特高压直流故障对近区风机脱网的影响分析

郝 捷，刘鹏飞，张 健

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001；2.国网山西介休供电公司，山西 介休 032000；3.国网山西阳泉供电公司，山西 阳泉 045000）

0 引言

近年来，随着雁淮特高压直流线路的投运，山西已形成特高压交直流混联的送端电网。而有着丰富风光资源的山西电网在直流近区配备了大规模的风电，实现了以风电、火电打捆经特高压直流跨区外送的送电方式[1-2]。由于直流故障会导致近区风机大规模脱网的风险，给山西电网的安全稳定运行带来隐患。因此，急需对风机脱网问题进行研究[3]。

1 雁淮直流近区风机现状

山西电网从北到南已形成覆盖全省的500 kV为主干的电力网络。按照220 kV供电分片划分，山西省电网分为大同、忻朔、中部、南部4大供电区域。雁淮直流接入忻朔电网的雁门关换流站，当前近区风机装机容量达到3 000 MW以上，约占全省风电装机总容量的30%。在近区存在大量风电机组的运行方式下，特高压交直流混联电网与风机的耦合特性逐渐增强[4]，直流故障会导致电网无功波动、风机脱网等问题，此类问题会威胁山西电网安全稳定运行[5-6]。本文利用中国电力科学研究院电力系统分析综合程序 PSASP（power system analysis software package）搭建山西电网实际仿真模型，仿真分析雁淮直流发生故障对近区风机的影响，雁淮直流近区网架结构如图1所示[7-8]。

2 风机暂态压升计算分析

直流系统发生故障而导致近区风机高压脱网的原因主要在于直流故障和风电同时率两个方面。

2.1 不同类型直流故障对风机暂态压升的影响

2019年，雁淮直流的最大送电能力约为6 000 MW，按雁淮直流送电功率6 000 MW、长南线南送5 800 MW、风机同时率40%方式，雁淮直流分别发生1次换相失败、连续3次换相失败、双极闭锁、双极2次再启动故障。以卧龙洞风电场为例，如表1所示（标幺值），在雁淮直流发生换相失败后，换流站近区风电暂态压升最大，且发生1次换相失败与发生连续3次换相失败的暂态压升相同。

图1 雁淮直流近区网架结构图（含风电）

表1 不同直流故障类型时卧龙洞风电暂态压升情况

对于直流系统而言，在发生连续换相失败故障期间，前期因为直流系统的电流以及整流侧触发角同时增加，导致直流需要从系统侧吸入大量的无功功率，而后期由于直流电流降为0但滤波器还盈余着大量无功，又使直流对系统释放出大量的无功功率，这就会引起近区风机暂态电压呈现出一种“先降低后升高”的特性，仿真波形如图2所示。

2.2 不同风电同时率对风机暂态压升的影响

按雁淮直流最大送电功率6 000 MW，明海湖近区风电同时率40%，雁淮直流发生连续3次换相失败，仿真结果如表2所示，结果表明，风机脱网量为377 MW。

按雁淮直流最大送电功率600 MW，明海湖近区风电同时率60%，雁淮直流发生连续3次换相失败，仿真结果如表3所示，结果表明，风机脱网量为567 MW。

图2 不同直流故障类型时卧龙洞风电机端电压曲线

表2 风机同时率40%风电脱网情况 MW

表3 风机同时率60%风电脱网情况 MW

按雁淮直流最大送电功率6 000 MW，明海湖近区风电同时率100%，雁淮直流发生连续3次换相失败，仿真结果如表4所示，结果表明，风机脱网量为1 329.5 MW。

表4 风机同时率100%风电脱网情况 MW

在风机机端电压降低期间，部分风机会进入低压穿越的过程，导致其有功出力大幅度降低，在其低压穿越的过程结束以后，风机有功出力的恢复过程比较缓慢，使风电场盈余了大量的无功功率。在风机机端电压处于上升阶段时期，风机与换流站的无功盈余会产生叠加作用，同时因为风机的无功补偿设备具有电压效应，就进一步提高了电压。因此，风机有功出力越大，压升越大。

2.3 风机脱网抑制措施

a）将雁淮直流近区风机的高压（标幺值）保护动作定值由当前的1.2更改为1.3，可以有效地避免风机由于高压保护误动作而导致的脱网。由于山西电网直流外送的特点对风机的耐高压特性有更高要求，因此在更改保护动作值以后，风机的耐高压能力会比之前更符合直流近区的区域特点。能够大幅度增强风机的高电压穿越能力，减小风电机组因为大幅度压升产生的脱网风险。

b）直流近区风机由于直流故障引起的暂态压升而导致脱网问题，可以配置合理的动态无功补偿装置，有效改善风机的电压水平，避免风机因为压升而导致的脱网问题，保障山西电网的安全运行。

3 结论

a）直流近区接入大规模风机之后会影响电网的电压特性。提升风机耐压能力并加装动态无功补偿装置，能够在直流系统发生故障引起电压波动时抑制风机大规模脱网，也可以在故障后对系统提供支撑，以此加速恢复电网电压，为山西电网的风险管控及稳定运行提供策略和指导。

b）仿真结果符合山西电网特点，但是故障设置还具有局限性。随着直流近区风机投产规模的升高，风机对系统的影响将逐步多样化。山西电网，大规模风机脱网对交直流混联送端电网稳定性产生的影响作用是需要进一步研究的问题。