特高壓交直流混聯(lián)新能源高比例滲透背景下受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題探討

陳 博，王 亮，張 冰，王 勇，趙 康

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250021；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

目前隨著特高壓交直流輸電工程的全面投產(chǎn)，電網(wǎng)交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)逐漸加強(qiáng)，直流輸電規(guī)模不斷增長(zhǎng)，電網(wǎng)一體化特性日趨顯著明顯，交直流混聯(lián)系統(tǒng)特性更加復(fù)雜。風(fēng)電、光伏等新能源繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)半數(shù)以上的省級(jí)電網(wǎng)中，新能源已成為網(wǎng)內(nèi)第二大電源甚至第一大電源，電源結(jié)構(gòu)性風(fēng)險(xiǎn)不斷累積。

文獻(xiàn)［1］分析了特高壓交流電網(wǎng)在強(qiáng)化受端系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì)，給出了系統(tǒng)分層分區(qū)運(yùn)行、提高同步電網(wǎng)自愈能力的建議。文獻(xiàn)［2］應(yīng)用臨界短路比和邊界短路比的數(shù)學(xué)公式，提出分層接入方式下受端系統(tǒng)強(qiáng)弱的量化判斷標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)［3］分析了特高壓直流分層接入下的交直流系統(tǒng)中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方法。文獻(xiàn)［4］闡述了交流特高壓與直流特高壓的功能定位，并分析了特高壓同步電網(wǎng)的安全性及可獲取的綜合效益。文獻(xiàn)［5］研究了大規(guī)模新能源接入下特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線控制策略。文獻(xiàn)［6］揭示了交直流耦合作用對(duì)高低端換流器的影響機(jī)理，研究了同步調(diào)相機(jī)通過(guò)交直流耦合作用對(duì)高低端換流器換相失敗的抑制作用。文獻(xiàn)［7］基于靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束提出新能源臨界滲透率的工程實(shí)用計(jì)算方法，并以實(shí)際電網(wǎng)為例，分析了影響新能源滲透率的相關(guān)因素。

受端電網(wǎng)交直流之間、高低電壓之間、電源與電網(wǎng)之間、一次網(wǎng)架與二次系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)性矛盾不斷累積，大電網(wǎng)耦合特性更加復(fù)雜，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)不斷加大。受多回直流集中饋入和新能源高比例電力滲透的影響，受端電網(wǎng)面臨的大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)始終存在。

電壓失穩(wěn)是系統(tǒng)傳輸能力不能滿足負(fù)荷需求導(dǎo)致的系統(tǒng)性問(wèn)題，是系統(tǒng)特性和負(fù)荷特性共同作用的結(jié)果。受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平主要與關(guān)鍵斷面強(qiáng)弱、故障形態(tài)、電壓支撐能力、直流動(dòng)態(tài)特性、新能源故障特性以及負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性6 個(gè)方面相關(guān)。圍繞以上6 個(gè)主要因素，闡述受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施。

1 受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)

隨著受端電網(wǎng)交直流受電規(guī)模的大幅增長(zhǎng)，受端電網(wǎng)火電機(jī)組的開(kāi)機(jī)空間受到嚴(yán)重?cái)D壓，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓支撐能力下降；同時(shí)風(fēng)電和光伏的裝機(jī)規(guī)模不斷增加，進(jìn)一步擠占了常規(guī)電源的開(kāi)機(jī)空間，電網(wǎng)大受電、小開(kāi)機(jī)方式下，特高壓交流線路發(fā)生N-2 故障時(shí)，受端電網(wǎng)均存在電壓失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)仿真分析，受端電網(wǎng)外受電占常規(guī)火電開(kāi)機(jī)比例超過(guò)一定值時(shí)，受端電網(wǎng)存在電壓崩潰問(wèn)題；若考慮新能源發(fā)電功率，該比例還會(huì)繼續(xù)下降。

