浙江特高壓交直流混合電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

毛雪雁，孫黎瀅， 徐 政， 翁 華， 華 文

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014；2.浙江大學(xué)，杭州 310027）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力的需求量越來越大。浙江省地域面積小，一次能源缺乏，僅靠本省能源發(fā)電難以滿足電力需求。根據(jù)國家電網(wǎng)公司的規(guī)劃，從“十二五”開始，將陸續(xù)有大容量的電力通過特高壓直流輸電方式送達(dá)浙江，以保障浙江的電力需求。

特高壓直流輸電為遠(yuǎn)距離大容量輸電提供了很好的解決方案。但是大規(guī)模交直流混合輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)難點(diǎn)較多[1-4]，特別是1 000 kV特高壓交流輸電工程和±800 kV特高壓直流輸電工程同時(shí)處在一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)中運(yùn)行，除我國之外尚無先例。因此，對(duì)浙江電網(wǎng)交直流混合系統(tǒng)進(jìn)行具體分析，深入研究交直流混合輸電系統(tǒng)中直流與交流的相互影響，掌握交直流混合輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行規(guī)律，對(duì)于保證浙江電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 研究方法及內(nèi)容

在電磁暫態(tài)環(huán)境下，可以精確模擬換流器及其控制系統(tǒng)，但難以對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)進(jìn)行模擬。本文的研究重點(diǎn)是交直流系統(tǒng)分別故障后彼此之間的互相影響以及特高壓系統(tǒng)與超高壓系統(tǒng)之間穩(wěn)定性的互相影響，因此，選擇國內(nèi)較為常用的機(jī)電暫態(tài)仿真程序PSS/E和BPA程序作為研究工具。在研究中所使用的直流輸電模型為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型[5]。

基于全國特高壓交直流混合互聯(lián)的規(guī)劃電網(wǎng)，采用PSS/E和BPA對(duì)浙江5種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和2個(gè)水平年進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，評(píng)估不同直流落點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。具體研究?jī)?nèi)容如下：

（1）針對(duì)典型運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)浙江電網(wǎng)1 000 kV網(wǎng)架和500 kV主干網(wǎng)架N-1故障時(shí)進(jìn)行暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)頻率穩(wěn)定、暫態(tài)電壓穩(wěn)定作掃描分析，著重研究浙江電網(wǎng)單一故障時(shí)直流輸電系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

（2）重點(diǎn)考察嚴(yán)重故障情況下浙江電網(wǎng)的承受能力，包括暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)頻率穩(wěn)定。

（3）分析直流輸電線路單極閉鎖和雙極閉鎖時(shí)浙江電網(wǎng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)電壓穩(wěn)定和頻率響應(yīng)特性。

2 所研究電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2007年以來，國家電網(wǎng)公司對(duì)特高壓交直流工程進(jìn)行了滾動(dòng)規(guī)劃和調(diào)整。根據(jù)國家電網(wǎng)公司的特高壓電網(wǎng)規(guī)劃及有關(guān)文件，對(duì)浙江電網(wǎng)作為特高壓?jiǎn)沃绷鬏旊婐伻胂到y(tǒng)和多饋入直流輸電系統(tǒng)（MIDC）兩類方式進(jìn)行了深入研究，而后者的穩(wěn)定問題比較復(fù)雜[6-8]。一方面，交流系統(tǒng)發(fā)生故障有可能引起多個(gè)直流系統(tǒng)的換流站同時(shí)換相失敗，而換相失敗的沖擊可能會(huì)進(jìn)一步引起交流系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)；另一方面，隨著直流輸電規(guī)模的擴(kuò)大，有可能會(huì)導(dǎo)致當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)交流系統(tǒng)無法彌補(bǔ)大功率缺額，從而使系統(tǒng)失穩(wěn)。

為發(fā)現(xiàn)浙江電網(wǎng)單直流落點(diǎn)（單饋入）和雙直流落點(diǎn)（多饋入）兩種情況的共性和特性問題，研究提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平的可行方案，根據(jù)浙江電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃設(shè)計(jì)報(bào)告和“十二五”發(fā)展規(guī)劃，采用以下5種模式進(jìn)行研究：

（1）2015年的浙江電網(wǎng)，特高壓直流輸電為單饋入，特高壓交流變電站3座。

（2）2020年的浙江電網(wǎng)，特高壓直流輸電為單饋入，特高壓交流變電站3座，其中1座有電源接入。

（3）2015年的浙江電網(wǎng)，特高壓直流輸電為多饋入（2個(gè)直流輸電落點(diǎn)），特高壓交流系統(tǒng)同（1），超高壓電網(wǎng)較（1）略有調(diào)整。

（4）2020年的浙江電網(wǎng)，特高壓直流輸電為多饋入（2個(gè)直流輸電落點(diǎn)），特高壓交流同（2），超高壓電網(wǎng)較（2）略有調(diào)整。

（5）2015年的浙江電網(wǎng)，特高壓交直流系統(tǒng)同（3），超高壓電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模調(diào)整。

3 特高壓交直流混合電網(wǎng)（單饋入）穩(wěn)定性研究

當(dāng)浙江電網(wǎng)只有1個(gè)特高壓直流落點(diǎn)（±800 kV溪洛渡—武義）時(shí)，對(duì)2015年、2020年交直流混合電網(wǎng)穩(wěn)定性研究的結(jié)論如下：

（1）特高壓交流系統(tǒng)故障對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。不論是2015或2020水平年，浙江境內(nèi)特高壓交流輸電通道上，任一點(diǎn)發(fā)生三相故障后0.1 s內(nèi)切除故障線路，均不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，某些故障會(huì)造成直流系統(tǒng)換相失敗，但一旦交流系統(tǒng)故障切除，直流系統(tǒng)即可恢復(fù)。

