云南電網與南方電網純直流聯網及外送方案研究

吳琛,鄭楊斌,李玲芳,張玉瓊

(1.云南電力調度控制中心,昆明 650011；2.南京南瑞繼保電氣有限公司,南京 211102)

云南電網與南方電網純直流聯網及外送方案研究

吳琛1,鄭楊斌2,李玲芳1,張玉瓊1

(1.云南電力調度控制中心,昆明 650011；2.南京南瑞繼保電氣有限公司,南京 211102)

云南電網2013年除已有楚穗直流外、溪洛渡直流、糯扎渡直流陸續投運,屆時將形成多回直流同時運行,同時形成交強直弱的模式交直流混合運行模式。在研究云南多回交直流混聯電網送出存在的問題基礎上,提出了云南與外網純直流聯網的構想,并通過直流聯網和交直混合聯網的對比分析計算,討論了直流聯網的可行性。

交直流系統；穩定分析

1 前言

云南省水電資源極其豐富,是重要的電力送出大省。至2012年底,云南電網西電東送通道由±800 kV云廣直流特高壓工程、4回500 kV交流線路和2回220 kV交流線路組成,送電能力超過950萬千瓦。2013年±800 kV糯扎渡直流工程 (5000 MW)、±500 kV溪洛渡雙回直流工程 (6400 MW)將陸續投入運行,云南電網將有多回直流同時并列運行。云南電網多回直流同時運行后,電網的穩定特性也將發生較大的改變。從宏觀層面上來說,云南電網與南網主網的聯網由交直流送電能力基本相當,變為 “強直弱交”的特性。這種變化出現后,交直流之間的相互影響、直流之間的相互影響問題就變得更為突出[1-4]。

對潮流的控制能力差是當今高壓交流輸電系統的主要問題之一,可能使得輸電網絡建成后難以適應發電或用電負荷變化引起的新的系統條件。缺乏快速的潮流控制能力要求運行設備留有足夠的備用容量,以保證系統的穩定可靠運行,制約輸電系統的潛在能力得不到充分利用。

直流輸電線路由于對輸電電流的快速調節能力,使得電網發生故障時可以很好的保證設備的安全,線路導線的輸送電流密度可以大大提高,提升輸電能力。

利用直流輸電技術交流輸電線路進行改造有以下一些優點[5-7]：

1)提高線路輸送能力效果明顯；

2)不存在系統穩定問題；

3)可以限制短路電流；

4)利用直流輸電的快速控制能力,全面地提升系統的安全穩定性,增強系統的阻尼以抑制系統振蕩,改善系統的動態穩定性；

5)通過適當的無功功率調節穩定運行電壓及故障后恢復電壓提高電網電壓的控制能力；

6)提高交流輸電線路的可控性,尤其是對電磁環網潮流的調控能力,從而可充分發揮輸電通道的送電能力,減少過載、窩電現象,降低網損。

以下在研究云南多回交直流混聯電網送出存在的問題基礎上,提出云南電網通過純直流與外網聯網的構想。首先分析了交流聯網改為直流聯網的可行性,其次對說云南電網直流聯網進行了穩定性分析,結合云南電網現有500 kV外送交流輸電線路的實際情況,在理論層面上對現有的云南500 kV實際外送交流輸電線路進行直流改造,建立了直流線路及控制系統模型,構建了云南電網與外網純直流聯網后的網架結構。從系統直流閉鎖和交流線路N-2故障、小干擾分析、短路電流的角度對云南直流聯網和交直流混合聯網兩種方式進行了對比分析,探討了直流聯網的可行性。

2 交流輸電線路改直流的可行性

采用直流輸電技術對高壓交流線路進行改造[7-9]國內外目前的研究提出的技術方案有三極直流輸電方式和傳統雙極直流輸電方式。采用傳統雙極直流輸電方式對高壓交流線路進行改造技術上是成熟的,國際上也有成功改造的先例。改造后輸送功率卻可增至原來線路的約2～3.5倍同時可以降低單位損耗,線路改造工程量很小,費用僅需新建線路的一小部分,其主要工程是建設兩端換流站。

