基于柔直并網(wǎng)的補(bǔ)強(qiáng)措施對(duì)近區(qū)水電外送影響研究

吳 芮，胡 洋，李 甍，賈 波，黃牧濤，周良松

（1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院），湖北 武漢430074；2.湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌443000；3.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430071；4.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引言

柔性直流輸電技術(shù)由于可控性強(qiáng)、交流側(cè)無需大量無功支撐等特點(diǎn)，在我國能源戰(zhàn)略中發(fā)揮著巨大作用［1-2］。近年來，隨著交直流混聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展［3］，電網(wǎng)形態(tài)、格局和特性面臨深刻變化，誘發(fā)電網(wǎng)發(fā)生復(fù)雜故障的因素越來越多，成為制約大電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵［4］。研究柔性直流并網(wǎng)及其補(bǔ)強(qiáng)工程對(duì)近區(qū)電網(wǎng)外送能力的影響具有重要意義［5］。

目前關(guān)于柔性直流并網(wǎng)已有較為豐富的研究成果，文獻(xiàn)［6］分析了柔性直流大功率運(yùn)行對(duì)近區(qū)電網(wǎng)外送斷面的約束，以及保證近區(qū)電網(wǎng)外送限額對(duì)該柔性直流送出功率的約束。文獻(xiàn)［7］研究了柔性直流系統(tǒng)中短路電流的暫態(tài)特性，仿真分析了柔性直流向交流系統(tǒng)注入短路電流的機(jī)制。文獻(xiàn)［8］分析了渝鄂柔直并網(wǎng)對(duì)湖北電網(wǎng)潮流轉(zhuǎn)移、靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定特性的影響。文獻(xiàn)［9］計(jì)算分析了渝鄂背靠背柔直異步互聯(lián)通道投運(yùn)后對(duì)華中電網(wǎng)運(yùn)行特性的影響，分析了華中電網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定特性。文獻(xiàn)［10］提出了一種適用于分析背靠背柔性直流并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)影響的綜合評(píng)估方法，對(duì)并網(wǎng)前后電網(wǎng)的運(yùn)行特性進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)［11］結(jié)合復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)與時(shí)域仿真法，計(jì)算分析了背靠背柔直輸電工程投運(yùn)前后各頻段的系統(tǒng)阻尼特性。文獻(xiàn)［12］搭建了柔性直流及其附加控制策略的機(jī)電暫態(tài)模型，研究了柔性直流接入后系統(tǒng)的調(diào)頻特性和功角曲線。以上研究都是考慮柔直并網(wǎng)工程全部完成后對(duì)近區(qū)電網(wǎng)造成的影響與潛在風(fēng)險(xiǎn)，未考慮投產(chǎn)過程中過渡形態(tài)（如部分補(bǔ)強(qiáng)工程未完成）的近區(qū)電網(wǎng)外送電能力［13］。然而由于柔性直流及其補(bǔ)強(qiáng)工程涉及較廣，投產(chǎn)過程中電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將存在較多的過渡形態(tài)，不同過渡階段電網(wǎng)的穩(wěn)定特性可能會(huì)有較大差異，因此亟需對(duì)各過渡階段近區(qū)水電外送特性進(jìn)行研究分析。

本文針對(duì)渝鄂背靠背柔直投產(chǎn)過程中電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的4 種過渡形態(tài)，使用PSASP 軟件仿真分析了近區(qū)電網(wǎng)的靜穩(wěn)、暫穩(wěn)特性，研究了近區(qū)電網(wǎng)外送通道的外送能力和制約因素變化情況。從補(bǔ)強(qiáng)工程建設(shè)時(shí)序和穩(wěn)控優(yōu)化措施兩個(gè)方面提出了改進(jìn)建議，可有效保障近區(qū)水電站的外送需求，可作為國內(nèi)同類工程的規(guī)劃參考。

