0 引言

内蒙古电网西起阿拉善盟额济纳变电站，东至锡林郭勒盟九连变电站^[1]，是一个主体部分沿黄河流域分布的典型长距离链式外送电网^[2-4]。内蒙古电网的稳定问题主要为动态稳定问题^[5]，一直以来，影响内蒙古电网与华北主网区域互联动态稳定性的重要模态主要是“蒙西对山东”的弱阻尼振荡模式^{[2, 6]}。随着华北电网网架结构的不断加强，尤其是网内特高压线路的不断建成和配套电源的建设，为华北电网蒙西—北岳—北京西、榆横—洪善—石家庄“两横”特高压工程落地^[7]提供了条件，因此华北电网发展规划中提出了“两横”特高压工程落地且山西电网九回外送线路断开，即山西电网解环的运行方案，这一网架变化必然会影响华北电网尤其是内蒙古电网的动态稳定特性。

近年来，关于内蒙古电网动态稳定特性的研究大多是基于小扰动的稳定分析方法，采用中国电力科学研究院开发的小扰动稳定计算分析程序PSD-SSAP进行分析计算。主要研究内容包括影响内蒙古电网动态稳定性的因素以及提高内蒙古电网动态稳定性的措施^{[3-4, 8, 9]}。本文基于中国电力科学研究院下发的2020年三华电网2—3 a滚动研究计算数据，分别采用大扰动和小扰动稳定分析方法对“两横”特高压工程落地前后的内蒙古电网动态稳定问题进行计算和分析。通过对华北电网不同运行方式以及重要通道故障情况下的稳定分析计算，分析网架变化对内蒙古电网动态稳定性的影响，并结合内蒙古电网“十三五”发展规划，提出解决系统低频振荡的措施。

1 2020年相关网架变化概况 1.1 “两横”特高压交流工程简介

“两横”特高压交流工程，即华北电网蒙西—北岳—北京西、榆横—洪善—石家庄“两横”特高压交流工程将分别在北岳站与洪善站落点山西500 kV电网，同时山西电网外送华北的9回500 kV线路（大房3回、神保2回、阳桂2回、潞辛2回）与山西主网断开^[7-8]，晋北、晋中特高压站接入山西500 kV电网，在运4个500 kV网对网通道9回线路调整为电厂点对网外送。调整前，山西电网通过4个500 kV网对网通道送电京津冀，“两横”仅汇集直接接入电源外送；调整后，山西电网接入“两横”特高压线路，4个网对网通道调整为电厂点对网外送。“两横”特高压工程落地方案示意图如图 1所示。

1.2 内蒙古电网网架简介

根据内蒙古电网“十三五”发展规划，2020年内蒙古电网现有的“三横四纵”网架结构将进一步加强，远距离输电容量持续增加。虽然500 kV电网主网得到了加强，但一直未新增“西电东送”外送通道。随着电网内部断面输送容量逐步增大，外送通道的动态稳定问题将日益严峻，成为制约电网发展的瓶颈^[9-10]。

2 内蒙古电网500 kV系统动态稳定特性分析

电力系统动态稳定计算分为小扰动动态稳定计算和大扰动动态稳定计算。前者多采用基于电力系统线性化模型的特征值分析方法；后者采用基于数值积分的时域仿真方法^[10]。根据DL/T 1234— 2013《电力系统安全稳定计算技术规范》^[11]中小扰动动态稳定性运行标准规定，系统阻尼比应满足：在正常运行方式下，区域振荡模式以及与主要大电厂、大机组强相关的振荡模式的阻尼比宜达到0.03以上；故障后的特殊运行方式下，阻尼比至少达到0.01~0.02。大扰动动态稳定性的运行标准为大扰动后系统动态过程的阻尼比应不小于0.01。

对于影响内蒙古电网动态特性的负荷水平，山东电网送、受电方式，特高压联络线的潮流大小等因素^[12]，本文不再多加阐述，但均会考虑其影响，即设置在不同的边界条件下进行计算分析，得出大扰动和小扰动下电网的阻尼比，由此对比分析“两横”特高压工程落地和不落地情况下的阻尼比大小，从而判断电网动态水平的变化。

