沈政委，孫華東，仲悟之，王安斯，趙 兵，徐式蘊(yùn)

（電網(wǎng)安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司）,北京市 100192）

0 引言

近年來(lái)中國(guó)風(fēng)電、光伏等新能源得到跨越式發(fā)展,已形成世界上規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的高比例新能源電力系統(tǒng)。截至2021 年底,中國(guó)電源裝機(jī)容量達(dá)2.38 TW·h,其中非化石能源裝機(jī)容量占比達(dá)到47%,水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量均居世界首位,高比例新能源逐漸成為中國(guó)電源結(jié)構(gòu)的重要特征,電網(wǎng)運(yùn)行特性呈現(xiàn)新格局［1-2］。作為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要一環(huán),如何保障高比例新能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

梳理國(guó)內(nèi)外典型大停電事故發(fā)現(xiàn),幾乎所有的大停電事故都是由一系列復(fù)雜故障連鎖作用后引發(fā)安全自動(dòng)裝置不合理動(dòng)作等導(dǎo)致的,而非單一故障造成的［3-5］。構(gòu)建系統(tǒng)、科學(xué)的連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,提供高效、精準(zhǔn)的事故鏈條搜索方法成為預(yù)防、控制甚至阻斷連鎖故障導(dǎo)致大停電事故的重要手段,而掌握故障連鎖演化規(guī)律則是以上相關(guān)研究的基礎(chǔ)。過去數(shù)年,已有多位學(xué)者就傳統(tǒng)電網(wǎng)連鎖故障的演化問題進(jìn)行了深入研究:文獻(xiàn)［6］針對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)連鎖故障問題,通過分析連鎖故障演化進(jìn)程中的相關(guān)特征闡述連鎖反應(yīng)機(jī)理,并結(jié)合博弈論提出了連鎖故障對(duì)弈防御模型。文獻(xiàn)［7］總結(jié)并歸納了傳統(tǒng)電網(wǎng)連鎖故障的一般物理過程及各階段的特點(diǎn),提出了連鎖故障快速搜索與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。文獻(xiàn)［8］基于小世界網(wǎng)絡(luò)模型分析了故障傳播特性,深入研究了電網(wǎng)的小世界特性與連鎖故障之間的關(guān)系。文獻(xiàn)［9］分析了保護(hù)隱性故障對(duì)電力系統(tǒng)連鎖故障的影響。文獻(xiàn)［10］探討了引發(fā)大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)的機(jī)理,提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

相較于傳統(tǒng)電網(wǎng),高比例新能源電力系統(tǒng)在演化規(guī)律、事故發(fā)生概率、電氣特性等方面呈現(xiàn)出許多新的特性,原有相關(guān)研究成果適用性有待商榷。近年來(lái),隨著新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建與發(fā)展,針對(duì)高比例新能源電力系統(tǒng)連鎖故障的相關(guān)研究成果開始見諸報(bào)道:文獻(xiàn)［11］分析了高比例新能源電力系統(tǒng)連鎖故障的4 類主要誘因,并提出相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)以快速辨識(shí)連鎖演化路徑。文獻(xiàn)［12］詳細(xì)剖析了電網(wǎng)電壓驟降恢復(fù)階段對(duì)連鎖脫網(wǎng)中高電壓穿越過程的影響。文獻(xiàn)［13］闡述了過載主導(dǎo)型連鎖故障的傳播過程,并分析了該類型連鎖故障的傳播路徑與阻斷控制策略間的交互影響。

以上相關(guān)研究成果雖或多或少地分析了高比例新能源電力系統(tǒng)連鎖故障的演化過程,但多局限于特定的某一類問題,未從系統(tǒng)層面展開全面的研究。鑒于此,本文在梳理典型大停電事故的基礎(chǔ)之上,提煉推動(dòng)故障連鎖演化、具有因果關(guān)系和時(shí)序性特征的關(guān)鍵事件。圍繞關(guān)鍵事件深入分析了短路故障、直流換相失敗故障、直流閉鎖故障、新能源機(jī)端電壓變化、新能源脫網(wǎng)等事件連鎖反應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系,系統(tǒng)性地探討了高比例新能源電力系統(tǒng)連鎖故障的演化規(guī)律,并基于IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)以及某區(qū)域A 電網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建了多個(gè)高比例新能源場(chǎng)景下的連鎖故障算例,仿真驗(yàn)證了關(guān)于高比例新能源電力系統(tǒng)故障連鎖演化規(guī)律分析的正確性。