1 鄂西交流補(bǔ)強(qiáng)系列工程概述

為優(yōu)化交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可控性，同時(shí)充分發(fā)揮聯(lián)絡(luò)線外送四川季節(jié)性水電輸電能力以及降低三峽近區(qū)電網(wǎng)短路水平，國家電網(wǎng)有限公司開展建設(shè)渝鄂直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程及相關(guān)交流補(bǔ)強(qiáng)工程［14］。渝鄂直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程包含2個(gè)背靠背換流站，分別落點(diǎn)在渝鄂聯(lián)絡(luò)線的南、北兩個(gè)通道［15］。為解決柔直并網(wǎng)帶來的潮流疏散及暫態(tài)穩(wěn)定問題，固化三峽現(xiàn)有輸電系統(tǒng)功能，強(qiáng)化葛洲壩原有輸電系統(tǒng)供電能力，湖北電網(wǎng)將對(duì)500 kV 主網(wǎng)架進(jìn)行加強(qiáng)［16-17］，即鄂西交流補(bǔ)強(qiáng)系列工程，構(gòu)建三峽和葛洲壩輸電系統(tǒng)雙重電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。鄂西交流工程改造完全后的新電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 華中電網(wǎng)示意圖Fig.1 Sketch of Central China power grid

由于鄂西交流補(bǔ)強(qiáng)工程涉及面較廣，各項(xiàng)工程實(shí)際開展時(shí)間和工程實(shí)施難度不一，導(dǎo)致各補(bǔ)強(qiáng)工程不同期投產(chǎn)。本文針對(duì)該工程實(shí)施過程中可能出現(xiàn)的4個(gè)階段的水電外送能力進(jìn)行研究，各過渡階段安排如圖2所示。

圖2 過渡階段示意圖Fig.2 Schematic diagram of the transition phase

豐水期施州直流送華中時(shí)，興隆站作為施州直流、恩施地區(qū)水電、水布埡、江坪河以及三峽右二電站交流外送的匯集點(diǎn)，送電壓力較大，母線電壓較低，在發(fā)生500 kV 江興、漁興、桃興等線路N-1 故障，或同塔線路漁興I+II 回、漁宜+漁興III回發(fā)生N-2故障時(shí)，可能引起三峽右二電站、恩施地區(qū)機(jī)組、水布埡和江坪河機(jī)組相對(duì)主網(wǎng)失步。尤其在宜華直流未滿送、恩施上網(wǎng)功率較大及水布埡和江坪河開機(jī)較多時(shí)，漁峽東送斷面潮流疏散壓力更大，興隆站電壓進(jìn)一步降低，系統(tǒng)暫穩(wěn)問題更加突出［18］。

2 近區(qū)水電外送能力分析

本文研究的系統(tǒng)暫穩(wěn)問題主要與施州直流、恩施地區(qū)水電、水布埡、江坪河、三峽右二電站交流外送功率，以及施州直流控制策略和三峽電站分/合母運(yùn)行方式相關(guān)，涉及因素較多。為簡化此類問題，本文將三峽右二電站交流外送設(shè)為固定因素，施州直流定無功運(yùn)行，三峽機(jī)組分母運(yùn)行，宜華直流皆按外送2 500 MW考慮。

2.1 恩施東及江坪河水電站投產(chǎn)后近區(qū)水電外送能力分析

本文研究的第1個(gè)過渡階段的具體投產(chǎn)方案為：恩施東變電站投運(yùn)，容量1×750 MVA，500 kV側(cè)π入恩漁I回，220 kV側(cè)π入龍桑、旗桑線，并新建2回線路至羅家灣、桑家壩。江坪河水電站投運(yùn)，裝機(jī)2×225 MW。

2.1.1 電網(wǎng)穩(wěn)定特性分析

恩施東變電站及江坪河水電站投產(chǎn)后，本文選取典型方式：豐水期恩施電源上網(wǎng)1 000 MW、高壩洲機(jī)組滿發(fā)、水布埡開機(jī)2×460 MW 與高壩洲機(jī)組進(jìn)行流量匹配、江坪河不開機(jī)、施州直流送華中1 700 MW（考慮系統(tǒng)滿足N-1約束），對(duì)系統(tǒng)近區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行安全穩(wěn)定分析。

