晉北—南京直流特高壓工程安全穩(wěn)定性分析研究

鄭惠萍，劉新元，曲 瑩

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

晉北—南京直流特高壓工程安全穩(wěn)定性分析研究

鄭惠萍，劉新元，曲 瑩

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

晉北—南京直流特高壓工程投產(chǎn)后，山西電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，從電網(wǎng)靜態(tài)安全、短路比、暫態(tài)安全穩(wěn)定及暫態(tài)過電壓等方面分析了交直流系統(tǒng)相互作用下山西電網(wǎng)的穩(wěn)定特性，為山西電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供了理論依據(jù)。配套電源投產(chǎn)后，晉北直流特高壓送電8 000MW，晉北換流站運行設(shè)備無過載現(xiàn)象，滿足運行控制要求。

靜態(tài)安全；短路比；暫態(tài)安全；過電壓

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長和工業(yè)水平的不斷提高，由于能源分布與電力需求的不平衡，我國電力系統(tǒng)進(jìn)入大規(guī)模遠(yuǎn)距離高壓輸電的新時代[1-2]。與交流輸電相比，高壓直流輸電技術(shù)具有大容量遠(yuǎn)距離輸電、傳輸功率快速可控等特點，因此，世界各國電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。作為“西電東送、北電南供”的重要工程，山西晉北—南京±800 kV特高壓直流輸電工程將促進(jìn)山西能源基地開發(fā)與能源外送，擴(kuò)大新能源消納范圍，滿足華東地區(qū)的用電需求[3]。山西電網(wǎng)作為直流送端，保障其安全穩(wěn)定運行對整個電網(wǎng)的重要性不言而喻。

1 山西電網(wǎng)分析基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

山西電網(wǎng)通過1 000 kV長治—南陽—荊門特高壓線路與華中電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，與華北電網(wǎng)通過九回500 kV線路連接。晉北交流特高壓、晉中交流特高壓、晉北直流特高壓建成后，晉北、晉中交流特高壓不落地，晉北直流特高壓通過三回500 kV線路與平魯500 kV變電站相連?？紤]晉北地區(qū)電源送出需求，晉北—南京直流滿送8000MW，直流配套電源安太堡、木瓜界、神泉二期機(jī)組裝機(jī)容量4 020 MW，平魯—晉北換流站三回 500 kV線路輸送功率4 160 MW，平魯?shù)貐^(qū)風(fēng)電上網(wǎng)1 460 MW。

2 山西電網(wǎng)晉北直流近區(qū)500 kV靜態(tài)安全分析

對晉北—南京直流晉北換流站近區(qū)500 kV線路進(jìn)行靜態(tài)安全N-1分析，分析結(jié)果如表1所示。靜態(tài)安全晉北換—平魯單回線路熱穩(wěn)極限按4 100MW考慮，其余單回線路熱穩(wěn)極限按2 600MW考慮。

由表1可知，晉北換流站近區(qū)500 kV線路發(fā)生N-1故障后，運行線路無過載現(xiàn)象，滿足運行控制要求。

對晉北換流站附近500 kV變壓器進(jìn)行靜態(tài)N-1安全分析，分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，晉北換流站近區(qū)500 kV五寨變壓器發(fā)生N-1故障后，另1臺變壓器無過載現(xiàn)象；500 kV平魯和雁同變壓器發(fā)生N-1故障后，另1臺變壓器滿載運行；均滿足運行控制要求。

表1 晉北換流站附近500 kV線路靜態(tài)N-1安全分析結(jié)果

表2 晉北換流站附近500 kV變壓器靜態(tài)安全分析結(jié)果

3 直流投運下短路比分析

直流滿送8 000 MW，考慮全接線方式、近區(qū)500 kV線路檢修方式及近區(qū)部分電源未配套投產(chǎn)，晉北換流站有效短路比計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下晉北換流站有效短路比

全接線、機(jī)組全投產(chǎn)方式，晉北換流站短路比4.19，有效短路比3.69，滿足運行控制要求；平魯—雁同一回線檢修、機(jī)組全投產(chǎn)方式，晉北換流站有效短路比為3.12，滿足運行控制要求；平魯—雁同一回線檢修、機(jī)組投產(chǎn)3 670MW方式，晉北換流站有效短路比為3.01，滿足運行控制要求；平魯—雁同一回線檢修、機(jī)組投產(chǎn)3 320MW方式，晉北換流站有效短路比為2.93，不滿足運行控制要求。

