长链式交直流混合电网振荡特性及优化措施研究

梁红胜，汤 凡，邹福强，吴 冲，王 媛，罗宣平

(1.国家电网有限公司特高压建设分公司，北京 100032；2.国家电网有限公司西南分部，四川 成都 610021；3.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610056)

0 引言

西电东送工程建设受制于地理位置和输电走廊等外部因素，可能采用长链式、交直流线路通过同一密集走廊等建设方案，形成长链式交直流混合的一种复杂电网。

截至2022 年底，随着±800 kV 白鹤滩左—江苏、±800 kV 白鹤滩右—浙江特高压直流工程投运，西南跨区直流增至9 回，总额定容量达46 200 MW，其中，西南—华东同送同受直流群增长至4 回，总容量达到29 600 MW。“十四五”期间，金上—湖北、哈密—渝北特高压直流将相继投运，西南电网通过“九横三纵”12 回跨区直流互联，西南电网大水电、大直流外送的送端电网特征更加突出。

西藏电网与四川电网之间经过长距离的500 kV 交流线路相连，四川电网已有多回外送直流，同时今年还有多条规划直流，整个西南电网已经呈现出长链式交直流混合电网态势，此种电网在极端故障下的振荡特性研究对于目前以及未来电网都具有参考意义。

本文介绍长链式交直流混合电网的基本特征，分析了典型的长链式交直流混合电网发生极端故障时关键断面的振荡特性，以及极端故障导致长链式交直流混合电网整体与主网解列后的电气量特征，提出基于失稳特征的第三道防线优化建议。

1 研究对象及仿真模型

1.1 研究现状

李晓珺[1]等研究了多通道受电断面解列装置的影响因素和配合关系，适用于受端电网或受电断面。胥威汀[2]等对区域互联电网故障后的解列措施进行了综述。丁剑[3]等针对典型的长距离输电型互联电网，分析了振荡中心分布的特点、影响因素和特征，提出了改进的失步解列控制措施。陈恩泽[4]等分析了振荡中心迁移的原因，提出了基于广域测量信息的自适应失步解列策略。宋洪磊[5]等利用广域测量系统(wide area measurement system，WAMS)提供的实时动态信息，构建了主动解列的控制策略。

杨浩[6]等为解列后孤岛频率电压联合紧急控制的研究提供了参考。吴麟琳[7]等提出了一种新的基于频率特征的失步解列判据，该判据可以区分同步振荡和失步振荡，识别振荡中心的位置，同时不受系统结构变化和运行方式变化的影响。任建锋[8]等对传统基于相位角原理的失步解列判据在特高压线路的应用进行了说明分析。张保会[9]等基于已有失步解列装置的判据原理，指出了传统解列存在的不适应性，总结了自适应失步解列需要重点研究的方向。

1.2 研究对象

考虑到电网尤其是大型互联电网失步振荡过程及失步后的异步运行状态复杂，难以应用数学解析方法，因此，采用时域仿真分析方法并结合具体问题的物理特性展开分析。研究对象为某电网，其电网网架如图1 所示，其中：电网A 是以水风光为主体的低转动惯量电力系统，电网B 是以大水电多直流通道为特征的电网，电网B 交流通道分为南、北2 个通道，分别接入了2 个特高压换流站。电网A 通过长距离链式通道接入B 电网，一起构成典型的长链式交直流混合电网。

1.3 仿真模型

研究工具采用中国电力科学研究院电力系统分析软件PSD-BPA 的电暂态仿真程序，其中主要元件模型类型选择如下：

1)发电机模型：本次计算机组均采用考虑次暂态过程的电势变化模型，计及调速系统和励磁系统的作用，同时考虑了机组的电力系统稳定器(power system stabilizer，PSS)。

2)负荷模型：电网A 负荷采用70%感应马达模型和30%静态负荷模型，其中，静态负荷模型为25%恒阻抗+65%恒电流+10%恒功率的综合负荷模型；电网B 采用“40%恒阻抗+60%恒功率”的综合负荷模型。所有负荷均计入频率因子，具体参数见表1 所列。

