青海第二條直流接入系統(tǒng)方案及安全穩(wěn)定特性研究

李積泰，省天驕，田 旭，劉 飛，王世斌，張桂紅

(國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 青海 西寧 810008)

0 引言

近年來，隨著人類社會的高速發(fā)展，一次能源可用量已經(jīng)有些捉襟見肘，一次能源消費所產(chǎn)生的碳排放還對地球生態(tài)環(huán)境造成了較大的危害，因此，各國都開始響應(yīng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的號召，我國也一直走在能源轉(zhuǎn)型的第一梯隊〔1,2〕。

青海省是我國新能源資源最豐富的地區(qū)，具有良好的發(fā)展條件以及廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)習(xí)近平總書記視察青海時提出堅持生態(tài)保護(hù)優(yōu)先的“綠色發(fā)展”理念，青海省政府確立了“生態(tài)立省”的發(fā)展方針，省內(nèi)新能源即將井噴式發(fā)展，但是青海省內(nèi)負(fù)荷增長速度過慢，亟需開展青海第二條特高壓直流外送方案研究工作，推動青海第二條特高壓直流前期工作〔3〕。

1 青海電網(wǎng)現(xiàn)狀及特性分析

1.1 青海電網(wǎng)現(xiàn)狀

青海電網(wǎng)位于陜寧甘青電網(wǎng)的西部，是西北主網(wǎng)重要組成部分。目前電網(wǎng)已覆蓋西寧市、海東市以及海南、海北、黃南、海西四個州和果洛、玉樹州大部，西寧及海東是電網(wǎng)的核心地區(qū)，主網(wǎng)最高電壓等級為750 kV。截至2020年底，通過6回750 kV交流線路與西北主網(wǎng)相連，通過1回±400 kV直流線路與西藏電網(wǎng)相連、1回±800 kV直流線路與河南電網(wǎng)相連。省內(nèi)750 kV形成拉西瓦—西寧—官亭三角環(huán)網(wǎng)、塔拉—日月山—西寧—青南雙環(huán)網(wǎng)和海西—日月山—塔拉雙環(huán)網(wǎng)，海西西部通過海西—柴達(dá)木雙回750 kV線路向西延伸至魚卡。通過6回750 kV聯(lián)絡(luò)線與甘肅電網(wǎng)相連，分別為官亭—蘭州東雙回、郭隆—武勝雙回以及魚卡—沙洲雙回。330 kV東部電網(wǎng)以雙環(huán)網(wǎng)為主，中西部以單環(huán)網(wǎng)和輻射為主，省內(nèi)電網(wǎng)整體呈現(xiàn)“東密西疏”的特點。

截至2020年底，青海電網(wǎng)總裝機(jī)容量為4 029萬kW，其中，水電裝機(jī)1 192萬kW，占總裝機(jī)容量的29.6 %，火電裝機(jī)393萬kW，占總裝機(jī)容量的9.75 %，風(fēng)電裝機(jī)843萬kW，占總裝機(jī)容量的20.92 %，太陽能裝機(jī)1 601萬kW，占總裝機(jī)容量的39.74 %。

1.2 青海電網(wǎng)特性分析

隨著青海電網(wǎng)光伏能源基地建設(shè)及風(fēng)電的迅速發(fā)展，青海電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了重要變化，原本占主導(dǎo)地位的是水電、火電等常規(guī)電源，現(xiàn)在已變?yōu)榭偭砍^50 %的光伏和風(fēng)電等新能源電源；另外，隨著海南特高壓直流的建成，青海電網(wǎng)將由原有的交流通道受入電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻恢绷魍馑碗娋W(wǎng)，青海電網(wǎng)特性將發(fā)生重大變化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：電源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，電網(wǎng)調(diào)頻能力下降；常規(guī)電源開機(jī)受限，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題突出；新能源出力隨機(jī)性放大，電網(wǎng)調(diào)峰壓力增大；交直流送端電網(wǎng)建成，威脅電網(wǎng)穩(wěn)定因素增加。風(fēng)光基地和直流建設(shè)使得青海電網(wǎng)電力電子化特征凸顯，電網(wǎng)穩(wěn)定形態(tài)更加復(fù)雜，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行與控制規(guī)律面臨全新挑戰(zhàn)〔4,5〕。

2 青海第二條直流接入系統(tǒng)方案及分析

海西地區(qū)新能源資源稟賦及土地開發(fā)條件優(yōu)于海南地區(qū)〔6〕，同時，青豫直流已落點海南地區(qū)，配套新能源以海南地區(qū)為主，青海第二條直流落點于海西地區(qū)，可兼顧匯集外送海南地區(qū)新能源，符合海南海西地區(qū)共同協(xié)調(diào)發(fā)展的原則，所以本文將青海第二條特高壓直流落點海西地區(qū)，以下簡稱海西直流。

2.1 接入系統(tǒng)方案

設(shè)想方案一：海西直流落點烏圖美仁，為滿足新能源匯集需求，建設(shè)丁字口、烏圖、大灶火750 kV輸變電工程；為增強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建設(shè)大灶火—大格勒—切吉雙回750 kV線路工程。方案接線示意圖如圖1所示。