該典型方式下，漁興三回線功率3 190 MW，漁宜線功率330 MW，宜興雙線功率2 320 MW，興隆電壓510.1 kV，漁峽電壓524.4 kV。

在此方式下進(jìn)行N-2故障穩(wěn)定校核，系統(tǒng)發(fā)生N-2故障后的穩(wěn)定情況如表1所示。

表1 N-2故障后系統(tǒng)穩(wěn)定情況（階段1）Table 1 System Stability after N-2 failure(Phase 1)

其中漁興I、II 回N-2 故障后，近區(qū)母線電壓曲線如圖3所示。

圖3 故障后近區(qū)母線電壓曲線（階段1）Fig.3 Near-field bus voltage curve after fault(phase 1)

由表1和圖3可知，該典型方式下的恩施和恩施東外送斷面不受N-2 故障約束，漁峽外送斷面受漁興I、II回N-2故障約束，故障后近區(qū)母線電壓嚴(yán)重失穩(wěn)，且三峽、恩施水電、水布埡和江坪河機(jī)組都功角失穩(wěn)。因此，需在此基礎(chǔ)上分析漁峽斷面的外送能力。

2.1.2 漁峽斷面外送能力分析

漁峽斷面外送能力主要與施州直流送華中、恩施電源上網(wǎng)和漁峽電源開機(jī)臺(tái)數(shù)有關(guān)，由于江坪河2 臺(tái)機(jī)組容量為450 MW，與水布埡單臺(tái)機(jī)組容量460 MW基本相同，為研究方便考慮，本文將漁峽接入電源水布埡和江坪河按5臺(tái)機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一考慮。

恩施電源上網(wǎng)1 000 MW 時(shí)，按照漁興I、II 回N-2故障約束，分別在有、無穩(wěn)控措施的條件下，對(duì)漁峽外送極限進(jìn)行仿真計(jì)算，漁峽外送極限如圖4所示。

圖4 漁峽斷面外送能力（階段1）Fig.4 Outward delivery capacity of Yuxia section(Phase 1)

由圖4可知，除漁峽不開機(jī)有穩(wěn)控的情況下，漁峽外送斷面極限較大，其余隨著漁峽電源開機(jī)臺(tái)數(shù)的增加，漁峽外送斷面極限隨之提升。有穩(wěn)控措施時(shí)，最大可外送約3 750 MW，比無穩(wěn)控提升700 MW，提升了水布埡、江坪河機(jī)組的外送能力。

2.2 安江、宜興對(duì)調(diào)后外送能力分析

安福-江陵線、宜都-興隆線路對(duì)調(diào)工程實(shí)施后，近區(qū)電網(wǎng)與三峽、漁峽電源耦合關(guān)系發(fā)生變化，將對(duì)漁峽斷面外送特性和外送能力產(chǎn)生一定影響。本文在不同漁峽斷面外送功率情況下，對(duì)近區(qū)N-1（漁興I回、江興線和桃興線）和N-2 故障進(jìn)行仿真分析。其中負(fù)荷水平為大負(fù)荷，恩施電源上網(wǎng)1 000 MW，水布埡、江坪河機(jī)組滿開，故障后系統(tǒng)穩(wěn)定情況如表2所示。

表2 不同漁峽斷面功率下故障后系統(tǒng)穩(wěn)定情況（階段2）Table 2 System stability after faults at different Yuxia section powers(phase 2)

由表2 可知在不計(jì)穩(wěn)控措施前提下，漁峽斷面極限由對(duì)調(diào)實(shí)施前的3 050 MW 提升至4 100 MW。表2中系統(tǒng)失穩(wěn)情況下的近區(qū)電網(wǎng)功角曲線如圖5所示。

圖5 近區(qū)電網(wǎng)功角曲線（階段2）Fig.5 Power angle curve of near-term power grid(phase 2)