以下主要對采用傳統雙極直流輸電的改造方案進行論述。

1)單回交流線路改造成單極大地返回的直流輸電線路的方案示意圖,原有的三相導線連接在一起組成單極。

圖1 單回交流線路改造成單極大地返回的直流輸電線路

采用單極大地返回的直流輸電方式,直流電壓至少可以取原交流線路相對地電壓的峰值甚至更高,如取400 kV。出現在直流線路上的操作過電壓小于1.7 p.u.,比交流線路小得多,因而提高了線路運行的可靠性。而且同樣電壓等級情況下輸電能力也會得到顯著的提升。

2)單回交流線路改造成雙極直流輸電線路的方案示意圖,原有的三相導線分別作為正極、金屬回線、負極。

圖2 單回交流線路改造成雙極直流輸電線路

此方案不需要專門的接地極,而利用一相導線作為回線；雙極可以平衡運行,也可以獨立運行。

由于導線截面保持不變,可以通過提高導線的輸送電流密度,提高線路輸送能力。

此方案中出現在直流線路上的操作過電壓小于1.7 p.u.,比交流線路小得多,因而提高了線路運行的可靠性。另外,雙極直流改造方案具有更高的可靠性。而且同樣電壓等級情況下,直流輸電能力相比交流線路有所提高。

3)雙回交流線路改造成雙極直流線路的方案示意圖。

如果每回的三相導線連接在一起組成一極,用新的直流橫擔代替原來三相交流線路橫擔,從而有較大的空間間隙為直流的升壓提供有利的條件。

出現在直流線路上的操作過電壓小于1.7 p.u.,比交流線路小得多,因而提高了線路運行的可靠性。

以上幾個方案,改造直流線路對原來線路的導線都不需要更換,塔身和塔基可保持不變,無需增加中間塔,僅需對塔頭橫擔、絕緣子、金具和導線布置等進行改造,線路工程較小。

從控制潮流、提高輸電容量的角度,將交流線路改造為直流輸電是最有效的手段,并且除了大幅度的提高輸送容量外,還有許多其它方面的優點。

3 系統建模及分析

3.1 網架結構

結合云南電網現有500 kV外送交流輸電線路的實際情況,在理論層面上對現有的云南500 kV實際外送交流輸電線路進行直流改造,建立直流線路及控制系統模型,構建云南電網與外網純直流聯網后的網架結構。

在2015年豐大運行方式上,將羅平-百色500 kV雙線改造為直流輸電線路 (或者采用直流背靠背的方式),將羅平-馬窩、硯山-崇左500 kV線路斷開,調整潮流,生成云南電網與外網純直流聯網后的電網運行方式,如下圖所示。

從表1可以看出,純直流聯網方式與交直流混聯方式下云南電網內部主要斷面的潮流基本相同,可以用于穩定計算對比分析。

圖4 2015云南直流聯網外送通道

圖5 2015云南交直流混合聯網外送通道

表1 兩種方式斷面潮流對比表

3.2 直流閉鎖故障穩定計算及對比分析

分別對云南純直流聯網方式下發生楚穗直流雙極閉鎖、糯扎渡直流雙極閉鎖、溪洛渡直流雙極、四極閉鎖故障進行仿真計算,計算結果如表2所示：

表2 云南純直流聯網下直流閉鎖故障

云南交直流混聯網式下發生上述故障,計算結果如表3所示：

表3 云南交直混合流聯網下直流閉鎖故障

由以上對比可以看出：交直流混合聯網方式下,發生直流雙極閉鎖故障時,過剩功率部分可通過云南送出的交流通道轉移出去,其穩定問題主要為功角失穩問題。直流聯網方式下,考慮到云南電網與南網僅通過直流聯網,無其他的交流送電通道,且接入直流送端換流站的均為配置外送的電源,直流閉鎖后外送電源無其他通道送出,需采取措施解決高頻問題。

3.3 交流N-2故障穩定計算及對比

對云南500 kV線路進行N-2故障仿真計算,結果匯總如表4所示：

表4 云南500kV線路N-2穩定計算結果

由表4對比結果可以看出：在純直流方式中,云南電網和南網無交流聯系,發生交流線路N-2故障出現暫態穩定問題,采取穩控切機措施產生功率缺額時,外網無法對提供補償調節,僅能通過網內其它機組調頻來補償。滇西北地區發生交流線路N-2故障產生功角穩定問題時,同樣的斷面條件下,直流聯網方式切機量比交直流混聯方式要小。