2.1 大扰动动态稳定分析

采用中国电力科学研究院开发的PSD-BPA软件中的暂态稳定程序Prony分析功能进行大扰动动态稳定分析计算^[13-18]。将故障过程开始时间设置为0 s，1000 kV特高压联络线长南荆一回线晋长治侧发生三相短路故障，故障持续时间0.1 s同时断开长南荆一回线的晋长治与豫长南侧开关，故障切除。表 1为不同断面方式下（其中蒙西外送断面4900 MW，呼丰断面6650 MW，呼包断面4350 MW），负荷水平在平峰状态下，内蒙古电网500 kV系统大扰动的时域仿真计算结果，为对比分析华北网架结构变化对动态稳定性的影响，网架结构作为唯一变量，因此表 1中方式1与方式5比较，方式2与方式6比较，以此类推。图 2、图 3分别为方式4和方式8下长南荆一回线晋长治侧故障对应的部分500 kV线路有功功率曲线。

由表 1计算结果可以得出，华北电网“两横”特高压工程落地后内蒙古电网大扰动动态稳定性相对有所减弱，系统阻尼比降低，且除方式6外，其他方式下阻尼比均小于0.01，不满足大扰动动态稳定性的运行标准。由图 2和图 3时域仿真曲线可以得出，同样大扰动条件下，方式4和方式8部分500 kV线路有功功率曲线存在明显区别，方式8中波形的收敛性明显不如方式4中波形收敛性，系统表现为动态失稳。

以上系统阻尼特性的时域仿真结果表明，华北电网“两横”特高压工程落地且山西电网解环运行后，当发生特高压联络线长南荆一回交流联络线故障时，电网大扰动动态稳定性有所降低，甚至会出现动态失稳情况。同时证明区域间振荡模式的阻尼大小与联络线输送潮流的大小和方向、各区域电网内的潮流和方向有关，通过适当降低山东电网输送功率或降低华北—华中特高压联络线长南荆一回线输送潮流，减轻其他联络线路的送电压力，可以提高内蒙古电网对山东电网振荡模式阻尼比，提高系统动态稳定性。

2.2 小扰动动态稳定分析

小扰动动态稳定分析采用PSD-SSAP小干扰稳定分析程序对内蒙古电网的动态稳定问题进行计算。表 2为不同方式下对内蒙古电网500 kV系统小扰动时域仿真结果（表 2中所列方式编号与表 1中方式编号一一对应）。经分析，影响内蒙古电网动态稳定特性的主要振荡模式仍是内蒙古对山东振荡模式，其频率约为0.35 Hz，阻尼比0.03~0.06，符合小扰动动态稳定性运行标准规定的正常模式下区域间振荡的阻尼比要求^[11]，该振荡模式决定了内蒙古500 kV系统的输送能力。图 4和图 5分别为方式4和方式8下内蒙古对山东振荡模式特征向量模态图。

由上述结果可以看出，在其余边界条件相同情况下，华北电网“两横”特高压落地且山西电网解环运行时，电网小扰动动态稳定性有所减弱，系统阻尼比降低，与表 1时域仿真结果一致。“两横”特高压工程落地后内蒙古电网的阻尼比较落地前下降了约0.3%（山东电网受电模式）和0.8%（山东电网外送模式）。

此外通过上述小干扰稳定分析计算，在其频域仿真结果中还可以看出，华北电网“两横”特高压工程落地且山西电网解环运行后，出现了“两横配套电源+山西—山东”的强阻尼振荡模式。表 3为新出现的振荡模式的振荡频率和阻尼比，图 6为方式8下“两横配套电源+山西—山东”机组振荡模式特征向量模态图。

