長鏈式交直流混合電網(wǎng)振蕩特性及優(yōu)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(wǎng)有限公司特高壓建設分公司，北京 100032；2.國家電網(wǎng)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(wǎng)。

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(qū)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?！笆奈濉逼陂g，金上—湖北、哈密—渝北特高壓直流將相繼投運，西南電網(wǎng)通過“九橫三縱”12 回跨區(qū)直流互聯(lián)，西南電網(wǎng)大水電、大直流外送的送端電網(wǎng)特征更加突出。

西藏電網(wǎng)與四川電網(wǎng)之間經(jīng)過長距離的500 kV 交流線路相連，四川電網(wǎng)已有多回外送直流，同時今年還有多條規(guī)劃直流，整個西南電網(wǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)出長鏈式交直流混合電網(wǎng)態(tài)勢，此種電網(wǎng)在極端故障下的振蕩特性研究對于目前以及未來電網(wǎng)都具有參考意義。

本文介紹長鏈式交直流混合電網(wǎng)的基本特征，分析了典型的長鏈式交直流混合電網(wǎng)發(fā)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(wǎng)整體與主網(wǎng)解列后的電氣量特征，提出基于失穩(wěn)特征的第三道防線優(yōu)化建議。

1 研究對象及仿真模型

1.1 研究現(xiàn)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(wǎng)或受電斷面。胥威汀[2]等對區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)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(lián)電網(wǎng)，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(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)提供的實時動態(tài)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(lián)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(jù)，該判據(jù)可以區(qū)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(tǒng)結構變化和運行方式變化的影響。任建鋒[8]等對傳統(tǒng)基于相位角原理的失步解列判據(jù)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(jù)原理，指出了傳統(tǒng)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(wǎng)尤其是大型互聯(lián)電網(wǎng)失步振蕩過程及失步后的異步運行狀態(tài)復雜，難以應用數(shù)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(wǎng)，其電網(wǎng)網(wǎng)架如圖1 所示，其中：電網(wǎng)A 是以水風光為主體的低轉動慣量電力系統(tǒng)，電網(wǎng)B 是以大水電多直流通道為特征的電網(wǎng)，電網(wǎng)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(wǎng)A 通過長距離鏈式通道接入B 電網(wǎng)，一起構成典型的長鏈式交直流混合電網(wǎng)。

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(tǒng)分析軟件PSD-BPA 的電暫態(tài)仿真程序，其中主要元件模型類型選擇如下：

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

2)負荷模型：電網(wǎng)A 負荷采用70%感應馬達模型和30%靜態(tài)負荷模型，其中，靜態(tài)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(wǎng)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(shù)見表1 所列。

表1 電網(wǎng)穩(wěn)定頻率因子

3)光伏模型：在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障引起電壓跌落時，變流器具有一定的無功調節(jié)能力，并且自并網(wǎng)點電壓跌落時刻起，動態(tài)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(wǎng)振蕩，考慮電網(wǎng)發(fā)生故障后，第二道防線穩(wěn)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(wǎng)的第一級斷面；長鏈式電網(wǎng)內部匯集大電源的第二級傳輸斷面；長鏈式電網(wǎng)到主網(wǎng)的第三級聯(lián)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(wǎng)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(wǎng)B，一部分電力通過h1 換流站外送，部分繼續(xù)通過電網(wǎng)B 流向主網(wǎng)。h1 直流大外送方式下，斷面1 功率大，但接續(xù)斷面功率?。籬1 直流小外送方式下，斷面1 功率小，但接續(xù)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(wǎng)B 和主網(wǎng)能夠恢復穩(wěn)定；b1—b3 線路跳開后，電網(wǎng)A 帶長鏈式通道成為孤網(wǎng)，孤網(wǎng)內大量有功和無功盈余，造成孤網(wǎng)頻率電壓失穩(wěn)，需要在鏈式通道起點跳開通道聯(lián)絡線，電網(wǎng)A 孤網(wǎng)后執(zhí)行孤網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)B 和主網(wǎng)恢復穩(wěn)定；電網(wǎng)A 成為孤網(wǎng)，同理執(zhí)行孤網(wǎng)功率平衡控制措施。

3)振蕩中心由故障斷面轉移至與主網(wǎng)的聯(lián)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(wǎng)A 形成孤網(wǎng)，執(zhí)行孤網(wǎng)功率平衡控制措施；電網(wǎng)B 和主網(wǎng)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(wǎng)頻率低周，觸發(fā)主網(wǎng)大范圍低頻減載動作后，逐漸恢復穩(wěn)定，電網(wǎng)B 形成孤網(wǎng)，無法恢復穩(wěn)定。

