基于多端柔性直流的電網(wǎng)供電能力提升研究

竇 飛，汪惟源，楊 林，錢 康，李 桃，王靜怡，陳國(guó)年

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

基于多端柔性直流的電網(wǎng)供電能力提升研究

竇 飛1，汪惟源1，楊 林1，錢 康2，李 桃2，王靜怡1，陳國(guó)年1

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

如何提升電網(wǎng)供電能力是電網(wǎng)規(guī)劃中亟須解決的問(wèn)題。結(jié)合了實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和最新理論研究成果，對(duì)基于多端柔性直流的電網(wǎng)供電能力提升進(jìn)行了研究，提出了該方法在江蘇電網(wǎng)中應(yīng)用方案設(shè)想，并進(jìn)行了仿真分析。仿真表明該方法在提升電網(wǎng)供電能力方面效果顯著，具有良好的應(yīng)用前景。

電網(wǎng)；供電能力；多端柔性直流

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。由于電網(wǎng)負(fù)荷迅速發(fā)展，新電源的不斷接入以及500 kV變電容量的不斷增加，使得電網(wǎng)短路電流水平逐年增長(zhǎng)，原分層分區(qū)結(jié)構(gòu)中某些分區(qū)的220 kV節(jié)點(diǎn)或500 kV節(jié)點(diǎn)短路容量接近限值，需要不斷調(diào)整電網(wǎng)分層分區(qū)結(jié)構(gòu)以滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需要，電網(wǎng)分區(qū)供電范圍呈現(xiàn)越來(lái)越小趨勢(shì)，但電網(wǎng)分區(qū)規(guī)模變小后將無(wú)法發(fā)揮電網(wǎng)的規(guī)模效益，且供電可靠性有所降低。因此，有必要對(duì)供電分區(qū)、供電能力提升方法進(jìn)行研究，在保證分區(qū)供電可靠性的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)短路水平控制在合理范圍內(nèi)，提升分區(qū)的供電能力。

傳統(tǒng)的解決方法即采取一次建設(shè)增強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架，投資巨大，且在負(fù)荷密集的中心城區(qū)實(shí)施難度較大。故可考慮其他新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用，如柔性直流輸電技術(shù)，可利用其靈活、快速、高效的有功和無(wú)功控制能力，提高現(xiàn)有網(wǎng)架的輸電能力，均衡電網(wǎng)潮流。國(guó)內(nèi)外對(duì)電網(wǎng)中應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)已有一定的研究。文獻(xiàn)[3-5]討論了多端柔性直流輸配電系統(tǒng)的特點(diǎn)、模型及控制策略；文獻(xiàn)[6]從柔性直流輸電的優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，定性的討論了其在電網(wǎng)運(yùn)用的可行性；文獻(xiàn)[7-8]對(duì)電網(wǎng)柔性直流輸電進(jìn)行了仿真分析。

本文分析了當(dāng)前江蘇電網(wǎng)分層分區(qū)面臨的問(wèn)題和多端柔性直流輸電的原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出了該方法在江蘇電網(wǎng)中應(yīng)用方案設(shè)想，并利用PSASP進(jìn)行了仿真分析。仿真表明該方法在提升電網(wǎng)供電能力方面效果顯著，具有良好的應(yīng)用前景。

1 江蘇電網(wǎng)分區(qū)供電能力現(xiàn)狀及遠(yuǎn)景展望

江蘇電網(wǎng)分區(qū)供電范圍呈現(xiàn)越來(lái)越小趨勢(shì)、220 kV分區(qū)數(shù)量也快速增長(zhǎng)：2010年，江蘇電網(wǎng)220 kV電網(wǎng)僅分成12個(gè)分區(qū)運(yùn)行，但截止2015年，江蘇電網(wǎng)220 kV分區(qū)數(shù)量已達(dá)25個(gè)分區(qū)(較2010年增加了13個(gè)片區(qū)，見(jiàn)圖1)，其中武南、宜興、江陰西部和錫西南、梅里、常熟、石牌分區(qū)每個(gè)分區(qū)內(nèi)只有一座500 kV變電站。