1 高比例新能源電力系統(tǒng)故障連鎖演化中的關(guān)鍵事件釋義

通過梳理澳大利亞“9·28”大停電事故以及英國(guó)“8·9”大停電事故發(fā)現(xiàn),在事故過程中,或多或少存在一些重要的、具有前后因果關(guān)系和時(shí)序特征且推動(dòng)故障連鎖演化的關(guān)鍵性事件［14-15］:如頻頻出現(xiàn)的短路故障成為引發(fā)線路跳閘造成潮流大規(guī)模無(wú)序轉(zhuǎn)移的重要推手；潮流的大幅變化除造成部分線路因過載跳閘外,還造成近區(qū)電壓變化,可能觸發(fā)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越保護(hù)動(dòng)作使得風(fēng)機(jī)脫網(wǎng),甚至連續(xù)換相失敗引發(fā)直流閉鎖；部分發(fā)電機(jī)因控制保護(hù)動(dòng)作跳閘造成系統(tǒng)振蕩,功率的不平衡引起頻率快速變化進(jìn)而觸發(fā)高頻切機(jī)、低頻減載等動(dòng)作。

為進(jìn)一步明確相關(guān)關(guān)鍵性事件在大停電事故中所扮演的角色,本文對(duì)近年來(lái)發(fā)生的10 次典型大停電事故做了進(jìn)一步梳理,并羅列出其主要連鎖演化進(jìn)程中的事件,具體見附錄A 圖A1［5,16-17］。統(tǒng)計(jì)圖A1 中的相關(guān)連鎖事件發(fā)現(xiàn),短路故障、線路跳閘、直流換相失敗、直流閉鎖、新能源脫網(wǎng)、安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切機(jī)/切負(fù)荷、低頻減載、解列等在連鎖大停電事故中頻頻出現(xiàn),如在所梳理的10 次大停電事故中,涉及線路短路、跳開等故障問題9 次、頻率問題8 次、電網(wǎng)解列等問題7 次。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,前述在大停電事故中頻頻出現(xiàn)的故障對(duì)于大停電的發(fā)生、發(fā)展起到極其重要的推動(dòng)作用?；诖?本文將此類故障定義為關(guān)鍵事件,對(duì)關(guān)鍵事件的抓取有助于快速掌握連鎖故障的演化進(jìn)程,大幅降低參考性較低的海量數(shù)據(jù)的處理工作,提升連鎖鏈條的搜索效率。

2 故障連鎖演化規(guī)律分析

綜合考慮高比例新能源電力系統(tǒng)的主要特性,將相關(guān)送端近區(qū)電網(wǎng)簡(jiǎn)化等值為附錄A 圖A2 所示模型。本章基于第1 章定義的關(guān)鍵事件,圍繞直流換相失敗、直流閉鎖、新能源側(cè)電壓變化以及新能源脫網(wǎng)等事件展開關(guān)聯(lián)關(guān)系分析,梳理其連鎖反應(yīng)過程及演化規(guī)律。

2.1 直流換相失敗與直流閉鎖

梳理國(guó)內(nèi)外與新能源相關(guān)的大停電事故發(fā)現(xiàn),直流換相失敗故障的發(fā)生概率較大,對(duì)整個(gè)大停電的推動(dòng)作用不容忽視。本節(jié)在附錄A 圖A2 簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上,分析與換相失敗故障相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。

在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),換相角μ、關(guān)斷角γ、直流電流Id、直流系統(tǒng)母線電壓Udc及越前觸發(fā)角β之間的關(guān)系可以描述為:

式中:K為變壓器變比；Xc為等效換相電抗。

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生諸如短路等故障致使系統(tǒng)潮流發(fā)生大規(guī)模轉(zhuǎn)移,造成Udc下降時(shí),直流電流Id增大,由式（1）可知,此時(shí)關(guān)斷角γ減小,系統(tǒng)嘗試通過增大β以維持γ的恒定,當(dāng)γ小于最小限定值時(shí)換流站將發(fā)生換相失敗故障,直流系統(tǒng)暫停運(yùn)行后會(huì)再行啟動(dòng),在特定情況下,直流換相失敗故障可自行恢復(fù)。一旦再啟動(dòng)失敗致使發(fā)生2 次及以上的多次連續(xù)換相失敗,則會(huì)發(fā)生直流閉鎖。

2.2 新能源脫網(wǎng)

基于附錄A 圖A2 中的簡(jiǎn)化模型,考慮線路電壓損耗,故障后新能源系統(tǒng)、直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的電壓矢量關(guān)系如附錄A 圖A3 所示。