由圖5可知，故障后三峽電站機(jī)組保持穩(wěn)定，恩施水電機(jī)組、水布埡和江坪河機(jī)組功角失穩(wěn)。

因此，安江、宜興對(duì)調(diào)工程實(shí)施后，三峽電站送出系統(tǒng)穩(wěn)定特性變好，漁峽外送斷面極限提升。同時(shí)，漁峽斷面外送約束由漁興I、II回N-2故障導(dǎo)致的三峽電源和漁峽電源暫態(tài)失穩(wěn)，變?yōu)闈O興III 回+漁宜線N-2故障導(dǎo)致的漁峽電源暫態(tài)失穩(wěn)問題。在考慮采取調(diào)制施州直流1 000 MW、切水布埡3 機(jī)和江坪河1 機(jī)的穩(wěn)控措施情況下，漁峽外送斷面可由4 100 MW 提升至4 600 MW。因此，現(xiàn)有的穩(wěn)控措施，能適應(yīng)安福-江陵線、宜都-興隆線路對(duì)調(diào)工程實(shí)施后的情況。

2.3 朝恩、朝漁新建后外送能力分析

本文研究的電網(wǎng)網(wǎng)架過渡階段3的電網(wǎng)形態(tài)變化為：將漁峽-宜都500 kV線路宜都側(cè)改接至朝陽，改接新建線路與原導(dǎo)線相匹配，新建恩施東-朝陽、宜都-孱陵500 kV線路工程，安福擴(kuò)建#3主變。

在大負(fù)荷水平下，葛-隔電源滿發(fā)2 500 MW時(shí)，對(duì)近區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行N-1 故障校核。仿真結(jié)果表明，若漁峽斷面外送5 800 MW時(shí)，外送約束為葛雙線N-1故障后導(dǎo)致近區(qū)線路嚴(yán)重過載，系統(tǒng)不滿足N-1 穩(wěn)定校核。若將漁峽斷面外送降至2 800 MW，則葛雙N-1故障滿足系統(tǒng)穩(wěn)定校核，此時(shí)葛-隔外送斷面為3 000 MW。

按照當(dāng)前的工程進(jìn)度，若出現(xiàn)葛雙、雙玉線未補(bǔ)強(qiáng)，而朝恩、朝漁線部分投運(yùn)或全部投運(yùn)的情況時(shí)，在滿足葛-隔電源外送情況下，漁峽斷面最大送電極限降至2 800～3 400 MW，較第1 個(gè)過渡階段降低了400～1 000 MW，將影響整個(gè)漁峽斷面外送能力。因此，建議將朝恩新建、朝漁改接工程和葛雙、雙玉線路溫升改造工程盡量同期投產(chǎn)，避免漁峽外送斷面受葛雙N-1故障約束，影響豐水期水布埡、恩施水電等電源外送。

3 葛-隔增容改造后外送能力分析

過渡階段4 將在過渡階段3 的基礎(chǔ)上進(jìn)行葛-隔外送斷面增容改造，具體方案為：葛洲壩-雙河I、II 回線路和雙河-玉賢I、II回線路溫升改造工程。

3.1 漁峽斷面外送約束

對(duì)于本文在大負(fù)荷水平下，葛-隔電源滿發(fā)2 500 MW，漁峽斷面外送5 800 MW 時(shí)，對(duì)漁峽外送斷面進(jìn)行N-1、N-2 穩(wěn)定校核，仿真結(jié)果中近區(qū)線路發(fā)生N-2 故障都能保持穩(wěn)定。其中發(fā)生漁興I、II回N-2故障后的近區(qū)500 kV母線電壓曲線如圖6所示。

由圖6 可知，由于新網(wǎng)架中漁峽外送斷面與三峽電站耦合關(guān)系減弱，系統(tǒng)穩(wěn)定特性較之前更好。對(duì)檢修方式進(jìn)行仿真計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)僅在部分檢修方式下，存在線路過載或暫穩(wěn)問題，以調(diào)制直流、切除水布埡機(jī)組的穩(wěn)控措施能解決此類問題，故漁峽斷面極限不再受此類故障的約束。

