廣東電網(wǎng)遠景直流落點優(yōu)化研究

龍 志，楊 柳，姚文峰

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廣東電網(wǎng)遠景直流落點優(yōu)化研究

龍 志1，楊 柳2，姚文峰2

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510623；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

隨著廣東電力需求的快速增長和西電東送直流輸電規(guī)模的進一步擴大，廣東電網(wǎng)直流落點日趨密集，導(dǎo)致多回直流相互影響加劇、受端系統(tǒng)電壓支撐能力不足、系統(tǒng)穩(wěn)定性變差等一系列問題，對電網(wǎng)規(guī)劃和運行均提出新的挑戰(zhàn)。為從根本上解決上述一系列安全穩(wěn)定問題，引入基于CIGRE直流工作組的多饋入直流短路比(MISCR)概念。通過整體性、均衡性、干擾性以及綜合性4個指標(biāo)衡量多直流間相互影響，提出了一種兼顧多直流相互影響、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性影響的綜合比較方法，可量化比較各項評價指標(biāo)，具有操作性強的特點，能夠適應(yīng)多直流集中饋入廣東電網(wǎng)的直流落點優(yōu)化，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

廣東電網(wǎng)；直流落點優(yōu)化；多直流相互影響；穩(wěn)定性；經(jīng)濟性；綜合性

0 引言

隨著廣東電力需求的快速增長和西電東送直流輸電規(guī)模的進一步擴大，廣東電網(wǎng)直流落點日趨密集，在滿足電力供應(yīng)的同時隨之帶來一系列新問題，如多回直流相互影響加劇、受端系統(tǒng)電壓支撐能力不足、系統(tǒng)穩(wěn)定性變差等。因此，直流落點優(yōu)化是一個受多因素影響的復(fù)雜電力系統(tǒng)問題，從電力供應(yīng)角度，應(yīng)優(yōu)先落點電力缺口較大地區(qū)；從直流運行條件角度，應(yīng)考慮落點電源支撐能力較強地區(qū)；從多直流相互影響角度，應(yīng)拉開直流間電氣距離。上述關(guān)鍵影響因素間又有矛盾之處，比如電力缺口較大的地區(qū)往往電源支撐能力不足，導(dǎo)致直流運行條件較差；廣東電力缺口主要集中在面積較小的珠三角地區(qū)，多回直流集中送入又會加劇直流間相互影響；此外還存在控制短路電流與短路電流水平下降后直流運行條件變差之間的矛盾等等。因此，需要協(xié)調(diào)各方影響因素之間的矛盾，找到一個平衡點。

在只有一回直流輸電系統(tǒng)接入交流電網(wǎng)的分析中，短路比(SCR)/有效短路比(ESCR)作為評價交流系統(tǒng)相對強弱的重要量化指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和運行中交直流相互作用及其有關(guān)問題的分析。隨著受端電網(wǎng)直流饋入回路數(shù)的增加，多回直流輸電系統(tǒng)落點于同一交流電網(wǎng)、且多個逆變站之間電氣距離不能視為無窮大而必須計及相互間影響時，采用針對單饋入直流輸電條件下的量化分析指標(biāo)評估交流系統(tǒng)的相對強弱是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

國際大電網(wǎng)會議多饋入直流系統(tǒng)研究工作組(CIGRE WG B4-41 Systems with Multiple HVDC Infeed)總結(jié)大量前期研究成果，提出評估多饋入直流系統(tǒng)中鄰近逆變站相互作用特性以及交流系統(tǒng)相對強弱的量化指標(biāo)，包括多饋入相互作用因子(MIIF)和多饋入有效短路比(MIESCR)。然而，由于短路比是一個相對宏觀的結(jié)構(gòu)性指標(biāo)，很難與電網(wǎng)的具體動態(tài)行為和表征建立一一對應(yīng)的指示關(guān)系。因此，一直以來都缺少有效的研究來系統(tǒng)和客觀地評價短路比指標(biāo)及其改進是否恰當(dāng)，以及如何有效地運用這些指標(biāo)具體指導(dǎo)和定量評價受端電網(wǎng)的規(guī)劃和運行狀態(tài)。

本文基于多饋入直流短路比(MISCR)提出整體性、均衡性、干擾性以及綜合性4個指標(biāo)定量評估多直流間相互影響，并進一步研究提出了一種兼顧多直流相互影響、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性影響的綜合比較方法，可量化比較各項評價指標(biāo)，具有較強操作性，能夠適應(yīng)多直流集中饋入廣東電網(wǎng)的直流落點優(yōu)化，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性[1–7]。

