郝 捷，劉鵬飛，張 健

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)山西介休供電公司，山西 介休 032000；3.國(guó)網(wǎng)山西陽(yáng)泉供電公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引言

近年來(lái)，隨著雁淮特高壓直流線路的投運(yùn)，山西已形成特高壓交直流混聯(lián)的送端電網(wǎng)。而有著豐富風(fēng)光資源的山西電網(wǎng)在直流近區(qū)配備了大規(guī)模的風(fēng)電，實(shí)現(xiàn)了以風(fēng)電、火電打捆經(jīng)特高壓直流跨區(qū)外送的送電方式[1-2]。由于直流故障會(huì)導(dǎo)致近區(qū)風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，給山西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。因此，急需對(duì)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)問(wèn)題進(jìn)行研究[3]。

1 雁淮直流近區(qū)風(fēng)機(jī)現(xiàn)狀

山西電網(wǎng)從北到南已形成覆蓋全省的500 kV為主干的電力網(wǎng)絡(luò)。按照220 kV供電分片劃分，山西省電網(wǎng)分為大同、忻朔、中部、南部4大供電區(qū)域。雁淮直流接入忻朔電網(wǎng)的雁門(mén)關(guān)換流站，當(dāng)前近區(qū)風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量達(dá)到3 000 MW以上，約占全省風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康?0%。在近區(qū)存在大量風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式下，特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)與風(fēng)機(jī)的耦合特性逐漸增強(qiáng)[4]，直流故障會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)無(wú)功波動(dòng)、風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等問(wèn)題，此類(lèi)問(wèn)題會(huì)威脅山西電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-6]。本文利用中國(guó)電力科學(xué)研究院電力系統(tǒng)分析綜合程序 PSASP（power system analysis software package）搭建山西電網(wǎng)實(shí)際仿真模型，仿真分析雁淮直流發(fā)生故障對(duì)近區(qū)風(fēng)機(jī)的影響，雁淮直流近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示[7-8]。

2 風(fēng)機(jī)暫態(tài)壓升計(jì)算分析

直流系統(tǒng)發(fā)生故障而導(dǎo)致近區(qū)風(fēng)機(jī)高壓脫網(wǎng)的原因主要在于直流故障和風(fēng)電同時(shí)率兩個(gè)方面。

2.1 不同類(lèi)型直流故障對(duì)風(fēng)機(jī)暫態(tài)壓升的影響

2019年，雁淮直流的最大送電能力約為6 000 MW，按雁淮直流送電功率6 000 MW、長(zhǎng)南線南送5 800 MW、風(fēng)機(jī)同時(shí)率40%方式，雁淮直流分別發(fā)生1次換相失敗、連續(xù)3次換相失敗、雙極閉鎖、雙極2次再啟動(dòng)故障。以臥龍洞風(fēng)電場(chǎng)為例，如表1所示（標(biāo)幺值），在雁淮直流發(fā)生換相失敗后，換流站近區(qū)風(fēng)電暫態(tài)壓升最大，且發(fā)生1次換相失敗與發(fā)生連續(xù)3次換相失敗的暫態(tài)壓升相同。

圖1 雁淮直流近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖（含風(fēng)電）

表1 不同直流故障類(lèi)型時(shí)臥龍洞風(fēng)電暫態(tài)壓升情況

對(duì)于直流系統(tǒng)而言，在發(fā)生連續(xù)換相失敗故障期間，前期因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)的電流以及整流側(cè)觸發(fā)角同時(shí)增加，導(dǎo)致直流需要從系統(tǒng)側(cè)吸入大量的無(wú)功功率，而后期由于直流電流降為0但濾波器還盈余著大量無(wú)功，又使直流對(duì)系統(tǒng)釋放出大量的無(wú)功功率，這就會(huì)引起近區(qū)風(fēng)機(jī)暫態(tài)電壓呈現(xiàn)出一種“先降低后升高”的特性，仿真波形如圖2所示。

