雁淮直流送電能力與閉鎖故障影響分析

劉新元，朱 琳，段永澤

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西忻州供電公司，山西 忻州 034000）

1 雁淮直流特高壓工程概況

雁淮直流是山西境內(nèi)第一條直流特高壓輸電工程，起于山西省朔州市雁門關(guān)換流站，止于江蘇省淮安市淮安換流站。該工程于2015年2月取齊支持文件，同年6月29日開工建設(shè)，2017年6月30日正式投入商業(yè)運行。

雁淮直流特高壓工程概況如圖1所示。雁淮直流線路全長1 095 km。雁門關(guān)換流站為整流站，換流變壓器24+4臺，單臺容量405.13 MVA；平波電抗器是干式電抗器，每極4×75 mH；容性無功補償總?cè)萘?4 720 Mvar（270×11+350×5）；感性無功補償裝設(shè)1組210 Mvar的500 kV母線高壓電抗器，5組60 Mvar 35 kV低壓電抗器。

圖1 雁淮直流特高壓通道參數(shù)概況

2 雁淮直流近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

雁門關(guān)換流站與山西主網(wǎng)通過三回500 kV雁門關(guān)至明海湖線路相連。雁淮直流一級斷面由500 kV雁門關(guān)換流站—明海湖站三回線組成，二級斷面由500 kV雁同—明海湖雙回線+明海湖—五寨雙會線+明海湖雙變（2×1 000 MVA）組成。目前，雁淮直流近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)前，雁淮直流無配套電源投運，由山西電網(wǎng)組織外送電力。近期，山西電網(wǎng)500 kV神泉電廠（2×600 MW機組）將改接至雁門關(guān)換流站；遠期，雁門關(guān)換流站一級斷面增加雁門關(guān)—明海湖第四回線，二級斷面增加明海湖—五寨第三回線、明海湖—新榮雙回線，送出網(wǎng)架得到進一步加強。

圖2 雁淮直流近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

3 雁淮直流閉鎖故障研究條件和技術(shù)原則

3.1 數(shù)據(jù)說明

研究水平年為2018年—2020年，計算數(shù)據(jù)以2018年三華電網(wǎng)2～3 a滾動研究計算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

a）發(fā)電機模型。主要發(fā)電機采用“Ed、Eq”變化詳細模型，并考慮勵磁、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和調(diào)速系統(tǒng)。

b）負荷模型。華北電網(wǎng)為馬達+恒阻抗負荷，華東電網(wǎng)為靜態(tài)負荷。

c）直流模型。采用準穩(wěn)態(tài)模型。

3.2 穩(wěn)定判據(jù)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)分為功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定3個方面。計算分析時，若3者都能保持穩(wěn)定，則認為系統(tǒng)穩(wěn)定，若有1個不能穩(wěn)定，則認為系統(tǒng)不穩(wěn)定，其中在判斷功角穩(wěn)定時，如果僅個別小機組相對主網(wǎng)失去同步，則仍認為系統(tǒng)穩(wěn)定。具體判據(jù)有以下幾點。

a）功角穩(wěn)定。電網(wǎng)遭受每一次大擾動后，引起電力系統(tǒng)各機組之間功角相對增大，在經(jīng)過第一、第二搖擺不失步。

b）電壓穩(wěn)定。目前并沒有業(yè)界公認的電壓穩(wěn)定標準，考慮雁淮直流運行應(yīng)采取工程標準，本報告采用中華人民共和國電力行業(yè)標準《電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定評價導(dǎo)則（DL/T1172—2013）》中的相關(guān)規(guī)定，即在電力系統(tǒng)受到擾動后的暫態(tài)過程中，負荷母線電壓標幺值能夠在10 s以內(nèi)恢復(fù)到0.80以上；在電力系統(tǒng)受到擾動后的中長期過程中，負荷母線電壓標幺值能夠保持或恢復(fù)到0.90以上。

c）頻率穩(wěn)定。系統(tǒng)頻率能迅速恢復(fù)到額定頻率附近繼續(xù)運行，不發(fā)生頻率崩潰，也不使事件后的系統(tǒng)頻率長期懸浮于某一過高或過低的數(shù)值。

3.3 研究工具

本項目采用中國電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所PSD電力系統(tǒng)軟件工具（PSD power tools）完成，主要包括：PSD-PFNT潮流計算程序；PSD-SWNT暫態(tài)穩(wěn)定計算程序與PSD-MYCHART多曲線對比程序等。

4 雁淮直流送電能力分析

雁淮直流的額定輸送功率是8 000 MW。受熱穩(wěn)定約束與電壓穩(wěn)定約束，直流實際輸送能力不能充分發(fā)揮。以三華電網(wǎng)2～3 a滾動研究計算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析神泉電廠改接前、神泉電廠改接后、神泉電廠改接且近區(qū)網(wǎng)架加強后3種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下雁淮直流的送電能力。

4.1 送電能力分析——熱穩(wěn)定約束

雁門關(guān)換流站與山西主網(wǎng)通過三回500 kV雁門關(guān)至明海湖線路相連，其中明海湖—雁門關(guān)II、III線同桿并架，發(fā)生N-2故障后，潮流全部轉(zhuǎn)移至明海湖—雁門關(guān)I線。明海湖—雁門關(guān)單回線熱穩(wěn)定極限2 900 MW。

