雁淮直流過渡階段送端低電壓及暫態(tài)過電壓問題研究

王小昂， 南曉強， 張 謙

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

0 引言

隨著適合遠距離大容量傳輸?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4 020 MW 配套電源，但根據(jù)國家能源局2016 年發(fā)布的《關于進一步調(diào)控煤電規(guī)劃建設的通知》 的相關要求，配套電源建設全面滯后。文獻[5-6] 從靜態(tài)安全、暫態(tài)功角穩(wěn)定、換流母線暫態(tài)過電壓、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)功能及實現(xiàn)等方面，對雁淮直流原規(guī)劃的配套電源投產(chǎn)后8 000 MW 額定功率送電的穩(wěn)定特性進行了研究。文獻[7] 對雁淮直流投產(chǎn)初期無配套電源時的電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性、風機暫態(tài)過電壓及穩(wěn)控裝置的切機策略進行了研究。2019 年3 月，神泉電廠（2×600 MW） 由朔州站改接至雁門關站，實現(xiàn)了雁淮直流過渡階段配套電源的從無到有，即便如此，配套電源依然遠低于原規(guī)劃規(guī)模。配套電源支撐不足導致直流近區(qū)交流設備故障后換流母線存在低電壓問題。此外，以往對于雁淮直流故障后近區(qū)風機暫態(tài)過電壓的研究在模型中未區(qū)分風機類型，更為細致的研究是必要的。

本文對雁淮直流在神泉改接后這一過渡階段的電壓穩(wěn)定問題進行了研究，分析了不同交流設備故障、不同近區(qū)開機方式對故障后換流母線電壓跌落的影響，并就直流功率、風機類型、風電同時率、近區(qū)開機等因素對直流換相失敗后風機暫態(tài)過電壓的影響進行了計算分析。研究結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機暫態(tài)過電壓提供有效措施及建議。

1 邊界條件

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

山西電網(wǎng)計算負荷28 750 MW，500 kV 九回線送華北12 500 MW，長南I 線南送2 800 MW。采用PSASP7 潮流程序及機電暫態(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)定計算技術規(guī)范》（DL/T 1234—2013），受故障擾動后的中長期過程中，要求換流母線電壓能夠保持或恢復到0.9 標幺值以上，雁淮直流成套設計書也要求換流母線運行的極端最低穩(wěn)態(tài)電壓不低于0.9 標幺值。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

雁淮直流一級匯集斷面由500 kV 湖關三回構成，二級匯集斷面由500 kV 雁湖雙回、500 kV 湖寨雙回、明海湖主變構成。湖關II 線與湖關III線、湖寨雙回、泉關雙回均為同桿架設，雁湖雙回也存在部分同桿架設。由此，近區(qū)交流故障考慮湖關三回N-2、湖寨雙回N-2、泉關雙回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

為考慮最嚴重情況，研究各交流故障時，盡量加重被研究設備的潮流：在雁同站近區(qū)大開機方式下研究雁湖雙N-2 故障，在五寨站近區(qū)大開機方式下研究湖寨雙N-2 故障，在雁同站與五寨站近區(qū)平衡開機方式下研究湖關三回N-2 與泉關雙回N-2 故障，在明海湖近區(qū)220 kV 火電大開機及新能源大發(fā)方式下研究明海湖主變N-1 故障。

神泉開1 臺機，雁淮直流功率5 200 MW，交流系統(tǒng)向換流母線輸送300 Mvar 無功，換流母線電壓調(diào)節(jié)為正常運行的下限510 kV，保持以上基礎條件不變，將開機方式及風電同時率調(diào)整為各交流故障對應較嚴重的情況，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

結合網(wǎng)架結構分析，各交流設備故障對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)架結構決定的潮流轉(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標幺值以下，不滿足直流運行要求。

2.4 近區(qū)機組開機影響

雁淮直流功率5 200 MW，交流系統(tǒng)向換流母線輸送300 MVar 無功，換流母線電壓調(diào)節(jié)為正常運行的下限510 kV，近區(qū)風電同時率10%，保持以上基礎條件不變，改變近區(qū)神泉、河曲開機，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，對大同地區(qū)開機方式進行調(diào)整，保持雁湖雙功率為3 118 MW。