表4 不同電源投產(chǎn)下晉北換流站有效短路比

由表4可知，安太堡投產(chǎn)方式下晉北換流站短路比3.20，有效短路比2.70，不滿足運行控制要求；木瓜界投產(chǎn)方式下晉北換流站短路比3.35，有效短路比2.85，不滿足運行控制要求；神泉二期投產(chǎn)方式下晉北換流站短路比3.59，有效短路比3.09，滿足運行控制要求；安太堡與木瓜界投產(chǎn)方式下晉北換流站短路比3.52，有效短路比3.02，滿足運行控制要求；配套電源全投方式下晉北換流站短路比4.19，有效短路比3.69，滿足運行控制要求。

4 直流投運下近區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)安全穩(wěn)定性分析

考慮長治—南陽特高壓線（以下簡稱“長南線”）不同南送功率、近區(qū)配套電源全投情況下嚴(yán)重故障穩(wěn)定性，長南線考慮工況：南送5 800 MW、南送4 000 MW、南送2 000 MW。

4.1 長南線南送5 800 MW下晉北直流近區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析

直流滿送8 000 MW、近區(qū)機(jī)組全開正常方式下，直流近區(qū)交流線路單一故障均能保持穩(wěn)定。該方式下嚴(yán)重故障穩(wěn)定計算結(jié)果如表5所示。

表5 直流滿送8 000 MW、近區(qū)機(jī)組全開正常方式下嚴(yán)重故障穩(wěn)定計算

由表5可以看出，除直流閉鎖故障不能保持穩(wěn)定外，其余故障均能保持穩(wěn)定。直流單極閉鎖，系統(tǒng)穩(wěn)定破壞，聯(lián)切1 660 MW機(jī)組（神泉二期+木瓜各1臺），系統(tǒng)穩(wěn)定。

4.2 長南線南送4 000 MW下晉北直流近區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析

直流滿送8 000 MW方式下，直流近區(qū)配套電源大開機(jī)安排電源，即神泉二期、木瓜、安太機(jī)組全開，共計4 020 MW，長南線南送4 000 MW，直流雙極閉鎖故障，系統(tǒng)穩(wěn)定破壞，華北相對華中暫態(tài)失穩(wěn)，振蕩中心在長南特高壓線上；切除晉北換流站近區(qū)電源3 320 MW，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定。

4.3 長南線南送2 000 MW下晉北直流近區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析

直流滿送8 000 MW方式下，直流近區(qū)配套電源大開機(jī)安排電源，即神泉二期、木瓜、安太機(jī)組全開，共計4 020 MW，長南線南送2 000 MW，直流雙極閉鎖故障，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定。

5 直流投運下近區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)過電壓分析

5.1 直流近區(qū)大開機(jī)方式

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生雙極故障下，直流換流站濾波器若不能及時切除，系統(tǒng)將產(chǎn)生大量冗余無功導(dǎo)致其過電壓問題，因此需校核直流故障下不切除濾波器時系統(tǒng)暫態(tài)過電壓情況，直流滿送8 000 MW方式下，直流近區(qū)配套電源大開機(jī)安排電源，即神泉二期、木瓜、安太機(jī)組全開，共計4 020 MW，分析直流直流雙極故障暫態(tài)過程中晉北換流站母線電壓、平魯母線電壓、風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓變化情況，評估其暫態(tài)過電壓風(fēng)險。

晉北直流輸送功率8 000 MW時，發(fā)生雙極閉鎖故障，華北相對華中暫態(tài)失穩(wěn)，振蕩中心在長南特高壓線上，切除晉北換流站近區(qū)電源5 220 MW，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定。仿真采用晉北直流0周波發(fā)生雙極閉鎖故障，15周波切機(jī)，考慮濾波器投切兩種方式：不切除濾波器和5周波切濾波器，大開機(jī)方式直流雙極閉鎖故障后，晉北換流站電壓最高。若濾波器未及時切除，晉北換流站由于冗余的無功導(dǎo)致其暫時過電壓標(biāo)幺值達(dá)到1.18，穩(wěn)態(tài)電壓標(biāo)幺值達(dá)到1.15；若濾波器及時切除，穩(wěn)態(tài)電壓標(biāo)幺值為1.0。