（2）特高壓直流故障對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。浙江境內(nèi)特高壓直流系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖時(shí)，電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行；若直流系統(tǒng)發(fā)生雙極閉鎖，2015水平年需切除送端4 200 MW機(jī)組方能保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，2020水平年不需切機(jī)即可保持穩(wěn)定。

（3）超高壓系統(tǒng)故障對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。對(duì)浙江電網(wǎng)超高壓系統(tǒng)主干通道進(jìn)行穩(wěn)定分析，發(fā)現(xiàn)無論2015或2020水平年，系統(tǒng)穩(wěn)定的薄弱點(diǎn)為強(qiáng)蛟電廠—蒼巖輸電通道。在強(qiáng)蛟電廠6臺(tái)機(jī)組通過3回500 kV線路接至蒼巖變的情況下，強(qiáng)蛟電廠滿出力時(shí)，該通道上發(fā)生三相故障且0.1 s切除將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。除此之外，其他超高壓線路故障時(shí)，浙江電網(wǎng)均可保持穩(wěn)定。

4 特高壓交直流混合電網(wǎng)（多饋入）穩(wěn)定性研究

研究結(jié)果表明，與單饋入系統(tǒng)相比，增加了1個(gè)直流落點(diǎn)后，浙江電網(wǎng)的穩(wěn)定水平?jīng)]有發(fā)生大的變化，特高壓交流輸電、直流輸電和超高壓電網(wǎng)故障對(duì)穩(wěn)定的影響基本與前相同。

（1）交流系統(tǒng)故障對(duì)穩(wěn)定性的影響。浙江境內(nèi)特高壓電網(wǎng)和超高壓電網(wǎng)的許多交流母線發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致2條直流同時(shí)換相失敗，但交流系統(tǒng)故障切除后各條直流均能可靠恢復(fù)。

（2）直流系統(tǒng)故障對(duì)穩(wěn)定性的影響。溪洛渡—武義直流發(fā)生閉鎖時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性與單饋入系統(tǒng)相同。寧東—浙北直流閉鎖時(shí)，無論單極閉鎖還是雙極閉鎖，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定。

事實(shí)上，溪洛渡—武義直流和寧東—浙北直流是兩種不同的直流接入方式，前者是“嵌入”同一交流系統(tǒng)的直流輸電線路，送端還有三回交流送出線路，且兩端的換流站所連接的交流電網(wǎng)同步運(yùn)行；當(dāng)溪洛渡—武義直流雙極閉鎖時(shí)會(huì)導(dǎo)致功率大規(guī)模轉(zhuǎn)移，從而引起送端交流送出線路過載，整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn)。而后者連接在兩個(gè)異步交流電網(wǎng)之間，寧東直流雙極閉鎖時(shí)，其過剩功率由雙回750 kV線路送至西北電網(wǎng)消納，不會(huì)引起系統(tǒng)失穩(wěn)；即使西北電網(wǎng)失穩(wěn)，也不會(huì)擴(kuò)大到三華電網(wǎng)。

若溪洛渡—武義和寧東—浙北兩個(gè)直流系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生雙極閉鎖，浙江電網(wǎng)將失去14 400 MW左右的電力輸入，占2015年全省統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的24%～28%、2020年全省統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的17%～21%。這部分功率缺額主要由特高壓交流通道補(bǔ)充輸入，同時(shí)減少向省外輸出的電力。由于溪洛渡直流輸電的影響，2015水平年需大量切除送端機(jī)組才可保持系統(tǒng)穩(wěn)定，2020水平年則不需切機(jī)即可保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

5 系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和區(qū)域

為直觀、清晰地表達(dá)交流系統(tǒng)故障引起直流系統(tǒng)換相失敗的頻度、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和區(qū)域，可將各種方式下引起直流輸電換相失敗的交流變電站標(biāo)示于圖。以2015年為例，浙江電網(wǎng)特高壓交直流（多饋入）混合系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和區(qū)域分布如圖1所示?？梢?，寧波地區(qū)500 kV電網(wǎng)故障對(duì)直流的影響較小，很少導(dǎo)致直流換相失敗，而浙北、浙西電網(wǎng)故障引起直流換相失敗甚至2個(gè)直流系統(tǒng)同時(shí)換相失敗的情況較多。這是由于寧波電網(wǎng)與直流系統(tǒng)之間的電氣距離相對(duì)較大所致。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越緊密，交、直流系統(tǒng)彼此之間的影響也越大。因此，在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需從保持電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性出發(fā)，避免網(wǎng)架結(jié)構(gòu)過于緊密，從而既控制短路電流水平，也減少交直流系統(tǒng)耦合過大和事故時(shí)影響范圍擴(kuò)大的可能性。

圖1 浙江電網(wǎng)2015年特高壓交直流混合系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和區(qū)域分布圖

6 結(jié)論與建議

（1）溪洛渡—武義直流落點(diǎn)浙江后，初期需送端大量切機(jī)才能保持該直流雙極閉鎖時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。需配置系統(tǒng)穩(wěn)定裝置。

（2）強(qiáng)蛟電廠集中送出的方式使該廠成為系統(tǒng)穩(wěn)定的薄弱點(diǎn)。建議在電網(wǎng)規(guī)劃中繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

（3）對(duì)多個(gè)水平年和多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究表明，交流系統(tǒng)故障引起直流系統(tǒng)換相失敗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和區(qū)域分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，對(duì)于因故障引起不穩(wěn)定的局部電網(wǎng)應(yīng)研究系統(tǒng)改進(jìn)方案，對(duì)引起直流換相失敗多發(fā)、特別是2個(gè)直流系統(tǒng)同時(shí)換相失敗較多的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)注意避免。

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