1）換相失敗故障

結(jié)合2.1 節(jié)內(nèi)容可知,在直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障初期,原先與之相匹配的換流站無(wú)功補(bǔ)償出力無(wú)法滿足直流系統(tǒng)的無(wú)功消耗,原有無(wú)功平衡狀態(tài)被打破。直流系統(tǒng)嘗試從近區(qū)系統(tǒng)吸收無(wú)功功率,導(dǎo)致近區(qū)電壓降低,新能源系統(tǒng)母線電壓Une跌落進(jìn)入低電壓穿越控制階段。結(jié)合新能源系統(tǒng)低電壓穿越控制運(yùn)行特性可知,此階段新能源機(jī)組的有功出力大幅減?。ü收虾笮履茉闯隽Φ挠泄ψ兓喀neg<0）,輸出無(wú)功功率大幅增加（故障后新能源出力的無(wú)功變化量ΔQneg>0）。綜合附錄A 式（A1）—式（A8）分析可知,故障后新能源系統(tǒng)母線電壓Ufne、直流系統(tǒng)母線電壓Ufdc逐步恢復(fù),但該階段的新能源有功出力上升緩慢,而無(wú)功需求不足,加之無(wú)功補(bǔ)償裝置的滯后響應(yīng)以及新能源機(jī)組低電壓穿越期間的無(wú)功出力回退不及時(shí)等導(dǎo)致出現(xiàn)大量的無(wú)功盈余。直流電流Id逐漸減小,換流站的無(wú)功消耗也迅速降低,接近為零,即ΔQd=-Qd、ΔPd=-Pd（其中ΔQd和ΔPd分別為故障后直流系統(tǒng)的無(wú)功與有功變化量,Pd與Qd分別為直流系統(tǒng)送出的有功功率與消耗的無(wú)功功率）,無(wú)法快速切除的濾波器使得直流系統(tǒng)無(wú)功功率同樣出現(xiàn)短時(shí)過剩［18］。新能源系統(tǒng)與直流系統(tǒng)過剩的無(wú)功功率造成送端近區(qū)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓?jiǎn)栴}。

整個(gè)換相失敗期間,新能源機(jī)端電壓伴隨著直流系統(tǒng)無(wú)功消耗的增加與降低呈現(xiàn)出先低后高的形態(tài),當(dāng)新能源機(jī)端電壓值超過高/低電壓穿越控制保護(hù)系統(tǒng)限值時(shí)則會(huì)造成部分新能源機(jī)組脫網(wǎng),有功輸出Pneg減小。待換相失敗結(jié)束直流功率恢復(fù)后,脫網(wǎng)的新能源機(jī)組造成功率缺額,可能引發(fā)頻率等問題,如此循環(huán)往復(fù),易引發(fā)新能源機(jī)組連鎖脫網(wǎng),嚴(yán)重的電壓、頻率等問題可能造成大停電事故。

2）直流閉鎖故障

當(dāng)發(fā)生直流閉鎖故障時(shí),直流功率輸送中斷,ΔQd=-Qd、ΔPd=-Pd,此時(shí)因安全自動(dòng)裝置動(dòng)作存在延遲導(dǎo)致濾波器無(wú)法被及時(shí)切除,短時(shí)間內(nèi)直流系統(tǒng)出現(xiàn)大量無(wú)功功率盈余,綜合附錄A 式（A3）—式（A8）可知,過剩的無(wú)功功率造成送端近區(qū)新能源系統(tǒng)母線電壓Ufne、直流系統(tǒng)母線電壓Ufdc升高。可能出現(xiàn)高于新能源機(jī)組高壓保護(hù)閾值而引發(fā)新能源脫網(wǎng),進(jìn)而出現(xiàn)不可控的連鎖脫網(wǎng)甚至造成大停電事故。

3）送端近區(qū)交流故障

送端近區(qū)發(fā)生短路故障后,交流系統(tǒng)電壓Uac、直流系統(tǒng)母線電壓Udc、新能源系統(tǒng)母線電壓Une迅速降低,直流電流Id減小,可能導(dǎo)致新能源機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越。待故障清除后,直流電流不能即刻恢復(fù),由濾波器發(fā)出的大量無(wú)功盈余可能造成換流站及近區(qū)暫態(tài)過電壓?jiǎn)栴},后續(xù)連鎖過程同換相失敗故障。

綜合前述分析可知,故障后新能源與直流系統(tǒng)之間相互影響,大量的有功/無(wú)功波動(dòng)可能引發(fā)電壓、頻率等問題,新能源與直流系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1 所示。若控制保護(hù)措施不到位極易誘發(fā)多重故障的連鎖反應(yīng),導(dǎo)致高比例新能源電力系統(tǒng)的大停電事故。