根據(jù)江蘇電網(wǎng)規(guī)劃，至2030年江蘇省的220 kV電網(wǎng)將分為38個(gè)片區(qū)運(yùn)行(見(jiàn)圖2)，較2015年又增加了13個(gè)片區(qū))。其中武北、梅里、惠泉、江陰東分區(qū)每個(gè)分區(qū)內(nèi)只有1座500 kV變電站，其余片區(qū)均至少有2座500 kV變電站?？梢?jiàn)，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)分區(qū)數(shù)量越來(lái)越多，分區(qū)規(guī)模越來(lái)越小，無(wú)法充分發(fā)揮電網(wǎng)的規(guī)模效益，且供電可靠性有所降低。因此，針對(duì)500/220 kV供電分區(qū)、供電能力提升的相關(guān)研究是十分必要的。

圖2 2030年江蘇省220 kV電網(wǎng)分片結(jié)構(gòu)示意圖(38片)

2 分區(qū)供電能力的影響因素分析

500/220kV分區(qū)最大供電能力(total supply capability,TSC)指500/220 kV分區(qū)內(nèi)500 kV主變、220 kV及以下電廠在滿足N-1準(zhǔn)則下，考慮實(shí)際運(yùn)行約束下所能供給的最大負(fù)荷之和[9]。分區(qū)內(nèi)500 kV變電容量越大、220 kV及以下電源裝機(jī)容量越大，分區(qū)供電能力就越高，但同時(shí)分區(qū)短路電流水平也越高。

500/220 kV分區(qū)應(yīng)在保證分區(qū)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)短路電流不越限的前提下，充分發(fā)揮分區(qū)內(nèi)500 kV主變和電源的供電能力。

供電能力和供電能力提升指標(biāo)公式如下：

(1)

式中TTSC——最大供電能力；

Snj——節(jié)點(diǎn)j的實(shí)際負(fù)荷；

N——節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

(2)

針對(duì)電網(wǎng)分區(qū)供電能力的影響因素已有一定研究[10-11]，認(rèn)為可從以下兩個(gè)主要影響因素進(jìn)行分析。

2.1 分區(qū)內(nèi)短路電流水平

每個(gè)220 kV分區(qū)內(nèi)，500 kV主變?nèi)萘吭酱?，接入的電源越多，則供電能力越強(qiáng)、分區(qū)規(guī)模越大。但是隨著電源點(diǎn)和500 kV主變?nèi)萘康脑黾?，分區(qū)內(nèi)短路電流水平也會(huì)迅速攀升，成為制約分區(qū)結(jié)構(gòu)和規(guī)模的關(guān)鍵因素。

2.2 分區(qū)內(nèi)潮流分布及聯(lián)絡(luò)通道通流容量

受負(fù)荷分布、電源分布、多級(jí)電磁環(huán)網(wǎng)等因素影響，可能會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)片區(qū)內(nèi)500 kV主變降壓不均衡；當(dāng)分區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)時(shí)，部分變電站降壓功率到達(dá)穩(wěn)定限額，而其余變電站降壓功率仍有較大的提升空間，造成供電能力無(wú)法充分發(fā)揮。

局部電網(wǎng)薄弱、輸電通道潮流不均使得分區(qū)內(nèi)線路輸電能力得不到發(fā)揮或超出輸電能力，也會(huì)限制分區(qū)供電能力。例如南京500 kV龍王山變向西環(huán)網(wǎng)的220 kV輸電通道出現(xiàn)“卡脖子”問(wèn)題，曉莊—下關(guān)/曉莊—中央斷面潮流過(guò)重，曉莊—下關(guān)/曉莊—中央的輸電能力限制了南京西環(huán)網(wǎng)的供電能力。江蘇省電力公司已建成投運(yùn)了國(guó)際領(lǐng)先的示范工程南京220 kV西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)，成功地解決了此問(wèn)題[12]。

3 柔性直流輸電的原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

隨著電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)的快速發(fā)展，基于其的直流輸電系統(tǒng)已成為了直流輸電系統(tǒng)發(fā)展的主流趨勢(shì)。多端柔性直流輸電系統(tǒng)(Multi-terminal HVDC)是在同一直流網(wǎng)架下，含2個(gè)以上VSC換流站的柔性直流系統(tǒng)，其顯著的特點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，從而為保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定性和潮流優(yōu)化配置提供了良好的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段[13]。

