雅中—江西特高壓直流消納能力分析及提升措施研究

陳 波，熊華強(qiáng)，舒 展，李升健，程思萌

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

為滿足清潔能源大規(guī)模送出、負(fù)荷中心電力可靠供應(yīng)的需求，國(guó)家電網(wǎng)公司正大力發(fā)展遠(yuǎn)距離、大容量特高壓直流輸電技術(shù)[1-2]。隨著江西社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全省用電需求不斷增長(zhǎng)，為緩解省內(nèi)電力供需矛盾，雅中—江西特高壓直流輸電工程（以下簡(jiǎn)稱雅湖直流）于2019 年9 月正式開工建設(shè)，計(jì)劃2021 年迎峰度夏前投運(yùn)。雅湖直流分高低端接入江西電網(wǎng)負(fù)荷中心，額定輸電功率800萬kW。

江西電網(wǎng)位于華中電網(wǎng)東南末端，現(xiàn)通過3 回500 kV 鄂贛聯(lián)絡(luò)線與華中主網(wǎng)相聯(lián)。雅湖直流投運(yùn)后，江西電網(wǎng)電源組成、潮流分布、穩(wěn)定特性等將發(fā)生重大變化。由于華中特高壓交流環(huán)網(wǎng)工程進(jìn)展緩慢，江西電網(wǎng)在未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將處于單直流接入格局，呈現(xiàn)明顯的“強(qiáng)直弱交”特性。一方面，在大直流功率注入方式下江西常規(guī)發(fā)電機(jī)組開機(jī)規(guī)模減少，動(dòng)態(tài)無功支撐能力削弱，系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平下降[3]；另一方面，直流換相失敗過程中會(huì)從交流系統(tǒng)吸收大量無功，進(jìn)一步加劇系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功缺額[4]，從而嚴(yán)重影響直流功率的足額消納。

為了提升弱受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平，通常在受端換流站配置大型調(diào)相機(jī)，該措施已在特高壓直流輸電工程中廣泛應(yīng)用并取得顯著效果[5]。優(yōu)化直流系統(tǒng)控制策略與控制參數(shù)，改善直流本體運(yùn)行特性，可以有效降低換相失敗風(fēng)險(xiǎn)[6]，提高交直流混聯(lián)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性。調(diào)整運(yùn)行方式，使發(fā)電機(jī)組留有一定的旋轉(zhuǎn)備用容量，也能有效提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功支撐能力[7]。在發(fā)生故障系統(tǒng)電壓持續(xù)降低時(shí)，采取直流功率速降、低壓減載等緊急控制措施[8-9]也能最大程度降低電網(wǎng)電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也會(huì)造成發(fā)電和負(fù)荷的損失。

文中從省級(jí)電網(wǎng)切實(shí)可行的操作層面出發(fā)，提出采用抽水蓄能機(jī)組空載調(diào)相和網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓優(yōu)化的提升措施，充分挖掘電網(wǎng)內(nèi)已有的動(dòng)態(tài)無功資源，改善網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)無功補(bǔ)償比例，無需增加巨額設(shè)備投資，通過預(yù)防控制手段，利用較小的調(diào)度代價(jià)來換取可觀的電壓穩(wěn)定提升收益。

1 直流消納能力計(jì)算

文中針對(duì)特高壓交流環(huán)網(wǎng)投運(yùn)前的過渡期，研究江西電網(wǎng)對(duì)直流功率的消納能力。以江西電網(wǎng)2021年目標(biāo)網(wǎng)架、電源規(guī)模和負(fù)荷水平為邊界，最大負(fù)荷2 800萬kW，平均大負(fù)荷和小負(fù)荷分別按0.75和0.43倍系統(tǒng)折算，采用50%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+50%恒定阻抗的負(fù)荷模型，考慮靜態(tài)安全和暫態(tài)穩(wěn)定兩類約束開展消納能力計(jì)算?；A(chǔ)消納能力不計(jì)調(diào)相機(jī)接入，過渡期間直流最大輸送功率為400 萬kW，2021 年目標(biāo)網(wǎng)架如圖1所示。

圖1 江西電網(wǎng)2021年目標(biāo)網(wǎng)架

1.1 靜態(tài)安全分析

雅湖直流投運(yùn)后，直流功率主要在中部地區(qū)消納，全網(wǎng)潮流特征為中部向南部、東部和西部疏散，其中南部受電較多。北部地區(qū)電力供應(yīng)基本平衡。在大負(fù)荷方式下開展靜態(tài)安全分析，分析內(nèi)容包括：