圖1 新能源與直流系統(tǒng)相互影響Fig.1 Interaction between renewable energy and DC system

2.3 演化規(guī)律分析

基于前文分析,本節(jié)將高比例新能源電力系統(tǒng)故障演化過程劃分為附錄A 圖A4 所示的初始階段（長(zhǎng)周期）、發(fā)展階段（中長(zhǎng)周期）、惡化階段（短周期）,分段式闡述其演化規(guī)律。

1）初始階段

初始階段電網(wǎng)故障多為一般性線路故障,或是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)性矛盾和交直流設(shè)備缺陷共同作用下的某個(gè)偶然事件。整個(gè)過程周期性長(zhǎng),如極端天氣造成的線路故障,其他事故造成的線路意外斷線、短路等。通常情況下N-1 故障是難以對(duì)各項(xiàng)參數(shù)均在合理范圍內(nèi)的電網(wǎng)運(yùn)行造成較大影響的,而發(fā)生大停電事故的電網(wǎng)在初始故障發(fā)生前大多存在運(yùn)行規(guī)劃不合理現(xiàn)象,包括部分線路潮流負(fù)載過重、局部電壓過低、剩余裕度較低等問題,如美加“8·14”與印度“7·30”大停電事故發(fā)生前電網(wǎng)負(fù)荷過高。電網(wǎng)強(qiáng)度偏弱,部分元件的運(yùn)行狀態(tài)或多或少接近臨界狀態(tài),此時(shí)N-1 故障更易引發(fā)連鎖反應(yīng)。

2）發(fā)展階段

初始故障發(fā)生后,故障線路上的潮流轉(zhuǎn)移至周邊近區(qū),引發(fā)近區(qū)部分線路潮流過載、周邊電壓變化等問題。該階段近區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)剩余裕度、安全自動(dòng)裝置動(dòng)作等因素都會(huì)影響到故障的連鎖演化。若近區(qū)線路潮流剩余裕度較低,或故障線路所承載的潮流相對(duì)其他線路過重,抑或發(fā)生故障線路是區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線,則極大概率造成臨近線路因短時(shí)間內(nèi)潮流激增超過閾值而跳閘,連鎖故障進(jìn)入發(fā)展階段。例如:美加“8·14”大停電事故中,在初始故障后潮流向近區(qū)轉(zhuǎn)移,先后造成12 條138 kV 輸電線因過載跳閘；而巴西“3·21”大停電事故進(jìn)入發(fā)展階段則是由于安全自動(dòng)裝置未正確動(dòng)作造成的,在分段斷路器因過流保護(hù)跳閘的情況下,未向美麗山水電站發(fā)電機(jī)組發(fā)出切機(jī)信號(hào)而使其繼續(xù)運(yùn)行,潮流轉(zhuǎn)移帶來(lái)連鎖反應(yīng)。連鎖故障發(fā)展階段的主要特點(diǎn)是故障連鎖反應(yīng)較為緩和,屬中長(zhǎng)周期,以潮流、電壓為主,若該階段安全自動(dòng)裝置能夠正確動(dòng)作、控制措施合理是可以防止連鎖反應(yīng)進(jìn)一步演化的。

3）惡化階段

連鎖故障演化至該階段開始涉及包括直流換流站、發(fā)電機(jī)等核心電網(wǎng)元件以及第三道防線。例如故障造成近區(qū)電壓降低后換流站逆變側(cè)因關(guān)斷角超過限制而發(fā)生換相失敗,新能源機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越過程。換相失敗結(jié)束后,無(wú)功盈余問題造成近區(qū)暫態(tài)過電壓。適當(dāng)提高新能源機(jī)組抗擾能力,在直流換相失敗發(fā)生后快速切除濾波器以降低無(wú)功盈余的沖擊,或者合理規(guī)劃新能源機(jī)組并網(wǎng)方式以降低濾波器無(wú)功盈余的影響等措施都能在一定程度上減少脫網(wǎng)事故的發(fā)生。

高比例新能源電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)機(jī)組較少,而新能源又不具備慣量支撐能力,當(dāng)新能源脫網(wǎng)量達(dá)到一定閾值后易引發(fā)系統(tǒng)頻率問題,低頻減載啟動(dòng)。不合理的控制保護(hù)策略或安全自動(dòng)裝置失靈等問題又進(jìn)一步引發(fā)切機(jī)、切負(fù)荷甚至解列等。例如,英國(guó)“8·9”大停電中預(yù)設(shè)的事故備用容量為1 000 MW,但小巴福德發(fā)電機(jī)的意外跳閘使得損失量超過預(yù)設(shè)值,引發(fā)頻率問題。