3.4 純直流聯網方式下小干擾穩定分析

兩種方式下相似振蕩頻率和阻尼比的模式對比見表5。

表5 純直流聯網下小干擾穩定計算結果

從對比結果可以看出：兩種方式下省區內振蕩模式,多數和怒江機組有關。最小阻尼比的振蕩模式均為頻率為0.7 Hz左右的模式,阻尼比為0.05。最大阻尼比的振蕩模式均為頻率為0.6Hz的振蕩模式。直流聯網方式下,因云南和外網無交流聯網通道,因此振蕩模式均為省內機群間振蕩。混合聯網方式下存在和云南相關的省區間振蕩模式,即廣西對云南、廣東對云南兩種模式。兩種方式下主要相似頻率振蕩模式下,阻尼無明顯差別。

3.5 純直流聯網方式下短路電流計算分析

對2015年豐大交直流混聯運行方式和純直流聯網方式進行短路電流計算和對比分析。

1)云南電網各節點三相短路電流計算對比分析：分析2015年豐大交直流混聯運行方式和純直流聯網方式下云南電網各節點三相短路電流,列出電流差最大的10個節點,按降序排列,結果如表6所示：

表6 純直流聯網方式下電流差最大的前10個節點短路電流計算結果

從表6對比結果可以看出,純直流聯網方式下,云南和廣西無交流聯系,云南地區發生短路時,南網不會貢獻短路電流,尤其是和廣西聯系密切的滇東地區,短路電流降低明顯。

2)天生橋地區各節點三相短路電流計算對比分析：分別對2015年豐大交直流混聯運行方式和純直流聯網方式計算天生橋地區以及直流方式下羅平直流換流站兩端短路電流,結果如表7所示：

表7 兩種聯網方式及羅平短路電流計算結果

從以上短路電流計算對比分析可以看出,兩種聯網方式下,云南內部的短路電流對比最明顯：純直流聯網方式下的短路電流明顯小于交直流混合聯網方式,尤其是羅平附近地區,其中羅平的短路電流差達到16 kA。

4 結束語

本文以2015年為研究水平年,通過對比分析云南直流聯網和交直流混合聯網方案,總結如下：

1)交流輸電網改成直流輸電網在技術上是可行的,而且可以提高輸電能力,降低傳輸損耗。

2)2015年云南電網交直流混聯電網中發生直流閉鎖主要是要功角穩定問題,改為直流聯網時,主要問題變為高頻問題。

3)對于交流線路N-2故障,直流聯網模式下,滇西北地區切機量小于交直流混合聯網模式。

4)直流聯網方式下,小干擾分析,均為省區內部震蕩模式,混合聯網方式下含云南與相鄰省之間震蕩模式。

5)短路電力結果顯示,在直流聯網方式下,滇東地區短路電流和混合聯網方式比,明顯下降。

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The Preliminary Reseach on the Possibility of Yunan Power System Interconnection by DC Transmission System

WU Chen1,ZHENG Yangbin2,LI Lingfang1,ZHANG Yuqiong1

(1.Yunnan Power Dispatching Control Center,Kunming 650011；2.Nanjing NR Electric Co.,Ltd.,Nanjing 211102)

In Yunnan power system,the xiluodu DC system and nuozhadu ultral DC transimission system is going to be on operated, in addition with the chusui ultral DC transimission system.At that time,there will be multi-DC system being operated at the same time.Strong DC system and weak AC system situation will be formed.It is a new challenge for the dispatch and operation of yunnan power system.This paper propose a DC transmission connected with external system mode,based on the AC-DC hybrid power system transmission problem.The possibility of interconnection with external system by DC transmission system is discussed through the comparison between DC system interconnection and AC-DC hybrid interconnection.

AC/DC hybrid system；stability analyze

TM73

B

1006-7345(2014)02-0015-05

2013-11-26

吳琛 (1974),女,碩士,高級工程師,云南電力調度控制中心,從事電網調度運行及管理工作 (e-mail)elfwu@21cn.com。