1 多直流集中饋入受端系統(tǒng)的直流落點優(yōu)化方法

首先基于電力平衡篩選出直流落點的候選片區(qū)，然后電網(wǎng)規(guī)劃人員根據(jù)經(jīng)驗在直流落點的候選片區(qū)制定有限數(shù)量的直流落點方案，再從多直流相互影響、安全穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性等方面進行綜合分析，選取技術(shù)經(jīng)濟綜合最優(yōu)的直流落點方案。

對于多直流相互影響問題的研究，引入基于CIGRE直流工作組的多饋入短路比(MISCR) 、多饋入有效短路比(MIESCR)概念。

多饋入短路比(MISCR)是評估多回直流接入的交流系統(tǒng)對直流系統(tǒng)支撐能力的指標(biāo)。第回直流系統(tǒng)MISCR定義為

式中：MISCR為第回直流所對應(yīng)的多饋入短路比；eqii為等值阻抗矩陣中第回換流母線所對應(yīng)的自阻抗；eqij為等值阻抗矩陣中第回換流母線和第回換流母線之間的互阻抗；di為第回直流的額定功率，MW；dj為第回直流的額定功率，MW。

若在相應(yīng)直流換流母線上考慮并聯(lián)無功補償?shù)挠绊?，則可得到多饋入有效短路比(MIESCR)，第回直流系統(tǒng)MIESCR定義為

針對多饋入短路比(MISCR)提出整體性、均衡性、干擾性3個指標(biāo)衡量多直流饋入受端電網(wǎng)直流落點，并通過標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化得到綜合性評價指標(biāo)，MISCR指標(biāo)體系是體現(xiàn)電網(wǎng)分區(qū)聯(lián)絡(luò)方式、直流落點密集程度、當(dāng)?shù)仉娫粗蔚榷喾N因素的綜合指標(biāo)。

具體計算公式如下：

(1)MISCR的整體性指標(biāo)

反應(yīng)不同直流落點方案對交直流系統(tǒng)強弱的影響。其值越大，方案越具有優(yōu)越性。式中，對應(yīng)第個直流落點方案(下同)；M為第個方案對應(yīng)的第回直流的多饋入短路比數(shù)值。

(2) MISCR的均衡性指標(biāo)

反應(yīng)所有直流系統(tǒng)的MISCR相對整體性指標(biāo)的均衡性，避免因個別直流MISCR過低，導(dǎo)致整個受端支撐能力弱，防止“木桶效應(yīng)”初顯。其值越小，方案越具有優(yōu)越性。

(3) MISCR的干擾性指標(biāo)

反應(yīng)規(guī)劃新增直流對已有直流MISCR的影響，其值越小，表示規(guī)劃新增直流對已有直流的影響越小，方案越具有優(yōu)越性。式子，1(0),2(0),…,M(0)為已有回直流系統(tǒng)在電網(wǎng)中多饋入短路比的大小。

(4) 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于上述3項指標(biāo)單調(diào)方向不同，采用極差變化方法對指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

通過上述的標(biāo)準(zhǔn)化，4項指標(biāo)均同向單調(diào)，即經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值越大，則方案越好；且上述4項指標(biāo)數(shù)值在[0,1]區(qū)間內(nèi)，數(shù)量級一致，且均無量綱。式中，和分別取指標(biāo)矩陣中的最小值和最大值。

(5) MISCR的綜合性指標(biāo)

采用線性加權(quán)求和的方法提出綜合指標(biāo)，()指標(biāo)越大，則說明方案越具有優(yōu)越性。式中，=[1,2,3]為加權(quán)系數(shù)，滿足1+2+3=1的約束。

2 遠景直流落點方案擬定

根據(jù)南方電網(wǎng)中長期電力流，2016年~2030年規(guī)劃新增4條5 000 MW直流落點廣東電網(wǎng)，“十三五”期間新增2條直流，輸送云南、緬甸水電合計10 000 MW；2021~2030年間新增2條直流，輸送緬甸水電10 000 MW。

2.1 直流落點篩選

首先對廣東電網(wǎng)進行分區(qū)電力平衡，按照直流優(yōu)先落點電力缺口地區(qū)和分散直流落點的原則，篩選直流落點區(qū)域及備選站址。

為便于分析新增直流落點區(qū)域，將廣東電網(wǎng)劃分為珠三角東南部、珠三角東部、珠三角北部等8個分區(qū)進行電力平衡。平衡結(jié)果見表1。

表1 廣東電網(wǎng)8分區(qū)電力平衡表(計及規(guī)劃電源，不計規(guī)劃直流)