在系統(tǒng)出現(xiàn)電壓或頻率穩(wěn)定問題后,控制保護(hù)措施的合理性與安全自動(dòng)裝置能否正確動(dòng)作就顯得至關(guān)重要。一旦發(fā)生穩(wěn)定問題時(shí)措施量無(wú)法滿足需求抑或安全自動(dòng)裝置失靈,解列往往成為最后一道避免大停電的防線。若解列動(dòng)作不合理,出現(xiàn)孤島無(wú)法維持功率平衡,則可能造成電網(wǎng)崩潰,引發(fā)大停電事故。

惡化階段連鎖反應(yīng)周期短,演化進(jìn)程推動(dòng)更快,通常情況下該階段對(duì)連鎖故障進(jìn)行阻斷已存在一定的挑戰(zhàn),尤其是發(fā)生大規(guī)模新能源連鎖脫網(wǎng)后,對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

綜上分析,交流故障、直流換相失敗故障、直流閉鎖、新能源脫網(wǎng)等關(guān)鍵事件是推動(dòng)高比例新能源電力系統(tǒng)連鎖故障由初始階段至發(fā)展階段再到惡化階段并最終導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰的重要事件,其連鎖反應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系見圖2,其中Qneg為新能源機(jī)組發(fā)出的無(wú)功功率,Uneg為新能源機(jī)端電壓。

圖2 關(guān)鍵事件典型連鎖路徑Fig.2 Typical chain path of key events

3 算例分析

本章分別基于IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)及實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建了多種場(chǎng)景下的高比例新能源電力系統(tǒng)連鎖故障算例,仿真分析了直流故障、控制保護(hù)策略調(diào)整等因素對(duì)連鎖故障演化進(jìn)程的影響。

3.1 IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例

該算例基于IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),通過等量替換相應(yīng)同步機(jī)構(gòu)造出含2 條直流線路的新能源占比達(dá)55.54%的高比例新能源電力系統(tǒng),其中系統(tǒng)總出力為5 709.1 MW,直流DR1-DI1 的額定輸送功率為1 000 MW,直流DR2-DI2 的額定輸送功率為500 MW?？紤]到系統(tǒng)規(guī)模較小,對(duì)新能源控制保護(hù)策略做一定的調(diào)整:設(shè)定風(fēng)電低電壓穿越失敗脫網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為電壓跌落至0.85 p.u.且持續(xù)運(yùn)行超過5 個(gè)周波（每周波為0.02 s）,高電壓穿越失敗脫網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為過電壓達(dá)到1.05 p.u.且持續(xù)運(yùn)行超過5 個(gè)周波,或者電壓達(dá)到1.20 p.u.且持續(xù)運(yùn)行超過1 個(gè)周波；光伏電站低電壓穿越失敗脫網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為電壓跌落至0.90 p.u.時(shí)持續(xù)運(yùn)行超過25 個(gè)周波,高電壓穿越失敗脫網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為過電壓達(dá)到1.10 p.u.且持續(xù)運(yùn)行超過10 個(gè)周波。相關(guān)分析工作基于中國(guó)電力科學(xué)研究院所研發(fā)的PSD 電力系統(tǒng)分析軟件。

1）算例A

該算例中分別將同步機(jī)組G33、G34、G35、G36、G38 替換為等容量的風(fēng)電場(chǎng),其線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見附錄A 圖A5。設(shè)定線路22-23 在1.0 s 時(shí)刻發(fā)生短路故障,1.10 s 時(shí)刻故障清除,仿真結(jié)果及連鎖過程如附錄A 圖A6 所示。

短路故障發(fā)生后,近區(qū)母線電壓降低。至短路故障清除時(shí)刻,風(fēng)電場(chǎng)35 因低電壓穿越失敗脫網(wǎng)434 臺(tái)風(fēng)機(jī),約650 MW；在1.12 s 時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)38 因高電壓穿越失敗脫網(wǎng)830 MW,隨后系統(tǒng)維持穩(wěn)定。線路22-23 的短路故障所引發(fā)的連鎖鏈條如附錄A圖A6（d）所示。

該算例中,由短路故障引發(fā)了風(fēng)電場(chǎng)高/低壓脫網(wǎng)的連鎖事件。分析附錄A 圖A6（b）、（c）可知,2 條直流線路在短路故障清除后恢復(fù)正常,未發(fā)生換相失敗等故障。

2）算例B

該算例中分別將同步機(jī)組G33、G35、G38 替換為等容量的風(fēng)電場(chǎng),G34、G36 替換為等容量的光伏電站。設(shè)定線路14-15 在1.0 s 時(shí)刻發(fā)生短路故障,1.10 s 時(shí)刻故障清除,仿真結(jié)果如附錄A 圖A7所示。