神泉電廠改接前，明海湖—雁門關(guān)線路發(fā)生N-2故障，考慮故障后雁淮直流直流速降1 800 MW，雁淮直流送電能力最大4 700 MW。制約因素為明海湖—雁門關(guān)I線熱穩(wěn)定極限。

神泉電廠改接后，明海湖—雁門關(guān)線路發(fā)生N-2故障，考慮故障后雁淮直流直流速降1 800 MW，雁淮直流送電能力最大5 900 MW。制約因素為明海湖—雁門關(guān)I線熱穩(wěn)定極限。

神泉電廠改接且近區(qū)網(wǎng)架加強后，明海湖—雁門關(guān)線路發(fā)生N-2故障，考慮故障后雁淮直流直流速降1 800 MW，雁淮直流送電能力可達8 000 MW，不再受到明海湖—雁門關(guān)線路熱穩(wěn)定的制約。

4.2 送電能力分析——電壓穩(wěn)定約束

雁淮直流一級、二級斷面共有3個500 kV通道，即雁門關(guān)—明海湖三回線、雁同—明海湖雙回線與明海湖—五寨雙回線。雁淮直流大功率送出方式下，雁門關(guān)—明海湖三回線、雁同—明海湖雙回線、明海湖—五寨雙回線發(fā)生N-2故障，雁門關(guān)換流站均存在電網(wǎng)穩(wěn)定問題。同一運行方式下，雁同—明海湖雙回線N-2電壓穩(wěn)定問題最嚴重。

神泉電廠改接前，雁同—明海湖線路N-2故障，雁門關(guān)母線電壓標幺值不低于0.9，雁淮直流送電能力最大為5 100 MW。

神泉電廠改接后，雁同—明海湖線路N-2故障，雁門關(guān)母線電壓標幺值不低于0.9，雁淮直流送電能力最大為6 700 MW。

神泉電廠改接且近區(qū)網(wǎng)架加強后，雁淮直流送電能力可達到額定功率8 000 MW，不再受到雁同—明海湖線路N-2電壓穩(wěn)定的制約。

5 雁淮直流閉鎖故障影響分析

雁淮直流特高壓發(fā)生閉鎖故障后，特高壓長治—南陽線路潮流轉(zhuǎn)移功率近60%。雁淮直流輸電容量大，其閉鎖故障將導(dǎo)致大范圍的潮流轉(zhuǎn)移，長治—南陽特高壓交流線承受大范圍潮流轉(zhuǎn)移后，可能致使電網(wǎng)的穩(wěn)定性破壞；尤其是當(dāng)雁淮直流和長治—南陽特高壓線功率輸送方向相同時（即兩者同時由華北送出），雁淮直流發(fā)生閉鎖故障，潮流將大量轉(zhuǎn)移到長治—南陽特高壓交流線上，使得長治—南陽特高壓交流線路輸送功率超過其靜態(tài)穩(wěn)定極限，最終導(dǎo)致華北—華中電網(wǎng)解列。因此，雁淮直流與長南特高壓交流存在強耦合關(guān)系。

在雁淮直流輸送8 000 MW，長南線南送5 800MW方式下，分析雁淮直流與長南線耦合關(guān)系。閉鎖故障制約下雁淮直流與長南線輸送功率間耦合情況具體如表1、圖3—5所示。

表1 雁淮特高壓直流與特高壓交流長南線的耦合情況MW

圖3 雁淮直流雙極閉鎖不采取安控措施及相關(guān)機組功角變化曲線

圖5 雁淮直流雙極閉鎖采取安控措施后長南線功率變化曲線

圖4 雁淮直流雙極閉鎖不采取安控措施及相關(guān)廠站電壓變化曲線

由表1可見，雁淮直流8 000 MW，長南線南送功率5 800 MW方式下，可以得到以下結(jié)果。

a）雁淮直流單極閉鎖，系統(tǒng)失去穩(wěn)定，需切除山西機組共1 670 MW；預(yù)控長南線與雁淮直流合功率為12 370 MW，則系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。

b）雁淮直流雙極閉鎖，系統(tǒng)失去穩(wěn)定，需切除山西機組共5 800 MW；預(yù)控長南線與雁淮直流合功率為9 460 MW，則系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。

6 結(jié)論與建議

神泉電廠改接前，受熱穩(wěn)定約束與電壓穩(wěn)定約束，雁淮直流當(dāng)前實際輸送能力達不到8 000 MW；但熱穩(wěn)定約束的影響更大，雁淮直流最大輸電能力4 700 MW。神泉電廠改接后，雁淮直流的最大送電能力可提升至5 900 MW，制約因素仍是熱穩(wěn)定約束。神泉電廠改接且近區(qū)網(wǎng)架加強后，雁淮直流不再受熱穩(wěn)定約束與電壓穩(wěn)定約束，輸送能力可達到8 000 MW。

雁淮直流輸電容量大，其閉鎖故障將導(dǎo)致近60%的冗余功率轉(zhuǎn)移至長治—南陽特高壓交流線上，可能引發(fā)華北—華中電網(wǎng)機組失穩(wěn)。雁淮直流與長南特高壓大功率運行方式下，直流發(fā)生雙極閉鎖故障，需聯(lián)切直流近區(qū)5 800 MW機組，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。

建議：一是加快神泉電廠倒接工程及近區(qū)網(wǎng)架加強工程的建設(shè)進度，充分發(fā)揮雁淮直流的送電能力；二是相關(guān)部門應(yīng)提前制定過渡期的控制策略與運行方案，保障山西電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。