表2 近區(qū)不同開機對電壓跌落影響

由表2 可知，近區(qū)開機增加時，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1 臺比河曲多開1 臺對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)機組開機增多，尤其是直流配套機組開機增多，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)過電壓

直流發(fā)生換相失敗、閉鎖等故障后，由于濾波器無功盈余及風電場的無功補償電壓效應，引起風電機端暫態(tài)電壓升高是造成風機高壓脫網(wǎng)的主要原因。直流換相失敗引起的風電機端暫態(tài)電壓升高相比直流雙極閉鎖更高，導致風機高壓脫網(wǎng)的情況更為嚴重。

3.1 直流輸送功率影響

以接入明海湖站的直驅(qū)型風機A 風電場和雙饋型風機B 風電場為代表校核直流換相失敗引起的風電機組機端暫態(tài)電壓升高。保持近區(qū)開機方式及風電同時率、換流母線與交流系統(tǒng)交換無功、換流母線初始電壓不變，在雁淮直流不同輸送功率下，計算直流換相失敗后風場的暫態(tài)過電壓，計算結果見表3。

表3 直流功率對風場暫態(tài)過電壓的影響

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

3.2 近區(qū)風電同時率影響

保持雁淮直流功率、近區(qū)開機方式、換流母線與交流系統(tǒng)交換無功、換流母線初始電壓不變，在近區(qū)不同風電同時率下，計算換相失敗后風場的暫態(tài)過電壓，計算結果見表4。

表4 風電同時率對風場暫態(tài)過電壓的影響

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

3.3 近區(qū)機組開機影響

保持雁淮直流功率5 200 MW、風電同時率60%、換流母線與交流系統(tǒng)交換無功不變，在不同開機情況下比較A 風電場和B 風電場220 kV 母線與風機機端的暫態(tài)壓升，結果見表5。

表5 近區(qū)開機對風機暫態(tài)過電壓的影響

由表5 可知，神泉多開1 臺機相比河曲多開4 臺機，A、B 風場的并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升、風機機端暫態(tài)壓升均略有減小，這說明對于降低直流換相失敗后的風電暫態(tài)壓升，配套機組的靈敏度遠高于近區(qū)其余機組；神泉開2 臺機情況下，河曲多開1 臺后，A、B 風場的并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升、風機機端暫態(tài)壓升均減小，這說明近區(qū)增開火電機組有利于降低風電暫態(tài)壓升幅值，減少風機脫網(wǎng)故障。

3.4 減少風機脫網(wǎng)的措施

可從兩方面來降低直流換相失敗帶來的風機脫網(wǎng)風險：一是增開近區(qū)機組，尤其是直流配套機組，利用火電機組的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力，可在一定程度上降低過電壓幅值；二是對近區(qū)風電機組進行高電壓穿越能力提升改造，提高過電壓耐受能力。同時，應控制近區(qū)風電裝機增長速率。

4 結論

雁淮直流送端安全穩(wěn)定運行受到近區(qū)交流故障后換流母線的低電壓問題及直流換相失敗等故障引起暫態(tài)過電壓問題制約，增開近區(qū)火電機組有利于增強交流故障后對換流母線的電壓支撐，有利于減輕直流換相失敗后風電的暫態(tài)過電壓幅值；增開直流配套電源對這兩方面的作用要顯著優(yōu)于近區(qū)其余機組。

直流換相失敗引起的直驅(qū)型風場并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升僅略高于雙饋型風場，但直驅(qū)型風機機端暫態(tài)壓升要顯著高于雙饋型風機機端；近區(qū)火電開機方式不變時，直流功率越大，換相失敗引起的風電暫態(tài)壓升越高；風場并網(wǎng)母線暫態(tài)壓升隨風電同時率升高而略有升高，但受風電同時率變化的影響較小。