圖6 故障后近區(qū)電壓曲線（階段4）Fig.6 Near-field bus voltage curve after fault(phase 4)

3.2 葛-隔斷面外送約束

現(xiàn)階段的葛-隔外送斷面中，500 kV葛雙、雙玉雙線都已經(jīng)進(jìn)行了增容改造，葛-隔外送能力得到大幅提升。500 kV 葛朝I、II 回為同塔線路，在漁峽斷面多送方式下，大量潮流通過葛朝雙線流入葛-隔送出通道。若此時(shí)發(fā)生葛朝N-2故障后，在大負(fù)荷水平下，由于朝陽-孱陵電磁環(huán)網(wǎng)線路初始潮流較重，則故障后可能會(huì)導(dǎo)致220 kV線路過載，因而需要對(duì)葛朝N-2故障后經(jīng)朝陽主變穿越至220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)的潮流進(jìn)行分析。本文仍在大負(fù)荷水平下，葛-隔電源滿發(fā)2 500 MW，漁峽斷面外送5 800 MW 時(shí)，對(duì)葛-隔斷面近區(qū)進(jìn)行N-1、N-2 故障穩(wěn)定校核，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 N-2故障后系統(tǒng)穩(wěn)定情況（階段4）Table 3 System stability after N-2 failure(Phase 4)

由表3可知，由于葛軍線仍尚未增容，在發(fā)生葛雙N-2和雙玉N-2故障后，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，但是大量潮流經(jīng)葛軍線轉(zhuǎn)移，會(huì)導(dǎo)致500 kV葛軍線分別過載34%和21%。大負(fù)荷方式下，由于朝陽-孱陵地區(qū)220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)線路負(fù)載率較高，在發(fā)生葛朝N-2故障后，葛朝線部分潮流經(jīng)朝陽主變穿越至220 kV電磁環(huán)網(wǎng)，導(dǎo)致220 kV 郭樓II 線過載。因此，現(xiàn)有穩(wěn)控措施不滿足豐水期水布埡、隔河巖和高壩洲機(jī)組的發(fā)電需求，需要改進(jìn)或新增穩(wěn)控措施。

4 結(jié)論

本文仿真分析了渝鄂柔性直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程及相關(guān)交流補(bǔ)強(qiáng)工程投運(yùn)期間，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的4 種過渡階段的穩(wěn)定特性，及其對(duì)應(yīng)的近區(qū)電網(wǎng)潮流特性和清江梯級(jí)電站的外送影響。主要結(jié)論如下：

1）建議加快開展安福-江陵、宜都-興隆線路對(duì)調(diào)工程和葛軍線的增容改造工程，提升漁峽斷面極限，進(jìn)而提升水布埡、恩施水電和宜昌南地區(qū)電源的外送能力。

2）建議將朝漁改接、朝恩新建線路工程和葛雙、雙玉線路溫升改造工程盡量同期投產(chǎn)，避免漁峽外送斷面受葛雙N-1故障約束，影響豐水期水布埡、恩施水電等電源外送。

3）過渡階段1、2 建議沿用現(xiàn)有穩(wěn)控措施，則豐水期基本可滿足水布埡和隔河巖500 kV 機(jī)組的最大發(fā)電需求。過渡階段3、4 建議改造葛雙、雙玉N-2 穩(wěn)控措施，使其具備故障后切除葛-隔及漁峽電源的控制功能；建議新增葛朝N-2穩(wěn)控措施，使其具備故障后切除220 kV風(fēng)電和清江水電的控制功能，則豐水期基本可滿足水布埡、隔河巖和高壩洲最大發(fā)電需求。

本文的研究結(jié)果可有效提高鄂西交流補(bǔ)強(qiáng)工程實(shí)施過程中各階段的近區(qū)水電站外送水平，降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保證電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)同類交流補(bǔ)強(qiáng)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)有較好的參考價(jià)值。

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