柔性輸電技術(shù)在江蘇跨江輸電通道的應(yīng)用研究

汪惟源，竇飛，蔡暉，程錦閩，祁萬(wàn)春，劉柏良，付俊波

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210008；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京 210008；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

作為國(guó)家確定的唯一一個(gè)海上千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地，江蘇正持續(xù)加快推進(jìn)以海上風(fēng)電為發(fā)展特色的能源變革[1-2]。截至2019年底，江蘇海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模已超過(guò)4 230 MW，提前完成《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》3 000 MW的目標(biāo)。江蘇省發(fā)改委陸續(xù)于2018年核準(zhǔn)海上風(fēng)電項(xiàng)目7 500 MW，2019年核準(zhǔn)海上風(fēng)電8 640 MW[3-5]。

受海岸線的限制，江蘇海上風(fēng)電分布在蘇北，而負(fù)荷中心分布在江南。部分海上風(fēng)電集中接入地區(qū)風(fēng)電總裝機(jī)已超過(guò)最大負(fù)荷，裝機(jī)滲透率達(dá)119%～308%，大量電力需外送，地區(qū)220 kV外送通道輸電能力已基本用盡，需要通過(guò)更高電壓等級(jí)電網(wǎng)向更遠(yuǎn)的負(fù)荷中心進(jìn)行送電[6-8]。

目前，江蘇電網(wǎng)共有4個(gè)500 kV北電南送通道共8回500 kV線路?！笆奈濉敝星捌谶€將規(guī)劃投運(yùn)2條過(guò)江通道共4回500 kV線路，江蘇北電南送能力得到提升，基本能夠滿足已確定的新能源近40 000 MW裝機(jī)的消納需求，但已幾無(wú)裕度，這限制了蘇北新能源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)[9-10]?！笆奈濉逼陂g，由于蘇北大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)，江蘇電網(wǎng)整體呈現(xiàn)“北電南送”趨勢(shì)。屆時(shí)，冬季高峰風(fēng)電光伏等新能源大發(fā)時(shí)，“北電南送”形勢(shì)尤為嚴(yán)峻，部分過(guò)江通道潮流尤重，且均有N-1及N-2潮流過(guò)載等問(wèn)題[11-13]。

為解決北電南送斷面的輸電瓶頸，本文提出了新增交流輸電通道方案，由于江蘇過(guò)江點(diǎn)資源有限，新增過(guò)江通道將十分困難且代價(jià)巨大，工程實(shí)施困難[14]。

柔性輸電技術(shù)是增強(qiáng)輸配電系統(tǒng)可控性和靈活性、提高運(yùn)行穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的新手段，可以充分挖掘現(xiàn)有交流電網(wǎng)的潛力，避免新增輸電通道和發(fā)電設(shè)備，為解決上述問(wèn)題提供新的思路[15-17]。本文提出了應(yīng)用線間潮流控制器（IPFC）方案，通過(guò)平衡通道間的潮流分布，達(dá)到提升現(xiàn)有輸電通道的能力；提出了應(yīng)用多端柔性直流輸電方案，直接將鹽城、南通富余的風(fēng)電通過(guò)多端柔性直流網(wǎng)絡(luò)輸送到蘇州等負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)了潮流功率的靈活控制[18-19]。同時(shí)柔性交流/直流裝置可提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定水平[20]。

本文從提升供電能力、降低短路電流、經(jīng)濟(jì)性等角度，對(duì)3個(gè)方案提升跨江輸電通道的輸電能力進(jìn)行總結(jié)。

1 “十四五”過(guò)江通道潮流瓶頸分析

2025年江蘇將有6個(gè)500 kV北電南送通道分別為晉北～三汊灣四線、南京特～秋藤雙線、江都～大港雙線、泰興～斗山雙線、鳳城（大泗）～梅里雙線。實(shí)際電網(wǎng)中因電氣距離、電源負(fù)荷分布等因素，會(huì)引起通道潮流分布不均，因此為研究斷面整體能力，需進(jìn)行潮流分析，江蘇北電南送斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 江蘇北電南送斷面示意圖Fig.1 Sectional schematic diagram of power transmission from north to south in Jiangsu Province