短路故障發(fā)生后,光伏電站34、36 進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài),隨后在故障清除時(shí)刻,光伏電站34、36 退出低電壓穿越狀態(tài)并隨即進(jìn)入高電壓穿越狀態(tài)。在1.12 s 時(shí)刻光伏電站36 退出高電壓穿越后,風(fēng)電場(chǎng)33、35、38 因高電壓穿越失敗于1.19 s 脫網(wǎng),共計(jì)2 112 MW。由于3 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)以及光伏電站34、36 反復(fù)進(jìn)入高/低電壓穿越狀態(tài),出現(xiàn)大幅功率波動(dòng),至2.30 s 時(shí)刻直流DR1-DI1 發(fā)生換相失敗故障,2.31 s 時(shí)刻直流DR2-DI2 發(fā)生換相失敗故障。2 條直流線路均在換相失敗發(fā)生2 個(gè)周波后恢復(fù),期間伴隨著光伏電站34、36 的高/低電壓穿越問題。此后至仿真結(jié)束,2 條直流線路多次發(fā)生換相失敗故障并從中恢復(fù),直流輸送功率出現(xiàn)大幅波動(dòng)。

該算例的連鎖鏈條是由送端短路故障引發(fā)光伏電站反復(fù)進(jìn)入高/低電壓穿越狀態(tài),隨后風(fēng)電場(chǎng)33、35、38 因高電壓穿越失敗脫網(wǎng),并造成2 條直流線路反復(fù)出現(xiàn)換相失敗故障。文獻(xiàn)［19-20］闡述了送端故障引發(fā)直流換相失敗的機(jī)理,在此不再贅述。

3.2 實(shí)際電網(wǎng)算例

基于中國(guó)某區(qū)域A 電網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)分別構(gòu)建了含直流系統(tǒng)DC1（由區(qū)域A 電網(wǎng)外送至區(qū)域B 電網(wǎng)4 000 MW）、直流系統(tǒng)DC2（由區(qū)域C 電網(wǎng)外送至區(qū)域A 電網(wǎng)600 MW）的仿真算例,并在此基礎(chǔ)上衍生出只含直流系統(tǒng)DC2、無(wú)直流系統(tǒng)以及控制保護(hù)策略調(diào)整3 個(gè)算例,算例線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見附錄A圖A8?；A(chǔ)算例中區(qū)域A 電網(wǎng)共有412 條交流線路,2 條直流線路,總出力共18 012 MW,其中新能源出力為12 667 MW,占比為70.33%,負(fù)荷為9 445 MW,設(shè)定的新能源主要類別為風(fēng)電（類型為直驅(qū)風(fēng)機(jī)和雙饋風(fēng)機(jī)）及光伏,下文將基于中國(guó)電力科學(xué)研究院所研發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序（版本號(hào)PSASP 7.62.04.8062）展開相關(guān)分析。

1）算例1:含直流系統(tǒng)DC1、DC2

該算例采用的數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)算例,設(shè)定風(fēng)電低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)為電壓跌落至0.2 p.u.時(shí)能夠保持625 ms 的持續(xù)運(yùn)行,并在2 s 內(nèi)恢復(fù)到0.9 p.u.,電壓保持不脫網(wǎng),高電壓穿越失敗脫網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為過電壓達(dá)到1.1 p.u.且持續(xù)運(yùn)行超過10 個(gè)周波；光伏電站高/低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)同3.1 節(jié)。設(shè)定直流系統(tǒng)DC1 近區(qū)某750 kV 線路在1.0 s 時(shí)刻發(fā)生短路故障,因保護(hù)裝置拒動(dòng)致使1.10 s 時(shí)刻故障未能清除,至1.20 s 時(shí)刻后備保護(hù)裝置動(dòng)作將故障清除,仿真結(jié)果如圖3所示。

1.0 s 時(shí)刻短路故障發(fā)生后,直流近區(qū)電壓迅速降低,隨即直流系統(tǒng)DC1、DC2 發(fā)生換相失敗故障。短路故障初期,由圖3（b）可知直流電流增大,控制系統(tǒng)嘗試通過增大觸發(fā)角以維持關(guān)斷角的恒定來(lái)避免換相失敗,此時(shí)換流站的無(wú)功消耗短幅增加,直流電壓降低。換相失敗發(fā)生后,原先的無(wú)功平衡狀態(tài)被打破,此時(shí)直流系統(tǒng)嘗試從近區(qū)系統(tǒng)吸收無(wú)功功率,疊加短路故障帶來(lái)的沖擊,導(dǎo)致近區(qū)電壓降低,部分新能源機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越控制階段。結(jié)合新能源系統(tǒng)低電壓穿越控制運(yùn)行特性可知,此時(shí)新能源機(jī)組的有功出力減小,無(wú)功功率輸出增加。

