缓解弱送端电网特高压直流电压问题的控制措施研究

摘要：受我国能源资源与负荷中心呈现出逆向分布的自然禀赋制约，“风火打捆”特高压直流远距离大容量输电已成为西北电网外送电力的主要途径。为提高“风火打捆”特高压直流输送新能源能力，减少弃风，除强化送端电网主网架结构外，亟需协调提高源网控制能力。现首先阐述由于电压问题约束“风火打捆”特高压直流输送新能源能力的关键因素，在此基础上分析了投电抗和可控高抗、加装调相机以及提高源网设备涉网能力等措施的改善效果，提出了一种基于事件和响应的稳态过电压控制方法。最后，结合天中特高压直流进行了算例验证。

关键词：特高压直流;源网协调;稳态过电压;可控高抗;调相机

0    引言

西北是我国千万千瓦级风电、百万千瓦级光电新能源并网示范基地[1]，截至2016年末，风电装机4 378万kW，光伏3 036万kW，占总装机容量的比例分别达20%、14%，其中风电已成为网内仅次于火电的第二大电源，但限于本地消纳能力和电网调节适应能力，新能源受限问题仍很突出，导致被动弃风弃光。因此，优化跨区跨省交易机制、增强缓解新能源受电网安全稳定约束的电网运行控制能力成为亟待解决的困难和问题。高压直流输电以其输电距离远、输送容量大、适合大区域电网联网的独特优势成为实现我国能源大规模、大范围配置的有效输电方式[2-6]。大容量直流故障突然闭锁交流滤波器切除前将导致换流站过剩无功倒送交流系统，引起暂态电压大幅升高，对近区风电形成短时性冲击，可能导致大规模风电脱网[7-9]，而闭锁后大量的有功冲击将造成近区潮流轻载甚至反转，带来持续性的稳态过电压[10-11]，威胁设备安全。

本文结合天中典型“风火打捆”特高压直流及新疆哈密风电并网地区网架特点，着重从电网安全稳定方面，阐述了“风火打捆”特高压直流外送能力受限的因素，研究分析了包括投电抗器和可控高抗、加装调相机以及提高源网设备涉网能力等措施的改善效果，提出了一种基于事件和响应的稳态过电压控制方法，并进行了算例验证。

1    网架概况

天中直流是疆电外送第一条特高压直流输电工程，也是我国第一个“风火打捆”直流送出工程，额定输送能力800万kW，共布置16组交流滤波器，总无功补偿容量3 575 Mvar，近区750 kV电网结构如图1所示，目前，配套电源8台机组，750 kV主网通过4台联变向直流供电，提高联变下网能力有助于提高哈密和烟墩地区风电接纳能力。

2    影响天中直流接纳主网电力的因素

2.1    暂态过电压问题

天中直流闭锁、换相失败及再启动大扰动下暂态过程中有功大幅下降，在不切除滤波器前大量的无功冲击将导致近区风电机端电压大幅升高，受风机耐高压能力影响，易导致大规模风机脱网，从而造成系统低频等联锁反应，成为约束天中直流能力的关键问题之一，其中换相失败故障导致的风机机端压升最高，如图2所示，成为该问题的关键约束故障，且直流功率越大，故障后风机暂态压升越明显，如表1所示。

2.2    稳态过电压问题

目前，天中直流送端天山换流站500 kV母线电压稳态最高电压不高于550 kV。考虑天中直流双极闭锁故障，安控装置将切除近区大量机组，导致近区潮流轻载，电压升高，易导致稳态过电压问题，如图3所示。且随着联变下网功率增加，故障后天山换500 kV母线压升也在增加，如表2所示，该问题已成为制约联变下网能力的关键问题。

3    源网措施及效果评估

鉴于以上故障后的两方面问题，可分别从预防和紧急控制两方面进行考虑。针对直流故障后的风机暂态过电压，为保证尽可能高的直流外送能力，根本有效的措施是提高风机耐高电压穿越能力。而针对直流闭锁故障后的稳态过电压问题，为保证尽可能多地送哈密和烟墩地区清洁能源，提高联变下网能力，可选择采取事故后投电抗、投可控高抗及事故前加装调相机等措施。

表3为以上措施抑制天中直流闭锁故障后稳态过电压的效果。

通过事故前预留感性无功补偿，事故后快速投入的方法，可以有效缓解事故后的稳态过电压问题。不同措施及其安装地点对事故后稳态过电压的抑制效果不同，需通過量化评估确定如何更加有效地进行措施预留。

工程上常用以下公式评价同一母线上的无功补偿对电压变化的影响：

式中，ΔQ为投入的无功补偿的容量;S为投入点的短路容量;ΔU为对应的电压变化相对值。

为评估不同电压等级、不同变电站无功补偿容量投入对天山站电压变化的影响，需对公式（1）进行改进，引入灵敏度系数K进行评价，K通过不同接入点、不同变电站至所控制母线的电气距离确定。

式中，ΔQi为i点投入的无功补偿的容量;S为受控制点的短路容量;Ki为通过无功补偿投入点对电压受控制点的电气距离折算出的灵敏度系数;ΔUi为受控制点的电压变化相对值。

上述公式可用于工程上快速评估分析，得出表3在不同地点预留同样的感性无功容量对稳态过电压控制的效果排序，且与仿真计算的结论基本一致。

4    基于事件和响应的过电压控制方法

考虑到电网网架结构、直流配套电源开机、近区断面潮流、事故前运行电压等因素均会影响事故后电压变化情况和稳态过电压控制时间上充裕性，可通过事件叠加事故后电压响应作为控制投切低抗、可控高抗等判据进行措施的分轮次投入，直至消除事故后的过电压，不致控制措施误动。图4为本方法的控制流程图。

5    算例

本文以某典型方式下天中直流为例进行分析，天中直流输电功率650万kW，联变下网440万kW，配套8台机组，分别为花园电厂4台机组、绿洲电厂2台机组、南湖电厂2台机组，分别出力26.4万kW，模拟控制措施包括投天山换低抗两组，共计240 Mvar、天山换500 kV投可控高抗320 Mvar，事故后控制目标电压545 kV。通过灵敏度分析，分别投120 Mvar低抗和可控高抗可知，后者的过电压抑制效果更好一些，如图5所示。

通过仿真分析可知，事故后投入可控高抗和两组天山换低抗可将天山换525 kV母线电压控制在目标值以下，如图6所示。

6    结语

随着我国送端电网越来越多特高压直流的建设和风光清洁能源的并网，电网运行特性更加复杂，限制直流能力的因素更多，需统筹协调更多的电网可控资源，提高电网运行调控能力，促进清洁能源的长距离、远距离消纳。

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收稿日期：2019-12-17

作者简介：霍超（1982—），男，河北广宗人，高级工程师，研究方向：电力系统稳定运行与控制。