目前的多端直流輸電系統(tǒng)主回路拓?fù)渲饕写?lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型三種方式(如圖3所示)，目前研究和采用較多的主要是并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中并聯(lián)型又包含放射狀和環(huán)網(wǎng)狀兩種拓?fù)?如圖4所示)。

本文所用的多端柔性直流合環(huán)裝置換流器選用先進(jìn)模塊化多電平(Modular Multilevel Converter，MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單端拓?fù)湫问郊捌漭敵霾ㄐ稳鐖D5所示，相對(duì)于傳統(tǒng)兩電平和三電平拓?fù)浞桨?，具備如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(1)從根本上解決了兩電平或三電平對(duì)于依賴器件串聯(lián)升壓帶來(lái)的均壓?jiǎn)栴}；

(2)IGBT開(kāi)關(guān)頻率很低，減小了系統(tǒng)電磁噪聲，提高了系統(tǒng)整體傳輸效率；

(3)由于電平數(shù)的大量提高，使得換流系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)諧波含量很少，無(wú)需交流側(cè)高頻濾波器，節(jié)省了投資成本和占地面積；

(4)模塊化的結(jié)構(gòu)使得容量拓展和冗余設(shè)計(jì)更為容易。

圖5 柔性直流輸電技術(shù)原理圖

4 供電能力提升方案設(shè)想及仿真分析

目前，無(wú)錫的梅里和江陰西部及惠泉片區(qū)均只有一座500 kV變電站，因短路電流問(wèn)題無(wú)法與附近分區(qū)合環(huán)運(yùn)行，供電可靠性較低?？紤]在聯(lián)絡(luò)通道蠡湖—揚(yáng)名采用柔性直流輸電技術(shù)(見(jiàn)圖6)，可在不增加短路電流的前提下，將梅里和江陰西部及惠泉電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行。

圖6 梅里和江陰西及惠泉片區(qū)220 kV電網(wǎng)分片結(jié)構(gòu)框圖

四端口柔性直流接口站的主接線方案如圖7所示。每回220 kV線路通過(guò)交流斷路器連接到柔性直流換流器，柔性直流換流器的直流側(cè)通過(guò)直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)連接到直流母線。

圖7 四端口柔性直流接口站主接線原理圖

220 kV分區(qū)供電能力仿真結(jié)果見(jiàn)表1。在采取措施前、梅里3×1 000 MVA主變及片區(qū)內(nèi)望亭電廠供電能力3 450 MW，江陰西部及惠泉片3×1 000 MVA主變及片區(qū)內(nèi)利港電廠供電能力4 150 MW，這兩個(gè)片區(qū)供電能力合計(jì)7 600 MW。采用柔性直流互聯(lián)后，整個(gè)梅里和江陰西部及惠泉電網(wǎng)供電能力合計(jì)約為8 000 MW，提高了約400 MW，供電能力提升率為5%。

表1 220 kV分區(qū)供電能力仿真結(jié)果

若將該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行推廣，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)錫澄電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行，可大大提高無(wú)錫電網(wǎng)的供電可靠性和供電能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展了多端柔性直流輸電在江蘇電網(wǎng)中提升供電能力的應(yīng)用方案設(shè)想和仿真分析。仿真結(jié)果表明，該方法在提升電網(wǎng)供電能力方面效果顯著。建議該方法可應(yīng)用于電網(wǎng)中某個(gè)示范項(xiàng)目，以便于進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性和有效性。

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(本文編輯：趙艷粉)

Study of Power Grid Supply Capability Advance Based on Multi-terminal HVDC

DOU Fei1, WANG Wei-yuan1, YANG Lin1, QIAN Kang2, LI Tao2, WANG Jing-yi1, CHEN Guo-nian1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024,China;2. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102,China)

How to improve supply capability is the problem which it is urgent for micro-grid planning to solve. In this paper, combined with practical engineering design experience and the latest theoretical research results, we research the power supply capacity that is based on multi-terminal HVDC Flexible, propose the suggestionthat applying the approach to Jiangsu Power Grid, and complete the simulation analysis. The simulation results demonstrate that the method has remarkable effect in strengthening supply capability and good application prospect.

power Grid，supply capability，multi-terminal HVDC

10.11973/dlyny201701003

竇 飛(1979-)，男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃及研究工作。

TM46；TM721.1

A

2095-1256(2017)01-0012-04

2016-12-23