扎鲁特—青州特高压直流输电工程投运后东北电网的稳定特性及控制措施研究-第2页-北极星输配电网

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2 大容量电力汇集型直流投运后电网的稳定特性

2.1 交直流系统故障引起的暂态电压越限问题

扎鲁特换流站未规划相关配套电源且近区常规机组装机较少，换流站短路容量较低，换流站近区电压调控能力不足，直流功率扰动后易造成换流站及其近区母线暂态电压大幅度波动，给交直流设备安全带来较大压力。

通常，对设备耐压水平的校核按照设备额定运行电压的 1.3 pu 考虑，同时计及运行方式的多样化，按照故障后设备暂态压升不超 0.3 pu 进行校核。此外，根据东北电网实际运行情况，东北电网并网风电机组暂态压升不超过 0.1 pu。

较高的暂态电压水平严重影响换流站近区风电机组的正常运行甚至导致大规模风机脱网。研究表明，受端电网发生短路故障后，部分运行方式下系统电压支撑不足，易导致直流发生连续两次换相失败，机电暂态仿真软件中单次换相失败等效持续时间约为 200 ms，扎青直流满送 10000 MW 时发生连续两次换相失败故障后，换流站暂态压升最高达到 0.42 pu，如图 3—4 所示，超出交直流设备 1.3 pu的耐压极限，并触发近区风电机组脱网风险，只能采取预控直流功率的措施。表 2 所示为东北电网低谷负荷方式且电网风电同时率为 0.25 时，不同直流功率水平下发生连续两次换相失败故障后换流母线暂态压升情况以及所造成的风机脱网量。从图5 可以看出低谷负荷方式下东北电网风电脱网3000 MW 时，东北电网频率最低跌落至约 49 Hz;而通过降低初始直流功率运行水平可缓解直流功率扰动后的电压波动影响，并减少电网风机脱网量。

此外，通过研究发现扎青直流闭锁故障后由于也存在直流功率瞬时性突变，扎鲁特换流母线及换流站近区交流母线电压在直流闭锁瞬间也会出现较大的暂态电压波动情况。同时，换流站近区交流系统故障清除后，同样会引起暂态电压波动，但波动幅度均不及直流系统故障严重。表 3 所示为不同交直流系统严重故障下，换流站近区的暂态电压波动情况对比。

2.2 直流闭锁后潮流回退引发的稳态电压越限和电网频率的大幅波动问题

扎青直流需从全网组织电力汇集，且直流输送功率占比较大，最大约占东北全网负荷水平的30%，大容量电力远距离传输给电网电压调控带来巨大压力。如图 6 所示，当扎青直流发生双极闭锁故障后，延迟 300 ms 切除直流全部滤波器，以换流站为中心向外辐射的交流网架潮流大规模回退造成汇集通道沿途母线稳态电压升幅度超过 20 kV 的限幅，威胁设备安全和电网的正常运行;此外，对于高比例直流外送电网来说频率问题也是专家和学者共同关注的问题[7-15]，而扎青直流双极闭锁故障后，相当于全网负荷水平 30%的巨大盈余功率窝聚在整个东北电网内而无处消散，一大部分能量转化为电网发电机转子动能，引起网内同步机组加速进而导致全网频率大幅增加，甚至超出机组超速保护动作定值 51.5 Hz，造成网内同步机组退出运行进而导致垮网事件的发生，如图 7 所示。