從廣東8分區(qū)電力平衡結(jié)果來看，“十三五”期間規(guī)劃投產(chǎn)的2個直流宜落點缺口最大的珠三角東南部和珠三角東部。珠三角東南部備選站址考慮電力缺口較大的深圳沙井站址，珠三角東部備選站址考慮電力缺口較大的東莞沙田站址和惠州城西站址?？紤]2020年前規(guī)劃的2直流后，到2030年，珠三角北部電力缺口最大超過12 000 MW，應(yīng)優(yōu)先考慮落點1直流，珠三角北部備選站址可考慮電力缺口較大的佛山東坡站，2030年天廣直流回收后可充分利用線路走廊及落點北郊站，另外也可考慮直流落點云肇地區(qū)利用西電東送交流通道送往負荷中心地區(qū)。

計及3個規(guī)劃直流落點后，2030年珠三角東部、北部及西部這3個地區(qū)電力缺口仍均超過9 000 MW。從直流電力消納的角度來看，2030年前規(guī)劃的最后1條直流(即緬甸芒基直流)可分別落點這3個地區(qū)，其中珠三角西部備選站址可考慮陽江核電近區(qū)的恩平站址，置換大型核電點對網(wǎng)送至負荷中心。新增直流落點區(qū)域及備選站址見表2。

表2 2016年~2030年新增直流落點區(qū)域及備選站址

2.2方案擬定

考慮緬甸芒基直流分別落點珠北、珠西以及珠東地區(qū)擬定以下3個方案。

(1) 方案1：芒基直流落點珠北電網(wǎng)方案

2016~2030年規(guī)劃的2條直流分別落點珠東地區(qū)的沙田站和珠東南地區(qū)的沙井站。規(guī)劃第3條直流落點珠北地區(qū)的北郊站，芒基直流落點珠北地區(qū)的東坡站。

(2) 方案2：芒基直流落點珠西電網(wǎng)方案

2016~2030年規(guī)劃前3條直流落點方案同方案1。為拉開珠北地區(qū)直流落點之間的電氣距離，將芒基直流落點由東坡站調(diào)整到珠西的恩平站，置換陽江核電外送電力，陽江核電通過點對網(wǎng)送往珠北地區(qū)，加強珠北電網(wǎng)電源支撐能力，同時減弱直流間的相互影響。

(3) 方案3：芒基直流落點珠東電網(wǎng)方案

2016~2030年規(guī)劃的2條直流分別落點珠東地區(qū)的沙田站和珠東南地區(qū)的沙井站。規(guī)劃第3個直流落點珠北地區(qū)的東坡站，芒基直流落點珠東地區(qū)的城西站。

2015~2030年廣東電網(wǎng)直流落點分析示意如圖1所示。

圖 1 2015~2030年廣東電網(wǎng)直流落點分析示意圖

3 方案技術(shù)優(yōu)化研究

3.1 多回直流相互影響分析

多回直流相互影響分析主要采用直流逆變站多饋入有效短路比(MIESCR)和多饋入短路比(MISCR)的整體性、均衡性、干擾性以及綜合性評價指標(biāo)。

(1) 各方案MIESCR分析

可以看出，通過優(yōu)化直流落點，直流落點珠西方案2將直流從地方電源少且直流落點密集的珠北地區(qū)移動至直流落點稀疏的珠西地區(qū)，可在一定程度上提高直流逆變站的MIESCR。2030年豐腰方式廣東電網(wǎng)直流逆變站MIESCR見表3。

表3 2030年豐腰方式廣東電網(wǎng)直流逆變站MIESCR

(2) 各方案MISCR的整體性、均衡性、干擾性以及綜合性分析

從計算結(jié)果可看出，直流落點珠西方案B2中直流落入電源支撐強的區(qū)域，綜合指標(biāo)較高。直流落點珠北方案B1和直流落點珠東方案B3直流落點地方電源少且目前已經(jīng)有多回直流饋入的珠北和珠東地區(qū)，加劇直流間相互影響，綜合指標(biāo)相對較差。2030年豐腰方式MISCR的指標(biāo)見表4。

表4 2030年豐腰方式MISCR的指標(biāo)表

3.2 安全穩(wěn)定性分析

安全穩(wěn)定分析采用機電暫態(tài)仿真程序(中國電科院的BPA電力系統(tǒng)分析程序)，主要通過系統(tǒng)抵御嚴重故障的能力來評價，包括從失穩(wěn)故障數(shù)量和為消除失穩(wěn)故障需安裝的STATCOM容量兩方面進行比較[8-11]。

優(yōu)化直流落點和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可進一步提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，對于抵御三相短路中開關(guān)單相拒動嚴重故障能力也有一定改善。直流落點珠北方案1和落點珠西方案2抵御嚴重故障的能力較強，系統(tǒng)的穩(wěn)定 性較好，計及確定的STATCOM并優(yōu)化VDCL，在恩平和普寧等站點新增3 200~3 900 Mvar的STATCOM后，僅有陽江和臺山2個核電三相短路中開關(guān)單相拒動故障引起系統(tǒng)失穩(wěn)，直流落點珠東方案3所需新增的STATCOM規(guī)模比方案B1和B2多 1 700～2 400 Mvar。2030年故障掃描情況見表5，加裝STATCOM后中開關(guān)單相拒動故障掃描情況見表6[12-14]。