2.2 不同風(fēng)電同時(shí)率對(duì)風(fēng)機(jī)暫態(tài)壓升的影響

按雁淮直流最大送電功率6 000 MW，明海湖近區(qū)風(fēng)電同時(shí)率40%，雁淮直流發(fā)生連續(xù)3次換相失敗，仿真結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)量為377 MW。

按雁淮直流最大送電功率600 MW，明海湖近區(qū)風(fēng)電同時(shí)率60%，雁淮直流發(fā)生連續(xù)3次換相失敗，仿真結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)量為567 MW。

圖2 不同直流故障類(lèi)型時(shí)臥龍洞風(fēng)電機(jī)端電壓曲線

表2 風(fēng)機(jī)同時(shí)率40%風(fēng)電脫網(wǎng)情況 MW

表3 風(fēng)機(jī)同時(shí)率60%風(fēng)電脫網(wǎng)情況 MW

按雁淮直流最大送電功率6 000 MW，明海湖近區(qū)風(fēng)電同時(shí)率100%，雁淮直流發(fā)生連續(xù)3次換相失敗，仿真結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)量為1 329.5 MW。

表4 風(fēng)機(jī)同時(shí)率100%風(fēng)電脫網(wǎng)情況 MW

在風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓降低期間，部分風(fēng)機(jī)會(huì)進(jìn)入低壓穿越的過(guò)程，導(dǎo)致其有功出力大幅度降低，在其低壓穿越的過(guò)程結(jié)束以后，風(fēng)機(jī)有功出力的恢復(fù)過(guò)程比較緩慢，使風(fēng)電場(chǎng)盈余了大量的無(wú)功功率。在風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓處于上升階段時(shí)期，風(fēng)機(jī)與換流站的無(wú)功盈余會(huì)產(chǎn)生疊加作用，同時(shí)因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備具有電壓效應(yīng)，就進(jìn)一步提高了電壓。因此，風(fēng)機(jī)有功出力越大，壓升越大。

2.3 風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)抑制措施

a）將雁淮直流近區(qū)風(fēng)機(jī)的高壓（標(biāo)幺值）保護(hù)動(dòng)作定值由當(dāng)前的1.2更改為1.3，可以有效地避免風(fēng)機(jī)由于高壓保護(hù)誤動(dòng)作而導(dǎo)致的脫網(wǎng)。由于山西電網(wǎng)直流外送的特點(diǎn)對(duì)風(fēng)機(jī)的耐高壓特性有更高要求，因此在更改保護(hù)動(dòng)作值以后，風(fēng)機(jī)的耐高壓能力會(huì)比之前更符合直流近區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)。能夠大幅度增強(qiáng)風(fēng)機(jī)的高電壓穿越能力，減小風(fēng)電機(jī)組因?yàn)榇蠓葔荷a(chǎn)生的脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

b）直流近區(qū)風(fēng)機(jī)由于直流故障引起的暫態(tài)壓升而導(dǎo)致脫網(wǎng)問(wèn)題，可以配置合理的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，有效改善風(fēng)機(jī)的電壓水平，避免風(fēng)機(jī)因?yàn)閴荷鴮?dǎo)致的脫網(wǎng)問(wèn)題，保障山西電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3 結(jié)論

a）直流近區(qū)接入大規(guī)模風(fēng)機(jī)之后會(huì)影響電網(wǎng)的電壓特性。提升風(fēng)機(jī)耐壓能力并加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠在直流系統(tǒng)發(fā)生故障引起電壓波動(dòng)時(shí)抑制風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)，也可以在故障后對(duì)系統(tǒng)提供支撐，以此加速恢復(fù)電網(wǎng)電壓，為山西電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)管控及穩(wěn)定運(yùn)行提供策略和指導(dǎo)。

b）仿真結(jié)果符合山西電網(wǎng)特點(diǎn)，但是故障設(shè)置還具有局限性。隨著直流近區(qū)風(fēng)機(jī)投產(chǎn)規(guī)模的升高，風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)的影響將逐步多樣化。山西電網(wǎng)，大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對(duì)交直流混聯(lián)送端電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響作用是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。