由表 3可知，“两横配套电源+山西—山东”机组振荡模式频率为0.56 Hz，阻尼比为0.07~0.09，是1个强阻尼振荡模式。

3 动态稳定改善措施 3.1 建设异步联网工程

内蒙古电网“十三五”发展规划提出了建设内蒙古电网与华北主网异步联网工程，初步建设方案如图 7所示。在汗海—沽源和丰泉—万全通道分别建设1座含有整流设备及逆变设备的背靠背换流站，背靠背换流站在内蒙古电网侧破口接入外送通道，实现内蒙古电网与华北电网的异步互联^[9-10]。

内蒙古电网与华北主网接入异步联网工程后，进行小干扰稳定分析，计算结果如表 4所示。影响内蒙古电网与华北主网区域互联动态稳定性的“蒙西—山东”振荡模态消失，而之前因“两横”特高压工程落地且山西电网解环出现的“两横配套电源+山西—山东”的强阻尼振荡模式的阻尼比略有提高，与华北电网相关的几个振荡模态的阻尼比均未升高，这说明采取背靠背直流输电方式解决了困扰华北电网安全稳定运行的动态稳定问题，同时内蒙古电网的动态稳定水平也明显提升。

由以上分析可知，在内蒙古电网的外送断面采用背靠背直流输电技术可以彻底消除“蒙西—山东”振荡模式，此外建设异步联网工程可以利用已建成的线路，能有效隔断互联交流电网间的相互影响。

3.2 其他措施

除采用背靠背直流技术改善电网的动态性能外，还可以采取加装PSS装置、对机组PSS增益参数进行优化、加强网架结构等措施。与背靠背直流措施相比，加装PSS装置或对机组PSS增益参数进行优化相对容易实施，基本能够满足预期输电需要，且投资较低，是目前最基本、最常规的控制手段。但其主要适用于具备一定动态稳定裕度的输电网络，且在该系统动态稳定问题影响范围相对较小或导致电网输电容量降低幅度不大的情况下。加强网架结构，如加强内蒙古电网“西电东送”联络线可以降低线路负载、增强系统阻尼，若在影响电网动态稳定水平的关键制约断面加强网架结构，也可以从根本上解决系统的动态稳定问题。但相比于在内蒙古电网外送断面建设异步联网工程，加强外送交流通道需要新建线路，且不会彻底消除内蒙古电网和华北主网间的动态稳定问题。

4 结论

本文以2020年“两横”特高压工程落地且山西电网解环后的网架结构为基础，分别采用大扰动和小扰动稳定分析方法对网架变化前后的内蒙古电网动态稳定问题进行对比分析。同时分析了采用背靠背直流输电技术对华北电网动态稳定性的影响，主要得出以下结论。

（1）内蒙古电网的动态稳定问题是一种系统性结构问题，与内、外部电网结构和运行方式均有关。华北电网“两横”特高压工程落地且山西电网解环运行后内蒙古电网动态稳定特性有所减弱，阻尼比降低，通过小干扰仿真计算结果可得出“两横”特高压工程落地后内蒙古电网的阻尼比较落地前下降了约0.3%（山东电网受电模式）和0.8%（山东电网外送模式）。

（2）“两横”特高压工程落地且山西电网解环后，内蒙古电网与华北主网区域互联动态稳定性的重要模态仍主要是“蒙西—山东”的振荡模式，振荡频率约0.35 Hz，阻尼比0.03~0.06。

（3）“两横”特高压工程落地后，出现了“两横配套电源+山西—山东”这一新的强阻尼振荡模式，振荡频率约0.56 Hz，阻尼比0.07~0.09。

（4）内蒙古电网与华北主网建成异步联网工程后，很大程度上能够提高整个华北电网尤其是内蒙古电网的动态稳定性，彻底消除“蒙西—山东”振荡模式。相较于加装PSS装置、对机组PSS增益参数进行优化、加强网架结构等措施，在外送断面采用背靠背直流输电技术具有不需要新建直流线路，能有效隔断互联交流电网间相互影响的优点，可从根本上解决制约输电能力的动态稳定问题。对于由系统动态稳定问题导致电网输电容量大幅度降低、对电网发展及保障供电构成较大影响的情况，可考虑采取背靠背直流输电技术，虽然建设周期长、投资费用高，但是可从根本上解决制约输电能力的动态稳定问题。