表5 2030年故障掃描統(tǒng)計

表6 2030年中開關(guān)單相拒動故障掃描(加裝STATCOM，含確定的800 Mvar)

4 方案經(jīng)濟性比較分析

直流落點方案經(jīng)濟性主要結(jié)合電網(wǎng)投資、年運行費等指標(biāo)進行直接比較，重點比較各方案的相對差異，在測算相對投資的基礎(chǔ)上，采用年費用法對不同網(wǎng)架方案進行經(jīng)濟比較。

式中：為方案相對年費用；為方案相對總投資；為方案相對年運行費，分為運行維護費和電能損耗費，其中運行維護費按工程相對總投資的2%計算，電能損耗費按最大損耗小時數(shù)3 500 h考慮，電價按0.5元/kWh考慮；0為電力工業(yè)投資回收率，按8%考慮；為工業(yè)經(jīng)濟使用年限，輸變電設(shè)備按25年進行計算。

從方案相對投資來看，直流落點珠北方案1投資最省；從相對網(wǎng)損來看，方案1直流直接落點珠北負荷中心地區(qū)損耗較小，減少大規(guī)模電源送入負荷中心地區(qū)，其網(wǎng)損也比最低；從整體經(jīng)濟性來看，直流落點珠北方案1投資較省，網(wǎng)損小，經(jīng)濟性最好，相對年費用比其他方案省0.9~1.2億元。方案經(jīng)濟性比較見表7。

綜合以上技術(shù)經(jīng)濟分析，第4回直流落點珠北方案1和落點珠西方案2綜合指標(biāo)相對較高，落點珠東方案3技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)均較差，不考慮。

表7 方案經(jīng)濟性比較

5 結(jié)論

研究提出了一種優(yōu)化多直流集中饋入受端系統(tǒng)直流落點的方法，首先根據(jù)電網(wǎng)分區(qū)電力電量平衡和分散直流落點原則擬定直流落點候選方案?；贑IGRE直流工作組的多饋入短路比(MISCR)概念，提出整體性、均衡性、干擾性3個單相指標(biāo)和一個綜合性指標(biāo)，評估不同直流落點方案的多直流間相互影響程度，并綜合分析安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等，提出遠景廣東直流落點優(yōu)化方案。

綜合技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)化比較，得出廣東電網(wǎng)2016~2030年直流落點優(yōu)化結(jié)論：2020年前廣東規(guī)劃的2條直流宜落點電力缺口較大的珠三角東部東莞地區(qū)和珠三角東南部深圳地區(qū)；2021~2030年規(guī)劃投產(chǎn)的2直流可落點電力缺口較大的珠三角北部的廣州北部地區(qū)和佛山地區(qū)，為減少珠三角北部地區(qū)直流集中落入，也可考慮將落點佛山的直流調(diào)整到鄰近的江門地區(qū)，置換陽江核電外送電力，陽江核電通過點對網(wǎng)送往珠北地區(qū)。

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(編輯 葛艷娜)

Guangdong power grid DC placement optimization

LONG Zhi1, YANG Liu2, YAO Wenfeng2

(1. China Southern Power Grid, Guangzhou 510623, China; 2. Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China)

With the further advance of the rapid social and economic development and the power transmission from west to east, Guangdong power grid HVDC is gradually intensive, resulting in a series of problems, such as HVDC interaction intensified, end system voltage supporting ability is insufficient, the system stability becomes worse, and putting forward the new challenge to the power system planning and operation. To fundamentally solve a series of safety and stability problems above, this paper introduces the multi infeed MISCR concept based on the CIGRE DC working groups. Through the integrity, balance, interference and comprehensiveness indicators to measure the interaction of multiple HVDC, it presents a comprehensive comparison method considering interaction between multiple DC stability, economic effect quantitative comparison of evaluation indicators, which has the operational characteristics of the DC optimal placement, can adapt to multi DC concentrated feed in Guangdong power grid, and improve power system stability.

Guangdong power grid; DC placement optimization; interaction between multiple DC; stability analysis; economic analysis; comprehensive analysis

10.7667/PSPC151172

2015-07-08；

2016-01-07

龍 志(1983-)，男，工程碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)研究和項目管理工作；E-mail: longzhi@csg.cn

楊 柳(1982-)，女，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計及電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析等工作;

姚文峰(1982-)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計及電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析等工作。