表1 电网稳定频率因子

3)光伏模型：在电力系统发生短路故障引起电压跌落时，变流器具有一定的无功调节能力，并且自并网点电压跌落时刻起，动态无功电流的响应时间不大于30 ms。

2 振荡特性分析

为了模拟电网振荡，考虑电网发生故障后，第二道防线稳定控制装置拒动。从拓扑结构来看，有3 个典型的输电断面，分别为长链式通道落点电网的第一级断面；长链式电网内部汇集大电源的第二级传输断面；长链式电网到主网的第三级联络断面。第一级断面汇集了链式通道和变电站b1、b2 的电力；第二级断面增加了电网B 内部机组出力。

2.1 第一级断面故障

长链式通道接入电网B，一部分电力通过h1 换流站外送，部分继续通过电网B 流向主网。h1 直流大外送方式下，断面1 功率大，但接续断面功率小；h1 直流小外送方式下，断面1 功率小，但接续断面功率大。

1)振荡中心落在故障断面上

丰水期大负荷(以下简称“丰大”)方式下，b2—h1 线路N-2 故障后，振荡中心位于b1—b3线路上。b1—b3 线路失步解列装置动作后，电网B 和主网能够恢复稳定；b1—b3 线路跳开后，电网A 带长链式通道成为孤网，孤网内大量有功和无功盈余，造成孤网频率电压失稳，需要在链式通道起点跳开通道联络线，电网A 孤网后执行孤网功率平衡控制措施。

2)振荡中心落在链式通道上

丰水期腰负荷(以下简称“丰腰”)方式下，b2—h1 线路N-2 故障后，振荡中心位于电网A至b1 的长链式通道上。通道上失步解列装置先后动作解列线路。失步解列装置动作后，电网B 和主网恢复稳定；电网A 成为孤网，同理执行孤网功率平衡控制措施。

3)振荡中心由故障断面转移至与主网的联络断面上

枯水期腰负荷(以下简称“枯腰”)方式下，b2—h1 线路N-2 故障后，振荡中心位于b1—b3线路上。b1—b3 线路失步解列装置动作后，电网A 形成孤网，执行孤网功率平衡控制措施；电网B 和主网仍不能恢复同步，振荡中心位于断面3。断面3 失步解列装置动作后，主网频率低周，触发主网大范围低频减载动作后，逐渐恢复稳定，电网B 形成孤网，无法恢复稳定。

2.2 第二级断面故障

b4—h2 线路N-2 故障后，存在近区机组功角失稳的问题，触发第三道防线动作，电网频率高周，具体动作情况如下：

1)故障后近区机组功角振荡，振荡中心位于断面3，断面3 失步解列装置动作，解列与主网联络线。

2)失步解列装置动作后电网A+电网B 存在孤网频率高周问题，主网存在频率低周问题，触发电网A+电网B 大范围高周切机，主网大范围低频减载，电网最终恢复稳定。

b4—h1 线路N-2 故障后，存在近区机组功角失稳的问题，电网频率高周，触发第三道防线动作。具体动作情况如下：

1)丰腰方式下，振荡中心位于断面1 上，断面1 失步解列装置动作后，电网A 至b1 的长链式通道随后也解列。电网A、电网B 存在孤网频率高周问题，主网存在频率低周问题，触发电网A、电网B 大范围高周切机，主网大范围低频减载，电网最终恢复稳定。

2)枯水期大负荷及丰腰方式下，振荡中心位于断面2 剩余线路上，失步解列装置动作后，电网A 至b1 的长链式通道随后也解列。电网A、电网B 存在孤网频率高周问题，主网存在频率低周问题，触发电网A、电网B 大范围高周切机，主网大范围低频减载，电网最终恢复稳定。

2.3 第三级断面故障

枯水期方式下，断面3 线路N-2 故障后，存在近区机组功角失稳的问题，电网频率高周，触发第三道防线动作。具体动作情况为：故障后振荡中心位于断面3 剩余线路上，失步解列装置动作后，电网A+电网B 存在高周问题，触发高周切机动作，电网可逐渐恢复稳定；主网侧损失电源后触发大范围低频切负荷，低频减载后主网恢复稳定。

2.4 振荡特性小结

在长链式交直流混合电网发生极端故障后，容易导致长链路前后两端电网失步，此时振荡中心线路失步解列装置动作，解列两端电网。由于直流送端电源多，当直流配套电源留存主网较多时，长链式送端电网在第一步解列后同时存在孤网频率问题以及内部电源之间相互振荡的问题。因此，传统的第三道防线措施只能解决第一层振荡问题，由措施本身带来的后续振荡问题无法解决。