圖3 含直流系統(tǒng)DC1、DC2 算例的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of case with DC system DC1 and DC2

在1.20 s 故障清除時(shí)刻,新能源側(cè)電壓、直流系統(tǒng)母線電壓逐步恢復(fù),但該階段的新能源有功出力上升緩慢,而無(wú)功需求不足,加之無(wú)功補(bǔ)償裝置的滯后響應(yīng)以及新能源機(jī)組低電壓穿越期間的無(wú)功出力回退不及時(shí)等導(dǎo)致出現(xiàn)大量的無(wú)功盈余,新能源機(jī)組進(jìn)入高電壓穿越階段,并在1.21 s 時(shí)刻部分新能源機(jī)組因高電壓穿越失敗脫網(wǎng)9 606 MW。

大量新能源的脫網(wǎng)造成功率大幅缺額,隨后新能源相繼因高/低電壓穿越失敗發(fā)生連鎖脫網(wǎng),分別在1.43 s時(shí)刻因低電壓穿越失敗脫網(wǎng)100 MW,在1.71 s時(shí)刻因高電壓穿越失敗脫網(wǎng)220 MW,在2.34～2.77 s 期間因低電壓穿越失敗連鎖脫網(wǎng)1 551 MW。值得關(guān)注的是,3.32～13.36 s 期間,直流系統(tǒng)DC2 發(fā)生多次換相失敗故障并恢復(fù),伴隨著多次新能源高壓脫網(wǎng),共計(jì)939.5 MW,且部分同步機(jī)出現(xiàn)功角失穩(wěn)。13.49～15.23 s 期間,直流系統(tǒng)DC2 發(fā)生6 次持續(xù)換相失敗,并于15.24 s 時(shí)刻直流系統(tǒng)DC2 雙極閉鎖。整個(gè)連鎖演化過程如圖3（f）所示。

回顧整個(gè)事故過程,交流系統(tǒng)短路故障帶來(lái)的短時(shí)沖擊造成潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移,所引發(fā)的直流系統(tǒng)故障進(jìn)一步惡化了新能源電壓情況,使得大量新能源因高/低電壓穿越失敗而連鎖脫網(wǎng),造成全網(wǎng)功率大幅缺額,引發(fā)功角失穩(wěn)等問題,并最終導(dǎo)致頻率失穩(wěn)。全鏈條大體呈現(xiàn)出交流故障-直流故障-新能源脫網(wǎng)-直流故障-交流故障的演化特點(diǎn),交直流群及新能源群交互影響。

2）算例2:僅含直流系統(tǒng)DC2

在3.2 節(jié)算例1 的基礎(chǔ)上,本算例拓?fù)渲腥コ绷飨到y(tǒng)DC1,只保留直流系統(tǒng)DC2,等比例調(diào)整區(qū)域A 電網(wǎng)中同步機(jī)組與新能源機(jī)組出力,整體保持新能源出力占比約70.33%,新能源控制保護(hù)策略等保持不變,所設(shè)定的初始故障與算例1 相同,仿真結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知,該算例中由短路故障所引發(fā)的關(guān)鍵事件如下:在1.0 s 時(shí)刻發(fā)生短路故障,隨后DC2系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障,持續(xù)0.03 s；1.21 s 時(shí)刻部分新能源因高電壓穿越失敗脫網(wǎng)6 521 MW；1.43～1.55 s 期間,因二次壓升導(dǎo)致新能源高電壓穿越失敗脫網(wǎng)645 MW；2.65～3.03 s 期間,新能源低壓脫網(wǎng)1 176 MW,大量新能源脫網(wǎng)帶來(lái)的全網(wǎng)功率缺額導(dǎo)致低頻問題。

圖4 含直流系統(tǒng)DC2 的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results with DC system DC2

該算例中,除在短路故障清除后因大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移并疊加直流系統(tǒng)DC2 換相失敗沖擊所造成的新能源高壓脫網(wǎng)外,后續(xù)的幾次高/低電壓穿越脫網(wǎng)問題可看作是1.21 s 時(shí)刻新能源脫網(wǎng)的余波,且相對(duì)第1 次的脫網(wǎng)事件而言其影響范圍較小。相較于算例1,該算例中僅有直流系統(tǒng)DC2,其輸送的功率較直流系統(tǒng)DC1 更小,且區(qū)域A 電網(wǎng)是直流系統(tǒng)DC2 的受端,再加之未出現(xiàn)算例1 中直流系統(tǒng)DC1換相失敗所帶來(lái)的沖擊,故而沒有發(fā)生多次換相失敗和閉鎖事件。對(duì)比算例1 相關(guān)結(jié)果,可分析出直流之間的故障沖擊對(duì)高比例新能源電力系統(tǒng)連鎖故障的演化影響不容忽視。