考慮準(zhǔn)東和錫盟直流后，增加了特高壓上電源接入容量，冬季泰州～蘇州1 000 kV線路初始潮流已達(dá)到較高水平，同時(shí)由于江蘇電網(wǎng)1 000 kV和500 kV過(guò)江通道電氣距離差異較大，因此在冬季新能源大發(fā)方式下，蘇北500 kV盈余電力通過(guò)特高壓轉(zhuǎn)移能力有限，大部分通過(guò)500 kV電網(wǎng)送至蘇南受電地區(qū)。潮流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2025年潮流計(jì)算結(jié)論Table 1 Results of power flow calculation in 2025 MW

2025年冬季新能源大發(fā)方式下，采用全省煤電等備用開(kāi)機(jī)，500 kV北電南送通道出現(xiàn)過(guò)載；冬季高峰新能源大發(fā)方式下泰興～斗山N-1后潮流為4 080 MW、江都～大港N-1后潮流3 660 MW，超過(guò)穩(wěn)定限額；可通過(guò)將蘇北/蘇中開(kāi)機(jī)煤電出力壓至50%，緩解過(guò)江通道潮流輸送壓力，滿足N-1校核，2025年北電南送通道輸電能力平衡見(jiàn)表2。

表2 2025年北電南送通道輸電能力平衡Table 2 Power transmission capacity balance for north-to-south transmission channels in 2025 MW

由表2可以看出，若考慮將蘇北/蘇中開(kāi)機(jī)煤電出力壓至50%，可有效緩解過(guò)江通道潮流輸送壓力，輸電能力可滿足要求，但該方式對(duì)運(yùn)行調(diào)度靈活性會(huì)提出較高要求；在全省煤電等備用開(kāi)機(jī)方式下，利用現(xiàn)有的交流特高壓和500 kV通道將蘇北的電力送到蘇南時(shí)，在利用現(xiàn)有通道最大的輸電能力時(shí)，仍然有2 320 MW的供電缺口。

僅靠原有的交流通道難以將全部的風(fēng)電送到蘇南電網(wǎng)消納，因此考慮建設(shè)新的輸電通道，或加強(qiáng)現(xiàn)有500 kV通道輸送能力。

2 “十四五”過(guò)江通道輸電能力加強(qiáng)方案

結(jié)合蘇北地區(qū)新能源規(guī)劃、負(fù)荷發(fā)展預(yù)期以及北電南送通道輸電能力平衡表計(jì)算結(jié)果，初步考慮以下3種方案將海上風(fēng)電送出到蘇南電網(wǎng)。

2.1 增加500 kV交流過(guò)江通道送出方案

海上風(fēng)電匯集到500 kV電網(wǎng)后，如果利用原有的交流輸電通道，則不能滿足風(fēng)電大發(fā)時(shí)功率滿送，因此考慮新建設(shè)新的交流輸電通道，考慮在500 kV如東站建設(shè)雙回輸電線路、經(jīng)過(guò)特高壓GIL（gas insulated line，氣體絕緣線路）預(yù)留的管廊后，接入蘇南電網(wǎng)500 kV昭文站。該輸電通道需要經(jīng)過(guò)架空線路和電纜混合輸送，線路熱穩(wěn)限額受限于過(guò)江電纜的限制，目前500 kV交流電纜最大界面為2 500 mm2，額定電流大約2 200 A，按照0.9功率因素，單回線的熱穩(wěn)極限為1 710 MW。雙回線熱穩(wěn)極限3 420 MW。特高壓泰州-蘇州站GIL過(guò)江管廊見(jiàn)圖2。

圖2 特高壓泰州-蘇州站GIL過(guò)江管廊Fig.2 GIL channel of Taizhou-Suzhou UHV GIL Substation crossing the Yangtze river

2.2 線間潮流控制器方案

在蘇北大規(guī)模投運(yùn)后，過(guò)江通道泰興～斗山、鳳城～梅里通道潮流重載。大規(guī)模海上風(fēng)電投運(yùn)后將進(jìn)一步加重該斷面的潮流，而其他通道尚有一定裕度，引出考慮采用線間潮流控制器技術(shù)，均衡過(guò)江通道的潮流，進(jìn)一步提高斷面的輸送能力。