1）全省500 kV 交流線或主變N-1、同桿并架和同通道雙回線N-2潮流計(jì)算；

2）直流落點(diǎn)近區(qū)主變檢修、直流外送斷面關(guān)鍵送出線路檢修方式下N-1潮流計(jì)算；

3）直流雙極閉鎖后潮流計(jì)算。

在鄂贛聯(lián)絡(luò)線結(jié)零時(shí)，全網(wǎng)無熱穩(wěn)定問題。當(dāng)鄂贛聯(lián)絡(luò)線受電為210 萬kW，直流滿送400 萬kW 發(fā)生雙極閉鎖，直流功率缺額將轉(zhuǎn)移至鄂贛聯(lián)絡(luò)線，此時(shí)磁永線過熱穩(wěn)極限。江西電網(wǎng)交直流總受電能力為570萬kW，如圖2所示。

圖2 江西電網(wǎng)交直流受電斷面

由此可見，交直流系統(tǒng)受電通道存在耦合關(guān)系。僅考慮靜態(tài)安全約束的情況下，制約雅湖直流功率消納能力的主要因素是鄂贛聯(lián)絡(luò)線受電功率。當(dāng)鄂贛聯(lián)絡(luò)線受電小于210 萬kW，江西電網(wǎng)可以足額消納400萬kW直流功率。

1.2 暫態(tài)穩(wěn)定分析

在大負(fù)荷、平均大負(fù)荷、小負(fù)荷三種典型負(fù)荷水平下開展暫態(tài)穩(wěn)定校核，設(shè)置直流功率400萬kW，校核內(nèi)容主要包括：

1）全省500 kV 交流線、變壓器N-1 三相永久性故障掃描；

2）同桿并架和同通道雙回線N-2 三相永久性故障掃描；

3）雅湖直流單極、雙極閉鎖故障掃描。

直流輸電400 萬kW，鄂贛斷面結(jié)零，直流單、雙極閉鎖無暫態(tài)穩(wěn)定問題，而交流系統(tǒng)三永故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，失穩(wěn)故障集如表1 所示。由此可見，直流接入后江西電網(wǎng)交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致的電壓穩(wěn)定問題將成為直流功率消納的主要瓶頸。

表1 暫態(tài)電壓失穩(wěn)故障集

1.3 調(diào)相機(jī)接入敏感性分析

南昌換流站兩臺(tái)同步調(diào)相機(jī)分別通過升壓變接入高、低端場(chǎng)的500 kV 交流母線。高、低端場(chǎng)同步建設(shè)，同期投運(yùn)，將分段開關(guān)合環(huán)運(yùn)行，則單直流接入的過渡期間，兩臺(tái)調(diào)相機(jī)具備并列運(yùn)行條件。以電壓穩(wěn)定問題最為突出的小負(fù)荷方式為例，在接入一臺(tái)或兩臺(tái)調(diào)相機(jī)的情況下，直流消納能力如表2所示。不難看出，兩臺(tái)調(diào)相機(jī)對(duì)直流消納能力的提升效果比較明顯，但是在發(fā)生N-2 嚴(yán)重故障時(shí)還是無法保障直流400萬kW功率足額消納。

表2 調(diào)相機(jī)對(duì)直流消納能力的影響

2 電壓穩(wěn)定影響因素分析

2.1 直流因素

雅湖直流接入是導(dǎo)致江西電網(wǎng)產(chǎn)生電壓穩(wěn)定問題的直接誘因，其從有功和無功兩個(gè)方面對(duì)受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定特性產(chǎn)生不利影響。有功方面，直流接入后替代了部分常規(guī)機(jī)組，使系統(tǒng)失去了這部分動(dòng)態(tài)無功電源，在省間交流聯(lián)絡(luò)線功率一定的情況下，直流輸送功率越多，則系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)機(jī)組開機(jī)數(shù)量越少；無功方面，特高壓直流換流站配置了大量濾波電容進(jìn)行無功補(bǔ)償，電容器的無功補(bǔ)償量會(huì)隨著母線電壓的急劇跌落而大量減少，交流故障擾動(dòng)期間整個(gè)換流站需要從交流系統(tǒng)吸收大量無功功率，不利于受端電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)。如果沒有足夠的動(dòng)態(tài)無功支撐，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓恢復(fù)緩慢，直流配套的濾波電容無功補(bǔ)償功率缺額將一直存在，直流會(huì)持續(xù)從交流系統(tǒng)吸收無功功率，從而造成系統(tǒng)電壓難以恢復(fù)甚至崩潰。