2.2 第二級斷面故障

b4—h2 線路N-2 故障后，存在近區(qū)機組功角失穩(wěn)的問題，觸發(fā)第三道防線動作，電網(wǎng)頻率高周，具體動作情況如下：

1)故障后近區(qū)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(wǎng)聯(lián)絡線。

2)失步解列裝置動作后電網(wǎng)A+電網(wǎng)B 存在孤網(wǎng)頻率高周問題，主網(wǎng)存在頻率低周問題，觸發(fā)電網(wǎng)A+電網(wǎng)B 大范圍高周切機，主網(wǎng)大范圍低頻減載，電網(wǎng)最終恢復穩(wěn)定。

b4—h1 線路N-2 故障后，存在近區(qū)機組功角失穩(wěn)的問題，電網(wǎng)頻率高周，觸發(fā)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(wǎng)A 至b1 的長鏈式通道隨后也解列。電網(wǎng)A、電網(wǎng)B 存在孤網(wǎng)頻率高周問題，主網(wǎng)存在頻率低周問題，觸發(fā)電網(wǎng)A、電網(wǎng)B 大范圍高周切機，主網(wǎng)大范圍低頻減載，電網(wǎng)最終恢復穩(wěn)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(wǎng)A 至b1 的長鏈式通道隨后也解列。電網(wǎng)A、電網(wǎng)B 存在孤網(wǎng)頻率高周問題，主網(wǎng)存在頻率低周問題，觸發(fā)電網(wǎng)A、電網(wǎng)B 大范圍高周切機，主網(wǎng)大范圍低頻減載，電網(wǎng)最終恢復穩(wěn)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(qū)機組功角失穩(wěn)的問題，電網(wǎng)頻率高周，觸發(fā)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(wǎng)A+電網(wǎng)B 存在高周問題，觸發(fā)高周切機動作，電網(wǎng)可逐漸恢復穩(wěn)定；主網(wǎng)側損失電源后觸發(fā)大范圍低頻切負荷，低頻減載后主網(wǎng)恢復穩(wěn)定。

2.4 振蕩特性小結

在長鏈式交直流混合電網(wǎng)發(fā)生極端故障后，容易導致長鏈路前后兩端電網(wǎng)失步，此時振蕩中心線路失步解列裝置動作，解列兩端電網(wǎng)。由于直流送端電源多，當直流配套電源留存主網(wǎng)較多時，長鏈式送端電網(wǎng)在第一步解列后同時存在孤網(wǎng)頻率問題以及內部電源之間相互振蕩的問題。因此，傳統(tǒng)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(xù)振蕩問題無法解決。

3 振蕩機理分析

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

失穩(wěn)機理：兩區(qū)域互聯(lián)時，其聯(lián)絡線傳輸功率P的表達式為式(1)。

式中：P為聯(lián)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(lián)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(wěn)極限功率。

針對本次研究對象，兩個電網(wǎng)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(lián)絡線靜穩(wěn)極限低，聯(lián)絡線的暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定能力也較差，在大擾動情況下會出現(xiàn)上述仿真中出現(xiàn)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(wǎng)，解列后仍然存在大功率電源長距離傳輸，從而引發(fā)后續(xù)的振蕩問題。

4 優(yōu)化措施

4.1 優(yōu)化措施方案

現(xiàn)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(wǎng)A、電網(wǎng)B與主網(wǎng)解列，電網(wǎng)A+電網(wǎng)B形成孤網(wǎng)。孤網(wǎng)內存在長鏈式通道失步解列無序動作以及孤網(wǎng)頻率高周峰值較大、持續(xù)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(yōu)化：

1)若孤網(wǎng)后，電網(wǎng)A 機組可與電網(wǎng)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(wǎng)后，電網(wǎng)A 機組可與電網(wǎng)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(wǎng)后，電網(wǎng)A 機組與電網(wǎng)B 機組失步振蕩，優(yōu)先失步解列長鏈式通道。

解列優(yōu)化方案邏輯見圖2。

圖2 解列優(yōu)化方案邏輯示意圖

4.2 仿真驗證

基于上述優(yōu)化方案，對存在電網(wǎng)A+電網(wǎng)B 共同孤網(wǎng)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(yōu)化前后效果對比圖

1) h1+h2 兩回直流換相失敗閉鎖故障

發(fā)生h1+h2 兩回直流換相失敗閉鎖故障后，已有解列方案與優(yōu)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(wǎng)A 機組可與電網(wǎng)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(jù)，解列長鏈式通道，有效解決了電網(wǎng)A 的頻率問題，保證了電網(wǎng)A 的穩(wěn)定運行。

2) h1 直流+主網(wǎng)一回直流換相失敗閉鎖故障

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

圖4 h1直流+主網(wǎng)一回直流換相失敗閉鎖故障優(yōu)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(wǎng)A+電網(wǎng)B 與主網(wǎng)失步，故障后12 s 滿足失步解列判據(jù)，解列聯(lián)絡線路，有效解決了電網(wǎng)A 和電網(wǎng)B 的失步問題，保證了電網(wǎng)A 和電網(wǎng)B 的穩(wěn)定運行。

圖5 第三級斷面交流線路N-2故障優(yōu)化前后效果對比圖

綜上，本節(jié)提出的第三道防線優(yōu)化解列方案能夠有效提高電網(wǎng)極端故障后的孤網(wǎng)穩(wěn)定性。

5 結語

本文結合目前電網(wǎng)“西電東送”發(fā)展形勢，針對長鏈式交直流混合的復雜送端電網(wǎng)，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(tài)下的振蕩中心規(guī)律；并對長鏈式交直流混合電網(wǎng)呈現(xiàn)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(yōu)化解列方案。

對于長鏈式交直流混合的送端電網(wǎng)，長鏈式通道落點電網(wǎng)的第一級、第二級、第三級斷面故障后，電網(wǎng)存在功角失穩(wěn)問題，振蕩中心位于相關斷面上，失步解列動作后存在孤網(wǎng)問題，需結合孤網(wǎng)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(jù)故障后的功角、頻率等特征，采取不同的解列措施，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。