為減少控制難度，采用5端電壓源換流器的含并聯(lián)側(cè)IPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。一方面采用并聯(lián)側(cè)進(jìn)行直流側(cè)穩(wěn)壓，完全解放串聯(lián)側(cè)換流器，從而實(shí)現(xiàn)主輔控線路潮流的完全可控，另一方面，由于并聯(lián)側(cè)的存在可以直接對(duì)并聯(lián)側(cè)所在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓。

圖3 IPFC（有并聯(lián)測(cè)）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of IPFC（with parallel side）topology

2.3 海上風(fēng)電多端柔直送出方案

大規(guī)模的新能源如果通過(guò)交流通道送出到蘇南電網(wǎng)，勢(shì)必會(huì)擠占交流通道的資源，使得交流輸電通道的潮流更重，原有交流通道的開(kāi)機(jī)方式和規(guī)模將會(huì)進(jìn)一步受到擠壓，運(yùn)行方式安排困難，因此考慮通過(guò)柔性直流輸電技術(shù)，將電源點(diǎn)的功率通過(guò)新建的直流輸電通道直接送到負(fù)荷中心消納。采用該方案將不會(huì)給原有的交流輸電通道增加壓力，同時(shí)負(fù)荷中心有了新的饋入直流，對(duì)交流通道的依賴(lài)程度還有一定的減小，有利于電網(wǎng)運(yùn)行方式的靈活安排。通過(guò)柔直直接送到蘇州地區(qū)的負(fù)荷中心，隨著未來(lái)負(fù)荷增長(zhǎng)，有較大的電力受進(jìn)需求。因此，新增通道送端宜落點(diǎn)在蘇北沿海地區(qū)，受端宜落點(diǎn)在蘇南蘇州地區(qū)，可同時(shí)提升蘇北新能源送出能力和蘇南負(fù)荷中心受電能力。

在南通建立柔直換流站，柔直換流站的設(shè)計(jì)容量為6 000 MW，受端負(fù)荷中有蘇柔直51和蘇柔直52兩個(gè)柔直換流站，其中蘇柔直51接入500 kV石牌站常熟電廠，蘇柔直52接入升壓的500 kV昭文變電站，見(jiàn)圖4。

圖4 柔直海上風(fēng)電送出方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Topological schematic diagram of offshore wind power delivery scheme

在海上風(fēng)電沒(méi)有達(dá)到終期規(guī)模時(shí)，到2025年安排兩個(gè)柔直受端均受入功率1 500 MW。該柔直工程的建設(shè)需要新建直流通道過(guò)江，結(jié)合新能源、負(fù)荷增長(zhǎng)情況適時(shí)建設(shè)1～2回直流通道（特高壓GIL過(guò)江管廊中已預(yù)留），單回直流容量按3 000 MW考慮，可有效提升北電南送通道的適應(yīng)性。

3 加強(qiáng)方案的技術(shù)比較

3.1 對(duì)北電南送過(guò)江通道的輸電能力的影響

方案1：新建如東-昭文雙回線北電南送通道后，該通道反而成為限制北電南送輸電能力的瓶頸，該通道于風(fēng)電基地聯(lián)系緊密，導(dǎo)致風(fēng)電大發(fā)時(shí)該通道的潮流較重，而需要交流電纜通過(guò)GIL管廊使得其額定電流相比架空線路大幅下降。采用增加串抗（配合限制風(fēng)電出力）和移相器的方案，在風(fēng)電大發(fā)時(shí)仍然存在N-1后另一回線路過(guò)載的問(wèn)題，見(jiàn)表3。

表3 新建交流通道后的過(guò)江通道潮流Table 3 Across Yangtze River power flow calculation with the construction of the new AC channel MW

方案2：IPFC的容量配置考慮在泰興-斗山雙回線配置串流換流閥容量300 MVA，在大泗-江陰通道雙回線配置串聯(lián)換流閥容量120 MVA，共用并聯(lián)側(cè)容量120 MVA。IPFC換流閥的容量?jī)H960 MVA，即可將北電南送通道輸送極限提高3 700 MW以上。單位IPFC提升通道輸送能力可達(dá)到3.9，杠杠效益明顯，見(jiàn)表4。