2.2 負(fù)荷因素

PSASP 中的負(fù)荷由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和恒定阻抗元件構(gòu)成。其中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)端電壓的平方成正比，交流系統(tǒng)電壓跌落將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩急劇減小，由于負(fù)荷機(jī)械轉(zhuǎn)矩不變，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將持續(xù)下降，轉(zhuǎn)差率逐漸增大，負(fù)荷電流也將逐漸增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子漏抗吸收的無功隨之增大，從而加劇系統(tǒng)的無功缺額，不利于電壓的恢復(fù)[10]。而恒定阻抗負(fù)荷中的無功部分與電壓的平方成正比，故障后吸收的無功功率隨電壓的跌落顯著降低，會(huì)減少對(duì)交流系統(tǒng)的無功需求，有利于電壓的恢復(fù)。因此，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷占比越高，對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定越不利。

2.3 穩(wěn)態(tài)調(diào)壓因素

受端交流電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定水平與網(wǎng)側(cè)和源側(cè)穩(wěn)態(tài)無功補(bǔ)償比例直接相關(guān)[11]。網(wǎng)側(cè)無功補(bǔ)償資源主要包括變電站低容低抗、直流換流站濾波電容等，源側(cè)無功補(bǔ)償資源主要包括常規(guī)發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)等。如圖3 所示，由電容器和發(fā)電機(jī)組的無功電壓動(dòng)態(tài)特性可知，當(dāng)交流系統(tǒng)故障引起母線電壓急劇跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)電容器組暫態(tài)無功輸出下降，源側(cè)發(fā)電機(jī)或調(diào)相機(jī)暫態(tài)無功輸出上升，如果穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電容器組無功補(bǔ)償占比大，則故障時(shí)系統(tǒng)無功缺額更大，不利于電壓恢復(fù)；若發(fā)電機(jī)或調(diào)相機(jī)無功補(bǔ)償占比大，則故障時(shí)能夠提供的無功支撐更多，有利于電壓恢復(fù)。

圖3 發(fā)電機(jī)與電容器的動(dòng)態(tài)無功輸出特性

3 消納能力提升措施

上文從源、網(wǎng)、荷幾方面分析了江西電網(wǎng)對(duì)雅湖直流功率消納能力的影響。對(duì)于省級(jí)電網(wǎng)公司而言，直流輸送功率大小、直流控制策略及參數(shù)整定等屬于外部不可控因素；負(fù)荷構(gòu)成及占比屬于客觀現(xiàn)實(shí)因素，只能作為消納能力計(jì)算條件；而增加動(dòng)態(tài)無功電源或者調(diào)整系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無功調(diào)壓方式等手段具備實(shí)施條件，以達(dá)到增強(qiáng)動(dòng)態(tài)無功支撐水平，提升直流功率消納能力的目的。下文將以電壓穩(wěn)定問題突出的小負(fù)荷方式為計(jì)算背景，分析不同措施的提升效果。

3.1 洪屏抽蓄機(jī)組空載調(diào)相運(yùn)行

抽水蓄能機(jī)組具備四象限運(yùn)行能力，可以實(shí)現(xiàn)無功出力的快速響應(yīng)，且空載調(diào)相運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)組損耗小，全部損耗只占其額定容量的1.5%～2.5%[12]，是參與系統(tǒng)電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的優(yōu)質(zhì)資源。江西洪屏抽水蓄能電站2016 年建成投運(yùn)，裝機(jī)容量4×300 MW，通過500 kV 夢(mèng)屏線接入夢(mèng)山變。上文在計(jì)算直流功率消納能力時(shí)，抽蓄機(jī)組均處于停運(yùn)狀態(tài)，如果將其運(yùn)行在空載調(diào)相工況下，相當(dāng)于直接增加了省內(nèi)的動(dòng)態(tài)無功電源數(shù)量，在故障引起電壓跌落時(shí)能夠提供更多的動(dòng)態(tài)無功支撐，與同步調(diào)相機(jī)的作用類似。