為了促進(jìn)新能源消納、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，未來(lái)新能源發(fā)電占比和外受電規(guī)模還將持續(xù)增長(zhǎng)，受端電網(wǎng)電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。

2 受端電網(wǎng)電壓失穩(wěn)演變過(guò)程

交流線路故障接地期間，電網(wǎng)電壓迅速降低，導(dǎo)致受端電網(wǎng)的3 條直流同時(shí)換相失敗，系統(tǒng)內(nèi)大量新能源機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)。受入有功功率和新能源有功出力大幅跌落，引發(fā)全網(wǎng)范圍的潮流轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)無(wú)功損耗短時(shí)大幅增加，受端交流受電斷面和東西聯(lián)絡(luò)斷面潮流加重。

故障清除后，電網(wǎng)電壓迅速回升，一是直流功率開(kāi)始回升，期間伴隨吸收大量無(wú)功，并逐漸增加；二是負(fù)荷中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有功迅速增大，同時(shí)吸收大量無(wú)功功率；三是負(fù)荷有功的快速恢復(fù)，使得交流斷面潮流加重，斷面中線路消耗大量無(wú)功功率；四是新能源有功功率回復(fù)較慢，有功潮流轉(zhuǎn)移長(zhǎng)期存在，系統(tǒng)的無(wú)功損耗持續(xù)惡化電壓水平。

無(wú)功功率消耗增大導(dǎo)致電壓穩(wěn)定極限降低，有功潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致薄弱斷面潮流加重，送電功率超過(guò)電壓穩(wěn)定極限時(shí)，會(huì)造成受端電壓失穩(wěn)。

此外，受端特高壓環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了受端電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高了受端電網(wǎng)的受電能力。受電規(guī)模的提高導(dǎo)致故障后主網(wǎng)內(nèi)的其他區(qū)域聯(lián)絡(luò)線潮流轉(zhuǎn)移增大，受端電網(wǎng)交直流故障可能會(huì)引發(fā)主網(wǎng)內(nèi)某些薄弱斷面電壓失穩(wěn)，全網(wǎng)電壓振蕩等問(wèn)題。

3 受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的主要影響因素

3.1 關(guān)鍵斷面強(qiáng)弱

聯(lián)絡(luò)線相對(duì)于送受端電網(wǎng)而言較為薄弱，等值阻抗較大，故障發(fā)生在聯(lián)絡(luò)線處，整個(gè)系統(tǒng)的等值電抗增加較大，電壓穩(wěn)定極限功率降低最多，相比其他故障點(diǎn)更易引起電壓失穩(wěn)。受端電網(wǎng)關(guān)鍵斷面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 受端電網(wǎng)關(guān)鍵斷面結(jié)構(gòu)

受端電網(wǎng)交直流受電量較大的方式下，1 000 kV A 站至B 站雙回線路發(fā)生三永N-2 故障后，受端內(nèi)部東西聯(lián)絡(luò)斷面有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng)幅值巨大。

交流故障引起直流換相失敗、新能源機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，電網(wǎng)出現(xiàn)較大的功率缺額，造成聯(lián)絡(luò)線在故障后潮流過(guò)重。

考慮到線路傳輸?shù)挠泄β蔖 與兩端電壓U1、U2的大小、阻抗X 及其相位差θ 之間的關(guān)系為

由于故障兩端電壓的持續(xù)下降和系統(tǒng)阻抗的增大，線路的靜穩(wěn)極限降低。當(dāng)潮流轉(zhuǎn)移的功率超過(guò)聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率極限時(shí)，容易造成電壓失穩(wěn)。

3.2 故障形態(tài)

1 000 kVA 站至B 站雙回線路發(fā)生三永N-2 故障導(dǎo)致受端電壓崩潰的臨界運(yùn)行方式下，異名相N-2 故障后電壓穩(wěn)定。這兩種故障前后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相同，主要是故障沖擊不同。兩種故障期間3 條直流功率特性一致，均發(fā)生換相失敗，輸送功率大幅降低。三永N-2 故障，接地短路期間，電網(wǎng)電壓降低較大，受影響的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍大，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)差率迅速增大，接地故障清除后，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷吸收的無(wú)功功率大幅增加，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)容易因低壓堵轉(zhuǎn)，吸收的無(wú)功功率進(jìn)一步增加，惡化了電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。同桿異名相N-2 故障，受影響的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍小，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)量相對(duì)少，對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定影響相對(duì)小。