圖1 方案一接線示意圖

設(shè)想方案二：海西直流落點大格勒，為滿足新能源匯集需求，建設(shè)丁字口、烏圖、大灶火750 kV輸變電工程；為提高柴達(dá)木西部地區(qū)新能源送出能力，建設(shè)魚卡—托素雙回750 kV線路工程；為增強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建設(shè)大灶火—大格勒—切吉—紅旗雙回750 kV線路工程。方案接線示意圖如圖2所示。

圖2 方案二接線示意圖

設(shè)想方案三：海西直流落點魚卡，為滿足新能源匯集需求，建設(shè)丁字口、烏圖、大灶火750 kV輸變電工程；為提高柴達(dá)木西部地區(qū)新能源送出能力，建設(shè)魚卡—托素雙回750 kV線路工程；為提高柴達(dá)木西部地區(qū)新能源送出能力，建設(shè)魚卡—托素雙回750 kV線路工程。方案接線示意圖如圖3所示。

圖3 方案三接線示意圖

2.2 設(shè)想方案電氣計算分析

2.2.1 電氣計算邊界條件：

(1)海西直流按±800 kV，最大輸送功率800萬kW考慮。

(2)本次計算考慮所有新能源電站裝設(shè)25 %的動態(tài)無功補償設(shè)備。330 kV新能源匯集站僅考慮加裝靜態(tài)無功補償設(shè)備。

(3)本次計算海南特高壓直流換流站加裝4臺300 Mvar調(diào)相機(jī)。

2.2.2 方式選擇

本次計算考慮冬大(冬季晚21點)及冬13(冬季中午13點)兩個方式。典型運行方式下負(fù)荷和出力情況見表1。

表1 青海電網(wǎng)典型運行方式下負(fù)荷和出力情況 (萬kW)

2.2.3 短路比計算

本章采用以下計算條件開展短路比計算：

(1)基于潮流計算結(jié)果；

(2)考慮靜態(tài)負(fù)荷(采用等值阻抗模型)；

(3)考慮馬達(dá)負(fù)荷(如忽略則視同靜態(tài))；

(4)正序考慮并聯(lián)無功補償(零序一律考慮)；

(5)正序考慮線路充電功率；

(6)考慮線路和變壓器的電阻；

(7)故障期間串補全部旁路。

經(jīng)計算校核，以上三種方案下，系統(tǒng)均屬于弱交流系統(tǒng)。方案三(落點魚卡)有效短路比最高，方案二(落點烏圖)有效短路比最低。

海西直流750 kV換流母線側(cè)在三種落點方案下有效短路比(ESCR)計算結(jié)果見表2。

表2 各方案下海西直流750 kV換流母線側(cè)ESCR

2.2.4 潮流計算

本節(jié)對海西直流落點的三個方案下青海電網(wǎng)的潮流分布情況進(jìn)行了計算分析，三個方案潮流均合理，無過載問題。

2.2.5 穩(wěn)定計算

(1)落點方案一：

青海電網(wǎng)冬季13點方式下，落點方案一海西直流雙極閉鎖故障時，電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定；海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后，存在過電壓問題，暫態(tài)最高電壓1.48 p.u.，直流近區(qū)光伏全部脫網(wǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，增加調(diào)相機(jī)至22臺的極端情況下，海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后750 kV母線的暫態(tài)電壓最高值在1.35 p.u.，仍然存在過電壓問題。

(2)落點方案二：

青海電網(wǎng)冬季13點方式下，落點方案二海西直流雙極閉鎖故障時，電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定；海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后，存在過電壓問題，暫態(tài)最高電壓1.47 p.u.，直流近區(qū)光伏全部脫網(wǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，增加調(diào)相機(jī)至20臺的極端情況下，海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后750 kV母線的暫態(tài)電壓最高值在1.35 p.u.，仍然存在過電壓問題。

(3)落點方案三：

青海電網(wǎng)冬季13點方式下，落點方案三海西直流雙極閉鎖故障時，電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定；海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后，存在過電壓問題，暫態(tài)最高電壓1.4 p.u.，直流近區(qū)光伏全部脫網(wǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，增加調(diào)相機(jī)至15臺的情況下，海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后750 kV母線的暫態(tài)電壓最高值可以控制在1.2 p.u.。

就穩(wěn)定計算結(jié)果而言，解決故障后的暫態(tài)過電壓問題，方案三所需的措施是三個落點方案中代價最小的方案。

經(jīng)綜合比較，方案三(落點魚卡)安全穩(wěn)定水平最高，方案二(落點大格勒)次之，方案一(落點烏圖)最差，故海西直流落點方案推薦方案三(落點魚卡)。

3 海西直流外送安全穩(wěn)定性研究

海西特高壓直流輸電工程是青海電網(wǎng)第二條外送特高壓直流輸電工程，其配套電源近80 %為新能源，相較于海南直流，配套電源新能源占比更高，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更薄弱，對電網(wǎng)穩(wěn)定性提出了更高要求〔7,8〕。本章首先分析在典型方式下，新能源大發(fā)且常規(guī)機(jī)組開機(jī)較小方式下分析青海電網(wǎng)存在的安全穩(wěn)定問題，并對此存在的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題提出解決方案。