洪屏抽蓄機(jī)組空載調(diào)相運(yùn)行的臺(tái)數(shù)不同，則對(duì)直流消納能力的提升效果也不相同。在小負(fù)荷水平下，不考慮同步調(diào)相機(jī)接入，不同臺(tái)數(shù)機(jī)組空載調(diào)相運(yùn)行對(duì)直流功率消納能力的提升效果如表3所示。

表3 抽蓄機(jī)組調(diào)相運(yùn)行對(duì)直流消納能力的影響

由表3 可知，抽蓄機(jī)組調(diào)相運(yùn)行對(duì)于提升直流消納能力能夠起到一定的效果，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí)，考慮N-1 制約直流消納能力可提升至140 萬kW，相當(dāng)于一臺(tái)同步調(diào)相機(jī)的效果；但隨著機(jī)組調(diào)相運(yùn)行臺(tái)數(shù)的增加，提升收益逐漸減小，四臺(tái)機(jī)組調(diào)相運(yùn)行直流消納能力最多提升至160 萬kW。

抽蓄機(jī)組的動(dòng)態(tài)無功支撐能力與機(jī)組本體設(shè)計(jì)參數(shù)、勵(lì)磁控制系統(tǒng)、電網(wǎng)接入位置密切相關(guān)，由于抽蓄機(jī)組暫態(tài)、次暫態(tài)電抗相比同步調(diào)相機(jī)較大，且洪屏抽蓄電站離南昌換流站電氣距離較遠(yuǎn)，因此抽蓄機(jī)組調(diào)相運(yùn)行的難以達(dá)到同步調(diào)相機(jī)的提升效果。發(fā)生交流故障時(shí)，抽蓄機(jī)組與同步調(diào)相機(jī)的動(dòng)態(tài)無功特性曲線如圖4所示。

圖4 調(diào)相機(jī)與抽蓄機(jī)組的動(dòng)態(tài)無功輸出曲線

3.2 改善網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓方式

由同步發(fā)電機(jī)和電容器/電抗器的動(dòng)態(tài)無功輸出特性可知，當(dāng)交流系統(tǒng)故障引起母線電壓急劇跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)暫態(tài)無功輸出上升，電容器暫態(tài)無功輸出下降，電抗器暫態(tài)無功損耗下降。因此，對(duì)于發(fā)電廠和500 kV 變電站來說，發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)無功補(bǔ)償越多，電容器無功補(bǔ)償越少，電抗器投入組數(shù)越多的情況下，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性越好。文中通過改變500 kV 變電站低容抵抗投切方式，分析網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓對(duì)直流消納能力的影響。

直流輸電功率100 萬kW，江西電網(wǎng)500 kV 母線電壓普遍在525 kV 左右時(shí)，500 kV 變電站低容抵抗投切方式如表4 中的方式1 所示（表中“|”右側(cè)數(shù)值為低容抵抗配置組數(shù)，左側(cè)數(shù)值為低容抵抗投入組數(shù)）。表中方式2在方式1基礎(chǔ)上減少1組低容、增加9組低抗；方式3 在方式2 基礎(chǔ)上增加5 組低抗。三種方式下低容抵抗投切方式相同的500 kV 變電站不在表4中列出。

表4 江西電網(wǎng)部分500 kV變電站低容低抗投切情況

上述三種方式下，江西電網(wǎng)500 kV 母線電壓和機(jī)組穩(wěn)態(tài)無功出力分別如圖5、圖6所示。

圖5 三種方式下廠站500 kV母線電壓對(duì)比

圖6 三種方式下發(fā)電機(jī)初始無功出力對(duì)比

由圖5、圖6 可知，方式1 系統(tǒng)電壓水平最高，方式2系統(tǒng)電壓水平次之，方式3系統(tǒng)電壓水平最低，發(fā)電機(jī)初始無功出力則相反。

直流輸電100 萬kW，咸夢(mèng)I 線夢(mèng)側(cè)發(fā)生三永故障，南昌站500 kV母線電壓和新昌電廠1號(hào)機(jī)組無功功率分別如圖7、圖8 所示。由圖7 可知，相同故障情況下，方式1 電壓失穩(wěn)，方式2和方式3 均能保持電壓穩(wěn)定，且方式3 下系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度更快，穩(wěn)定性更好。