5.2 直流近區(qū)小開機(jī)方式

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單極/雙極故障下，直流換流站濾波器若不能及時切除，系統(tǒng)將產(chǎn)生大量冗余無功導(dǎo)致其過電壓問題，因此，需校核直流故障下不切除濾波器時系統(tǒng)暫態(tài)過電壓情況，直流滿送8 000 MW方式下，為考慮暫態(tài)過電壓最嚴(yán)重工況，直流近區(qū)配套電源按最小開機(jī)安排電源，即神泉二期、木瓜、安太各開一臺機(jī)組，共約2 000 MW、平魯風(fēng)電開少量下，分析直流直流雙極故障暫態(tài)過程中晉北換流站母線電壓、平魯母線電壓、風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓變化情況，評估其暫態(tài)過電壓風(fēng)險。

晉北直流輸送功率8 000 MW時，發(fā)生雙極閉鎖故障，華北相對華中暫態(tài)失穩(wěn)，振蕩中心在長南特高壓線上，切除晉北換流站近區(qū)電源5 480 MW，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定。仿真采用晉北直流0周波發(fā)生雙極閉鎖故障（不切除濾波器），15周波切機(jī)，小開機(jī)方式，直流雙極閉鎖故障后，晉北換流站電壓最高。若濾波器未及時切除，晉北換流站由于冗余的無功導(dǎo)致其暫時過電壓標(biāo)幺值達(dá)到1.21，穩(wěn)態(tài)電壓標(biāo)幺值達(dá)到1.17；若濾波器及時切除，穩(wěn)態(tài)電壓標(biāo)幺值為1.0。

綜上所述：直流雙極故障下，晉北換流站電壓最高，近區(qū)廠站過電壓保護(hù)均不會動作。

6 結(jié)論

a)配套電源投產(chǎn)后，晉北直流特高壓送電8 000MW，晉北換流站近區(qū)500 kV線路及變壓器發(fā)生N-1故障，運行設(shè)備無過載現(xiàn)象，滿足運行控制要求。

b)晉北直流特高壓送電8 000 MW，受晉北換流站短路比的制約，近區(qū)配套電源需至少投產(chǎn)3 670 MW；受平魯—晉北500 kV線路N-1熱穩(wěn)限制，平魯—晉北一回線路檢修方式，近區(qū)配套電源4 020 MW需全部投產(chǎn)。

c)晉北直流送電8 000 MW，長南線南送5 800 MW，直流發(fā)生雙極閉鎖故障，系統(tǒng)失穩(wěn)，需聯(lián)切直流近區(qū)5 820 MW機(jī)組，系統(tǒng)保持穩(wěn)定；長南線南送功率下降至2 000 MW，直流發(fā)生雙極閉鎖故障后，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。

d)晉北直流送電8 000 MW，直流發(fā)生雙極閉鎖故障，晉北換流站電壓最高；若濾波器未及時切除，穩(wěn)態(tài)電壓標(biāo)幺值最高為1.17；若濾波器及時切除，穩(wěn)態(tài)電壓標(biāo)幺值為1.0；近區(qū)廠站過電壓保護(hù)均不會動作。

[1]M.Ponnavaikko，K.S.Praka sa Rao.Optimal Di stribution System Planning[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and System，1981，10(6)：2969-2977.

[2]孫洪波.電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 [M].重慶大學(xué)出版社，1996：9-11.

[3]王錫凡.電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃 [M].水利電力出版社，1990：78-95.

Safety and Stability Analysis of Jinbei-Nanjing DC UHV Project

ZHENG Huiping,LIU Xinyuan,QU Ying

（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

After Jinbei-Nanjing DCUHV project is put into operation,Shanxipower grid structure has changed significantly.This paperanalyzes the stability ofShanxipowergrid under the interaction ofACand DC systems from thegrid static security,shortcircuit ratio, transient safety and transient overvoltage,which provides a theoretical basis for the stable operation of Shanxi Power Grid.After the matching power source is put into operation,the transmission of power load from JinbeiDCUHV has reached 8 000MW and no overload phenomenon occurred atconverterstation.

static safety;shortcircuit ratio;transientsafety;overvoltage

TM71

A

1671-0320（2016）06-0001-04

2016-05-13，

2016-07-22

鄭惠萍（1972），女，湖北當(dāng)陽人，1993年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，高級工程師，從事電力系統(tǒng)分析研究工作；

劉新元（1986），男，山西汾陽人，2011年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，工程師，從事電力系統(tǒng)分析研究工作；

曲 瑩（1988），女，山西侯馬人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，工程師，從事電力系統(tǒng)分析研究工作。