不同故障形態(tài)對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定影響不同，主要與故障沖擊的嚴(yán)重程度及損失的設(shè)備有關(guān)，故障沖擊越嚴(yán)重，故障后損失的設(shè)備越多，靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限功率越小，電網(wǎng)電壓越容易失穩(wěn)。

3.3 電壓支撐能力

由于目前多數(shù)受端電網(wǎng)特高壓環(huán)網(wǎng)無(wú)機(jī)組接入，電壓支撐能力較弱。若新建2 臺(tái)30 萬(wàn)kvar 調(diào)相機(jī)接入特高壓C 站1 000 kV 側(cè)，受端交直流受電能力可提高約45 萬(wàn)kW；若新建2 臺(tái)68 萬(wàn)kW 機(jī)組通過(guò)500 kV 線路接入直流近區(qū)500 kV 站，受端交直流受電能力可提高80 萬(wàn)kW。加裝調(diào)相機(jī)或直流近區(qū)新建機(jī)組可提高受端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力，有助于提高電壓穩(wěn)定性。

3.4 直流動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，換流站交流母線電壓瞬時(shí)跌落，直流受端發(fā)生換相失敗，直流輸送功率越高，故障期間吸收的無(wú)功功率越大、有功功率沖擊越大，交流電壓越低，更易導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。因此，直流輸送功率越高，交流故障對(duì)電網(wǎng)沖擊越大，電壓穩(wěn)定性越差。

如圖2 所示，直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障后，其吸收的無(wú)功功率迅速降低，但是隨著直流功率的恢復(fù)，直流系統(tǒng)從交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率大幅增長(zhǎng)，并且直流功率越高，吸收的無(wú)功功率越大。

圖2 不同直流功率下無(wú)功功率變化

3.5 新能源故障特型

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，尤其是特高壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致受端電網(wǎng)內(nèi)大量不同電壓等級(jí)的母線電壓低于90%標(biāo)稱電壓，引發(fā)大規(guī)模新能源機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，如圖3 所示。

低穿期間新能源機(jī)組有功出力大幅降低，低穿后有功功率恢復(fù)緩慢。根據(jù)GB／T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求，風(fēng)機(jī)應(yīng)按照每秒不小于0.1PN（PN額定功率）的功率變化率恢復(fù)至故障前的值，極端情況下恢復(fù)全部功率需7～9 s，因此新能源同時(shí)率越高，故障后有功缺額越大，同時(shí)大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移的時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)，電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)增加。

3.6 負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同端電壓下的轉(zhuǎn)矩滑差特性曲線如圖4 所示。隨著端電壓的不斷減小，電磁轉(zhuǎn)矩滑差特性曲線向橫軸收縮。當(dāng)端電壓小于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定臨界電壓Vsmin時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩滑差特性曲線與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線不存在交點(diǎn)，即實(shí)際系統(tǒng)不存在運(yùn)行點(diǎn)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入堵轉(zhuǎn)過(guò)程，滑差迅速變?yōu)?，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，有功及無(wú)功曲線均出現(xiàn)躍變，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)吸收的無(wú)功功率大幅增加，將會(huì)惡化電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

