kāi)機(jī)對(duì)電壓跌落影響

由表2 可知，近區(qū)開(kāi)機(jī)增加時(shí)，雁湖雙N-2故障后換流母線電壓跌落程度顯著減輕；配套電源神泉多開(kāi)1 臺(tái)比河曲多開(kāi)1 臺(tái)對(duì)故障后換流母線電壓的支撐效果顯著更好，電壓跌落更少。

因此，隨著近區(qū)機(jī)組開(kāi)機(jī)增多，尤其是直流配套機(jī)組開(kāi)機(jī)增多，近區(qū)交流故障后換流母線的電壓跌落程度減輕。

3 直流故障引起的暫態(tài)過(guò)電壓

直流發(fā)生換相失敗、閉鎖等故障后，由于濾波器無(wú)功盈余及風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償電壓效應(yīng)，引起風(fēng)電機(jī)端暫態(tài)電壓升高是造成風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)的主要原因。直流換相失敗引起的風(fēng)電機(jī)端暫態(tài)電壓升高相比直流雙極閉鎖更高，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)的情況更為嚴(yán)重。

3.1 直流輸送功率影響

以接入明海湖站的直驅(qū)型風(fēng)機(jī)A 風(fēng)電場(chǎng)和雙饋型風(fēng)機(jī)B 風(fēng)電場(chǎng)為代表校核直流換相失敗引起的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端暫態(tài)電壓升高。保持近區(qū)開(kāi)機(jī)方式及風(fēng)電同時(shí)率、換流母線與交流系統(tǒng)交換無(wú)功、換流母線初始電壓不變，在雁淮直流不同輸送功率下，計(jì)算直流換相失敗后風(fēng)場(chǎng)的暫態(tài)過(guò)電壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 直流功率對(duì)風(fēng)場(chǎng)暫態(tài)過(guò)電壓的影響

由表3 可知，隨著直流輸送功率增大，直流換相失敗后的風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)母線及風(fēng)電機(jī)端暫態(tài)壓升均明顯增大；直驅(qū)型風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升略高于雙饋型風(fēng)場(chǎng)（兩者近乎一致），直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)端暫態(tài)壓升顯著高于雙饋型風(fēng)電機(jī)端；直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)端暫態(tài)壓升標(biāo)幺值顯著高于其并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升標(biāo)幺值，而雙饋型風(fēng)電機(jī)端暫態(tài)壓升標(biāo)幺值與其并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升標(biāo)幺值相差不大。

3.2 近區(qū)風(fēng)電同時(shí)率影響

保持雁淮直流功率、近區(qū)開(kāi)機(jī)方式、換流母線與交流系統(tǒng)交換無(wú)功、換流母線初始電壓不變，在近區(qū)不同風(fēng)電同時(shí)率下，計(jì)算換相失敗后風(fēng)場(chǎng)的暫態(tài)過(guò)電壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)電同時(shí)率對(duì)風(fēng)場(chǎng)暫態(tài)過(guò)電壓的影響

由表4 可知，隨著近區(qū)風(fēng)電同時(shí)率增大，直驅(qū)型與雙饋型風(fēng)場(chǎng)的并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升均升高，但風(fēng)電同時(shí)率變化對(duì)他們影響幅度不大，顯著小于直流輸送功率變化對(duì)他們的影響幅度。各風(fēng)電同時(shí)率下，直驅(qū)型風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升略高于雙饋型風(fēng)場(chǎng)。

3.3 近區(qū)機(jī)組開(kāi)機(jī)影響

保持雁淮直流功率5 200 MW、風(fēng)電同時(shí)率60%、換流母線與交流系統(tǒng)交換無(wú)功不變，在不同開(kāi)機(jī)情況下比較A 風(fēng)電場(chǎng)和B 風(fēng)電場(chǎng)220 kV 母線與風(fēng)機(jī)機(jī)端的暫態(tài)壓升，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 近區(qū)開(kāi)機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)暫態(tài)過(guò)電壓的影響

由表5 可知，神泉多開(kāi)1 臺(tái)機(jī)相比河曲多開(kāi)4 臺(tái)機(jī)，A、B 風(fēng)場(chǎng)的并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升、風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)壓升均略有減小，這說(shuō)明對(duì)于降低直流換相失敗后的風(fēng)電暫態(tài)壓升，配套機(jī)組的靈敏度遠(yuǎn)高于近區(qū)其余機(jī)組；神泉開(kāi)2 臺(tái)機(jī)情況下，河曲多開(kāi)1 臺(tái)后，A、B 風(fēng)場(chǎng)的并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升、風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)壓升均減小，這說(shuō)明近區(qū)增開(kāi)火電機(jī)組有利于降低風(fēng)電暫態(tài)壓升幅值，減少風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)故障。

3.4 減少風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的措施

可從兩方面來(lái)降低直流換相失敗帶來(lái)的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)：一是增開(kāi)近區(qū)機(jī)組，尤其是直流配套機(jī)組，利用火電機(jī)組的動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)能力，可在一定程度上降低過(guò)電壓幅值；二是對(duì)近區(qū)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行高電壓穿越能力提升改造，提高過(guò)電壓耐受能力。同時(shí)，應(yīng)控制近區(qū)風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)速率。

4 結(jié)論

雁淮直流送端安全穩(wěn)定運(yùn)行受到近區(qū)交流故障后換流母線的低電壓?jiǎn)栴}及直流換相失敗等故障引起暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}制約，增開(kāi)近區(qū)火電機(jī)組有利于增強(qiáng)交流故障后對(duì)換流母線的電壓支撐，有利于減輕直流換相失敗后風(fēng)電的暫態(tài)過(guò)電壓幅值；增開(kāi)直流配套電源對(duì)這兩方面的作用要顯著優(yōu)于近區(qū)其余機(jī)組。

直流換相失敗引起的直驅(qū)型風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升僅略高于雙饋型風(fēng)場(chǎng)，但直驅(qū)型風(fēng)機(jī)機(jī)端暫態(tài)壓升要顯著高于雙饋型風(fēng)機(jī)機(jī)端；近區(qū)火電開(kāi)機(jī)方式不變時(shí)，直流功率越大，換相失敗引起的風(fēng)電暫態(tài)壓升越高；風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升隨風(fēng)電同時(shí)率升高而略有升高，但受風(fēng)電同時(shí)率變化的影響較小。