表4 IPFC容量及效果計(jì)算Table 4 Capacity and effect calculation of IPFC MW

方案3：采用方案3構(gòu)建多端柔直的輸送方案，可以利用柔性直流輸電系統(tǒng)的靈活控制的特性，在出現(xiàn)嚴(yán)重故障后調(diào)節(jié)北電南送的功率，起到對(duì)江蘇電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化作用，這就需要柔直在正常運(yùn)行時(shí)保留一部分功率，實(shí)時(shí)緊急狀態(tài)下可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流的作用。

采用該方案對(duì)過(guò)提高江斷面輸電能力的影響可以認(rèn)為與直流建設(shè)的容量相關(guān)，即柔直設(shè)計(jì)的額定輸送容量為3 000 MW，則相應(yīng)提高斷面輸送能力為3 000 MW。

3.2 對(duì)系統(tǒng)短路電流影響

方案1：該交流通道的建成進(jìn)一步增加了短路電流，導(dǎo)致昭文變的短路電流存在超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，短路電流的控制將會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行方式的安排進(jìn)一步受限。

方案2：在短路期間，IPFC對(duì)短路電流的影響主要是串入變壓器的漏抗。而根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于500 kV的IPFC，所用的串聯(lián)變壓器漏抗折算后等同于安裝線路上增加阻抗約為2～3Ω，對(duì)系統(tǒng)短路電流有一定的抑制效果，但效果有限。

方案3：采用多端柔直的輸送方法對(duì)交流電網(wǎng)短路電流的的影響較小，在增加電網(wǎng)潮流輸送靈活性的同時(shí)又不增加短路電流。

3.3 經(jīng)濟(jì)性比較

方案1：該方案在提升過(guò)江斷面輸電能力及短路電流控制方面存在技術(shù)性缺陷，建議不予采用。

方案2：采用該方案，IPFC的容量按照計(jì)算結(jié)果，5個(gè)換流器的容量為960 MW，所需的總成本約12億元。合計(jì)估算總投資為13.87億元。

方案3：如果采用GIL過(guò)江通道的方案，新建2回500 kV GIL柔直過(guò)江線路。直流線路按照±500 kV的直流電壓等級(jí)，大約線路造價(jià)為11億元。

本期新建南通東南部柔直換流站1座，容量為3 000 MW；新建常熟柔直換流站2座，容量為3 000 MW；柔直換流站的總?cè)萘繛? 000 MW，柔直換流站的總造價(jià)為24億元，合計(jì)總投資約40億元。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了采用不同輸電技術(shù)解決江蘇大規(guī)模海上風(fēng)電匯集送出和廣泛消納問(wèn)題，對(duì)比了3種輸電方案在北電南送輸電通道間的潮流優(yōu)化應(yīng)用，得到以下基本結(jié)論：

1）采用新建500 kV如東—昭文交流通道的方案將會(huì)導(dǎo)致該新建通道的潮流加重，成為限制北電南送輸電能力新的瓶頸，該方案的可行性不足。

2）采用線間潮流控制器（IPFC）技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)大泗-梅里雙線、泰興-江陰雙線兩個(gè)通道的協(xié)調(diào)控制，可以滿足近期2025年風(fēng)電大發(fā)期間東部通道重載時(shí)的N-1問(wèn)題。隨著風(fēng)電的進(jìn)一步增加，風(fēng)電消納仍然存在問(wèn)題，可以考慮近期通過(guò)IPFC技術(shù)方案充分利用5個(gè)已有的交流通道輸電能力；遠(yuǎn)期隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量進(jìn)一步增加，將部分風(fēng)電集群打捆后通過(guò)采用多端柔直的輸送方案解決北電南送輸電通道能力不足的問(wèn)題。

3）采用海上風(fēng)電基地多端柔直送出方案，可以利用柔直的靈活輸電的特性，滿足海上風(fēng)電的送出，同時(shí)直流電纜的輸送功率大于交流電纜，理論上可輸送的風(fēng)電功率更大。多端柔直加強(qiáng)了江蘇電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時(shí)不增加系統(tǒng)短路電流，在交流系統(tǒng)嚴(yán)重故障下，柔直還可發(fā)揮其功率快速調(diào)節(jié)的特性，降低過(guò)載和電網(wǎng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

志謝

本文的研究受到國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司前期咨詢項(xiàng)目的支持，特此感謝！