圖4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩滑差特性曲線

在不計(jì)頻率變化的情況下，恒阻抗負(fù)荷的功率與電壓的平方成正比，恒電流負(fù)荷的功率與電壓成正比。對(duì)于恒阻抗負(fù)荷如圖5 所示，其P-V 關(guān)系曲線與系統(tǒng)的P-V 曲線（鼻型曲線）總存在交點(diǎn)，即系統(tǒng)不存在電壓失穩(wěn)問(wèn)題。對(duì)于恒電流如圖6 所示，及恒功率負(fù)荷如圖7 所示，如果故障或擾動(dòng)使得系統(tǒng)傳輸能力下降，P-V 曲線向縱軸收縮，則負(fù)荷的P-V 關(guān)系曲線與系統(tǒng)的P-V 曲線可能不存在交點(diǎn)，即系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。

不同負(fù)荷對(duì)電壓穩(wěn)定的影響不同，恒阻抗負(fù)荷不存在電壓穩(wěn)定問(wèn)題，恒電流負(fù)荷對(duì)電壓穩(wěn)定的影響要明顯小于恒功率、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+恒阻抗負(fù)荷。恒功率與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+恒阻抗負(fù)荷相比，還要取決于負(fù)荷中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的比例，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)成分越多，對(duì)電壓穩(wěn)定影響越大。

某些受端省份第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)的占比較高，電網(wǎng)負(fù)荷中電動(dòng)機(jī)比例較大，因此電網(wǎng)穩(wěn)定性較其他第三產(chǎn)業(yè)占比較高省級(jí)電網(wǎng)弱。

圖5 恒阻抗負(fù)荷P-V 關(guān)系

圖6 恒電流負(fù)荷P-V 關(guān)系

圖7 恒功率負(fù)荷P-V 關(guān)系

4 穩(wěn)定控制建議

目前部分交流斷面依舊薄弱，只有加強(qiáng)特高壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，才能從根本上解決“強(qiáng)直弱交”的問(wèn)題，降低特高壓直流在大功率運(yùn)行時(shí)發(fā)生換相失敗、閉鎖等故障對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

細(xì)化仿真分析工作，針對(duì)不同運(yùn)行方式下的受端電網(wǎng)受電能力進(jìn)行細(xì)致評(píng)估，研究新能源接入對(duì)大電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。預(yù)控電網(wǎng)常規(guī)電源的開(kāi)機(jī)容量，確保電網(wǎng)具備足夠的電壓支撐能力。

加快1 000 kV 電網(wǎng)接入調(diào)相機(jī)的研究工作以及規(guī)劃常規(guī)電源接入受端特高壓網(wǎng)架，提高特高壓網(wǎng)架的電壓支撐能力。

此外，安控裝置聯(lián)切負(fù)荷、速降直流功率、緊急投切無(wú)功設(shè)備可提高受端電壓穩(wěn)定水平。但是由于特高壓設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問(wèn)題與受端全網(wǎng)的開(kāi)機(jī)方式、旋轉(zhuǎn)備用、負(fù)荷分布、潮流分布等諸多因素相關(guān)，安控裝置聯(lián)切負(fù)荷、速降直流功率的啟動(dòng)判據(jù)和控制策略比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)化控制策略會(huì)存在過(guò)切負(fù)荷較多或過(guò)降直流較多的情況，切負(fù)荷措施造成的社會(huì)影響大，且速降直流可能導(dǎo)致引發(fā)其他送端電網(wǎng)的穩(wěn)定問(wèn)題。同時(shí)考慮故障后安控裝置投入直流近區(qū)500 kV 變電站的電容器的措施，需要解決可投切無(wú)功設(shè)備容量不固定、與AVC 系統(tǒng)配合等問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著受端特高壓交流環(huán)網(wǎng)的全面投產(chǎn)，受端電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)系更加緊密，電網(wǎng)一體化特征明顯。直流受電規(guī)模和新能源裝機(jī)規(guī)模的繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，本地火電開(kāi)機(jī)空間受到擠壓，電網(wǎng)電力電子化占比大幅提升。

從關(guān)鍵斷面強(qiáng)弱、故障形態(tài)、電壓支撐能力、直流動(dòng)態(tài)特性、新能源故障特性以及負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性等6 個(gè)方面分析了受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定機(jī)理，并提出了相關(guān)建議，對(duì)于全面構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。