3.1 安全穩(wěn)定計算結(jié)果

在冬13方式下，拉西瓦、龍羊峽、李家峽、瑪爾擋、班多、羊曲各開一臺機(jī)，神華火電兩臺機(jī)組全開，燃?xì)鈾C(jī)組不開機(jī)。

青海電網(wǎng)在海西直流發(fā)生3次換相失敗故障后，海西直流近區(qū)750 kV變電站高壓母線暫態(tài)過電壓變化如圖4所示，最高達(dá)到1.4 p.u.；新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓變化如圖5所示，最高達(dá)到1.6 p.u.。

圖4 直流近區(qū)750 kV母線暫態(tài)過電壓變化曲線

圖5 直流近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓變化曲線

3.2 青海電網(wǎng)運行方式優(yōu)化研究

為保證青海電網(wǎng)及直流安全穩(wěn)定運行，針對青海電網(wǎng)在典型運行方式下，海西直流近區(qū)系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓問題，采取以下解決方案〔9〕：

(1) 增開燃?xì)鈾C(jī)組；

(2) 增加分布式調(diào)相機(jī)。

3.2.1 增開燃?xì)鈾C(jī)組對電壓穩(wěn)定性影響

通過安全穩(wěn)定分析，需增開燃?xì)鈾C(jī)組360萬kW，分別在魚卡地區(qū)增開90萬kW燃?xì)鈾C(jī)組、大灶火地區(qū)增開150萬kW燃?xì)鈾C(jī)組、烏圖地區(qū)增開120萬kW燃?xì)鈾C(jī)組，全部以330 kV電壓等級接入750 kV變電站，發(fā)生海西直流3次換相失敗及750 kV線路三永N-1故障后，系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓變化如圖6、7所示，均降至1.3 p.u.以下。

圖6 增開燃?xì)鈾C(jī)組后直流近區(qū)750 kV母線暫態(tài)過電壓變化曲線

圖7 增開燃?xì)鈾C(jī)組后直流近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓變化曲線

3.2.2 燃?xì)鈾C(jī)組布局敏感性方案分析

若考慮燃?xì)鈾C(jī)組全部以750 kV電壓接入海西直流近區(qū)750 kV變電站，通過安全穩(wěn)定分析，為抑制系統(tǒng)側(cè)暫態(tài)過電壓和新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓，需增開燃?xì)鈾C(jī)組480萬kW，此方案下系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓變化如圖8、圖9所示。

圖8 敏感性方案直流近區(qū)750 kV母線暫態(tài)過電壓變化曲線

圖9 敏感性方案直流近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓變化曲線

3.2.3 增加分布式調(diào)相機(jī)對電壓穩(wěn)定性影響

通過安全穩(wěn)定分析，需加裝分布式調(diào)相機(jī)20×50 Mvar，分別布置在大灶火地區(qū)12臺、烏圖地區(qū)8臺，以35 kV電壓等級接入330 kV匯集站，發(fā)生海西直流3次換相失敗及750 kV線路三永N-1故障后，系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓變化如圖10、11所示，降至1.3 p.u.以下。

表3 分布式調(diào)相機(jī)布置位置

圖10 增加分布式調(diào)相機(jī)后直流近區(qū)750 kV母線暫態(tài)過電壓變化曲線

圖11 增加分布式調(diào)相機(jī)后直流近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過電壓變化曲線

3.3 小結(jié)

增開燃?xì)鈾C(jī)組和增加分布式調(diào)相機(jī)，均可解決發(fā)生海西直流3次換相失敗及750 kV線路三永N-1故障后，系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓問題；燃?xì)鈾C(jī)組以330 kV接入變電站比以750 kV接入變電站更能有效解決發(fā)生海西直流3次換相失敗及750 kV線路三永N-1故障后系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓問題。

4 總結(jié)

4.1從電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平層面，直流落點魚卡安全穩(wěn)定水平最高，且能滿足海西地區(qū)新能源就近匯集，兼顧海南地區(qū)部分新能源外送，因此，推薦海西直流接入系統(tǒng)方案落點魚卡地區(qū)。

4.2從新增常規(guī)電源方面，為保障海西直流安全穩(wěn)定運行，需配套360萬kW燃?xì)鈾C(jī)組，全部位于海西地區(qū)，分別布置在魚卡地區(qū)開90萬kW、大灶火地區(qū)150萬kW、烏圖地區(qū)120萬kW，全部以330 kW電壓等級接入750 kV變電站。

4.3從加裝分布式調(diào)相機(jī)方面，為保障海西直流安全穩(wěn)定運行，須加裝分布式調(diào)相機(jī)20×50 Mvar，分別布置在大灶火地區(qū)12臺、烏圖地區(qū)8臺，以35 kV電壓等級接入330 kV匯集站。