3）算例3:無(wú)直流系統(tǒng)

在算例1 的基礎(chǔ)上將直流系統(tǒng)DC1、DC2 去除,等比例調(diào)整區(qū)域A 電網(wǎng)中同步機(jī)組與新能源機(jī)組出力,整體保持新能源出力占比約70.33%,新能源控制保護(hù)策略等保持不變,所設(shè)定的初始故障與算例1 相同,仿真結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知,該算例中由初始故障所引發(fā)的連鎖故障中的關(guān)鍵事件為:在短路故障清除后的1.21 s大量新能源因高電壓穿越失敗脫網(wǎng)6 523 MW；1.44～1.50 s 期間,新能源高電壓穿越失敗再次脫網(wǎng)528 MW；2.43～2.93 s 期間,低電壓穿越失敗脫網(wǎng)1 176 MW。整個(gè)事故演化鏈條如圖5（d）所示。

4）算例4:控制保護(hù)策略影響分析

本算例在算例1 的基礎(chǔ)之上,僅調(diào)整新能源控制保護(hù)策略以分析因控制保護(hù)策略變化所帶來(lái)的連鎖演化過程的差異,初始故障、潮流數(shù)據(jù)等與算例1 保持一致。本算例中新能源的控制保護(hù)策略見表1,仿真結(jié)果如附錄A 圖A9 所示。

表1 新能源控制保護(hù)策略對(duì)比Table 1 Comparison of control and protection strategies for renewable energy

由仿真結(jié)果可知,該算例僅在初始故障發(fā)生后直流系統(tǒng)DC1、DC2 各發(fā)生一次換相失敗故障后恢復(fù)運(yùn)行,隨后系統(tǒng)保持穩(wěn)定,并未發(fā)生新能源脫網(wǎng)、其他直流故障等關(guān)鍵事件。

相對(duì)于算例1 中的連鎖演化進(jìn)程而言,該算例僅有初始故障-換相失敗故障這一簡(jiǎn)短的演化進(jìn)程。由此可見控制保護(hù)策略對(duì)連鎖故障鏈條演化的重要性。對(duì)于高比例新能源電力系統(tǒng),新能源的低耐受能力導(dǎo)致其更易受擾動(dòng)沖擊而發(fā)生脫網(wǎng)事件,進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,帶來(lái)連鎖性事件。提高新能源耐受能力,合理配置安控裝置,優(yōu)化控制保護(hù)策略,可在一定程度上防范連鎖事件的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于關(guān)鍵事件就高比例新能源電力系統(tǒng)故障連鎖演化規(guī)律展開分析,深入探討了短路故障、直流換相失敗故障、直流閉鎖故障、新能源機(jī)端電壓變化、新能源脫網(wǎng)等事件連鎖反應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系?；贗EEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)以及實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建了由短路故障引發(fā)的多種場(chǎng)景下的故障連鎖反應(yīng)算例,驗(yàn)證了高比例新能源形態(tài)下故障連鎖演化過程。

基于仿真分析發(fā)現(xiàn),高比例新能源形態(tài)下的電力系統(tǒng)在發(fā)生交流N-1 故障時(shí)可引發(fā)新能源群、直流群之間巨大的有功、無(wú)功波動(dòng),交直流系統(tǒng)、直流與直流系統(tǒng)之間都能產(chǎn)生連鎖反應(yīng),且算例中大容量直流系統(tǒng)會(huì)在一定程度上惡化整個(gè)連鎖事件的演化進(jìn)程。究其根本,主要是因?yàn)樘馗邏褐绷鬏斔腿萘扛?直流系統(tǒng)在受到擾動(dòng)沖擊發(fā)生故障后會(huì)“反噬”系統(tǒng),給系統(tǒng)帶來(lái)較大的二次沖擊,如發(fā)生直流換相失敗期間其自身的無(wú)功盈余可能引發(fā)新能源連鎖脫網(wǎng),進(jìn)而造成電網(wǎng)頻率低等一系列問題。

本文雖基于關(guān)鍵事件分析了高比例新能源電力系統(tǒng)故障連鎖演化規(guī)律,但更多的是從系統(tǒng)層面展開,未深入考慮系統(tǒng)內(nèi)大量電力電子裝備的自身特性,如電力電子裝備的保護(hù)/動(dòng)作邏輯等。后續(xù)研究將結(jié)合電力電子元件之間的耦合特性,深入分析故障后電氣量的時(shí)空傳播特性。

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