3 振荡机理分析

电网A 通过长距离链式通道接入电网B，链式通道及电网B 内交直流故障均会导致电网A 和通道机组失稳。

失稳机理：两区域互联时，其联络线传输功率P的表达式为式(1)。

式中：P为联络线传输功率，MW；E1为首端电势，kV；E2为末端电势，kV；θ为E1、E2夹角；X∑为联络线等值阻抗，Ω。

当P取值为90°时，其传输功率最大，即为输电线路的静稳极限功率。

针对本次研究对象，两个电网之间电气距离大，即分母大；通道上欠缺电源支撑，θ位于180°附近。

总之，通道联络线静稳极限低，联络线的暂态和动态稳定能力也较差，在大扰动情况下会出现上述仿真中出现的机组功角问题或弱/负阻尼振荡问题。在第一层振荡问题解决后，由于存在大量送端直流配套电源留存主网，解列后仍然存在大功率电源长距离传输，从而引发后续的振荡问题。

4 优化措施

4.1 优化措施方案

现有第三道防线控制措施应对直流极端故障及部分交流线路极端故障时，可能导致电网A、电网B与主网解列，电网A+电网B形成孤网。孤网内存在长链式通道失步解列无序动作以及孤网频率高周峰值较大、持续时间较长等问题。

针对上述问题，拟按以下逻辑对长链式通道解列方案进行优化：

1)若孤网后，电网A 机组可与电网B 机组保持同步，且频率可快速恢复，则无需解列长链式通道。

2)若孤网后，电网A 机组可与电网B 机组保持同步，但频率高周的峰值较大、恢复时间较长，则建议采用过频解列装置解开长链式通道。

3)若孤网后，电网A 机组与电网B 机组失步振荡，优先失步解列长链式通道。

解列优化方案逻辑见图2。

图2 解列优化方案逻辑示意图

4.2 仿真验证

基于上述优化方案，对存在电网A+电网B 共同孤网情形的直流极端故障进行仿真验证，结果如图3～图5 所示。

图3 h1+h2两回直流换相失败闭锁故障优化前后效果对比图

1) h1+h2 两回直流换相失败闭锁故障

发生h1+h2 两回直流换相失败闭锁故障后，已有解列方案与优化解列方案效果对比如图3所示。

从图3 可以看出，h1+h2 两回直流换相失败闭锁故障后，电网A 机组可与电网B 机组保持同步，且频率高周的峰值较大、恢复时间较长，故障后2.5 s 满足过频解列判据，解列长链式通道，有效解决了电网A 的频率问题，保证了电网A 的稳定运行。

2) h1 直流+主网一回直流换相失败闭锁故障

从图4 可以看出，h1 直流+主网一回直流换相失败闭锁故障后，电网A 机组与电网B 机组失步，故障后10.5 s 满足失步解列判据，解列长链式通道，有效解决了电网A 和电网B 的频率问题，保证了电网A 和电网B 的稳定运行。

图4 h1直流+主网一回直流换相失败闭锁故障优化前后效果对比图

3)第三级断面交流线路N-2 故障

从图5 可以看出，第三级断面交流线路N-2 故障后，电网A+电网B 与主网失步，故障后12 s 满足失步解列判据，解列联络线路，有效解决了电网A 和电网B 的失步问题，保证了电网A 和电网B 的稳定运行。

图5 第三级断面交流线路N-2故障优化前后效果对比图

综上，本节提出的第三道防线优化解列方案能够有效提高电网极端故障后的孤网稳定性。

5 结语

本文结合目前电网“西电东送”发展形势，针对长链式交直流混合的复杂送端电网，研究其故障后的失步振荡特性，总结不同断面、不同故障形态下的振荡中心规律；并对长链式交直流混合电网呈现出的振荡特性进行了机理分析，针对目前第三道防线解列措施不适应的问题提出了优化解列方案。

对于长链式交直流混合的送端电网，长链式通道落点电网的第一级、第二级、第三级断面故障后，电网存在功角失稳问题，振荡中心位于相关断面上，失步解列动作后存在孤网问题，需结合孤网平衡情况制定控制措施。直流换相失败闭锁等极端故障后，已有第三道防线措施存在不适应性，可以根据故障后的功角、频率等特征，采取不同的解列措施，保证电网的稳定运行。