圖7 三種方式下南昌站500 kV母線電壓對(duì)比

圖8 三種方式下新昌1號(hào)機(jī)組無功出力對(duì)比

上述三種方式系統(tǒng)均穩(wěn)定在各自的無功電壓平衡點(diǎn)下，電抗投入越多，可以理解為恒定阻抗的無功負(fù)荷比重越大，在電壓跌落時(shí)系統(tǒng)無功缺額會(huì)更少，而由此增加的無功負(fù)荷由發(fā)電機(jī)增發(fā)穩(wěn)態(tài)無功來補(bǔ)償，不會(huì)像電容器惡化暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平，從而更有利于系統(tǒng)電壓恢復(fù)。

上述三種500 kV 變電站低容低抗投切方式下，不考慮同步調(diào)相機(jī)接入，江西電網(wǎng)對(duì)雅湖直流功率的消納能力如表5所示。

表5 網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓方式對(duì)直流消納能力的影響

由表5 可知，僅通過改變網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓方式對(duì)于提升直流消納能力能起到一定效果，但對(duì)N-2故障很難提供足夠的動(dòng)態(tài)無功支撐。

3.3 組合措施

同步調(diào)相機(jī)作為特高壓直流配套工程，其作用至關(guān)重要，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)該保證至少有一臺(tái)調(diào)相機(jī)接入。由表3可知，小負(fù)荷方式下一臺(tái)調(diào)相機(jī)接入時(shí)發(fā)生N-1故障或兩臺(tái)調(diào)相機(jī)接入時(shí)發(fā)生N-2故障，均不能保證400萬kW直流功率足額消納。若在投運(yùn)調(diào)相機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采取洪屏抽蓄機(jī)組空載調(diào)相運(yùn)行或網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓優(yōu)化，直流消納能力的提升效果如表6所示。

表6 組合措施對(duì)直流消納能力的影響

不難看出，將上述提升措施與調(diào)相機(jī)組合使用，可以起到更好的提升效果。雅湖直流輸電400萬kW，在兩臺(tái)調(diào)相機(jī)投運(yùn)的情況下，配合兩臺(tái)抽蓄機(jī)組空載調(diào)相或者網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓優(yōu)化，消納能力不受N-2故障制約；即使只有一臺(tái)調(diào)相機(jī)投運(yùn)，相同的組合措施下，消納能力也能不受N-1故障制約。

4 結(jié)語

1）江西電網(wǎng)對(duì)雅湖直流功率的消納能力主要受電壓穩(wěn)定制約。全網(wǎng)負(fù)荷水平越高，省內(nèi)開機(jī)數(shù)量越多，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性越好。直流輸電400萬kW，大負(fù)荷方式下無電壓穩(wěn)定問題；平均大負(fù)荷方式下存在N-2 故障失穩(wěn)；小負(fù)荷方式下電壓穩(wěn)定裕度進(jìn)一步降低，會(huì)出現(xiàn)N-1失穩(wěn)問題。

2）同步調(diào)相機(jī)對(duì)于提升直流消納能力效果明顯，宜作為主要提升措施；洪屏抽蓄機(jī)組空載調(diào)相運(yùn)行、網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓優(yōu)化等手段也能起到一定的提升作用，宜作為輔助提升措施。主輔措施組合使用能起到更好的提升效果，兩臺(tái)調(diào)相機(jī)接入時(shí)能夠有效應(yīng)對(duì)N-2嚴(yán)重故障風(fēng)險(xiǎn)，保障400萬kW直流功率足額消納。

3）在電壓穩(wěn)定裕度相對(duì)低的峰值負(fù)荷時(shí)段，如果洪屏抽蓄機(jī)組處于閑置狀態(tài)，建議調(diào)度部門指揮電廠開出至少2 臺(tái)抽蓄機(jī)組使其處于空載調(diào)相運(yùn)行狀態(tài)，增加江西電網(wǎng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)無功電源支撐點(diǎn)，提升電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平。

4）網(wǎng)源穩(wěn)態(tài)調(diào)壓優(yōu)化只需調(diào)整運(yùn)行方式，無需新增硬件投資成本，后續(xù)將進(jìn)一步開展江西電網(wǎng)AVC系統(tǒng)調(diào)壓策略優(yōu)化研究，在合理范圍內(nèi)優(yōu)先使用發(fā)電機(jī)無功補(bǔ)償容量，并努力實(shí)現(xiàn)提升措施的落地應(yīng)用。

5）負(fù)荷模型會(huì)直接影響暫穩(wěn)計(jì)算結(jié)果，建議加快開展江西電網(wǎng)負(fù)荷特性普查與建模工作，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估直流消納能力及提升措施研究十分重要。