渝鄂柔性直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程對湖北電網(wǎng)運行特性的影響

蔡德福，周鯤鵬，董 航，劉海光，曹 侃

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

自1990年基于電壓源換流器的高壓直流輸電概念首次提出以來，受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。該輸電技術(shù)以電壓源換流器、自關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)，具有有功和無功功率可獨立控制、運行控制方式靈活多變、無換相失敗風(fēng)險、不存在無功補償問題、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、換流站間無需通信、易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)及占地面積較少等優(yōu)勢，可應(yīng)用于相同或不同額定頻率交流系統(tǒng)的互聯(lián)、可再生能源接入、城市負荷中心供電、向偏遠地區(qū)或孤島供電等領(lǐng)域[1]。

國際大電網(wǎng)會議和美國電氣與電子工程師協(xié)會于2004年將其正式命名為“VSC-HVDC”（voltage source converter based high voltage direct current），ABB、Siemens和Alstom公司則將該輸電技術(shù)分別命名為 HVDC Light、HVDC Plus和 HVDC MaxSine，在中國通常稱之為柔性直流輸電（HVDC Flexible）[2]。具有代表性的柔性直流輸電工程包括[3-5]：1997年第一個VSC-HVDC的工業(yè)試驗工程—Hellsjon工程投入運行，2010年采用模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）的±200 kV/400 MW Trans?bay工程投入運行，2011年我國首個MMC示范工程±30 kV/20 MW上海南匯工程投入運行，2014年世界首個五端±200 kV/1 000 MW舟山MMC-HVDC工程投運。柔性直流輸電技術(shù)是構(gòu)建靈活、堅強、高效電網(wǎng)和充分利用可再生能源的有效途徑，代表著直流輸電的未來發(fā)展方向，已成為新一代智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。

國家電網(wǎng)公司規(guī)劃于2018年建成投運渝鄂柔性直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程（簡稱柔直工程）。該工程是國內(nèi)第一個采用500 kV柔性直流聯(lián)網(wǎng)的工程，總輸送功率為5 000 MW，是目前世界范圍內(nèi)電壓等級最高、輸送容量最大的柔性直流工程。目前重慶電網(wǎng)與湖北電網(wǎng)通過4回500 kV交流線（500 kV九盤至龍泉I、II回線路，500 kV張家壩至恩施I、II回線路）聯(lián)絡(luò)，夏季豐水期一般為重慶往湖北輸送約2 800 MW電力。柔直工程投運后，湖北電網(wǎng)將受進5 000 MW電力，湖北電網(wǎng)西電東送通道潮流加重，將加重三峽近區(qū)潮流疏散壓力；此外湖北電網(wǎng)與重慶電網(wǎng)由同步聯(lián)絡(luò)變?yōu)楫惒铰?lián)絡(luò)，弱化了湖北電網(wǎng)與外部電網(wǎng)的電氣聯(lián)系，且華中東四省的轉(zhuǎn)動慣量下降。該工程投運將對湖北電網(wǎng)的潮流和穩(wěn)定特性等產(chǎn)生較大影響。研究該工程對湖北電網(wǎng)運行特性的影響，保證湖北電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要實際意義。

本文在介紹柔直工程的基本情況基礎(chǔ)上，詳細分析柔直工程投運對湖北電網(wǎng)的潮流、短路電流、暫態(tài)穩(wěn)定和頻率特性的影響。

1 工程基本情況

為實現(xiàn)四川季節(jié)性水電的合理消納，節(jié)省火電燃煤費用，充分發(fā)揮聯(lián)絡(luò)線輸電能力，優(yōu)化交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)運行可控性，降低電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行風(fēng)險，有必要實施西南電網(wǎng)與華中東四省（包括湖北、河南、湖南、江西）電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)。柔直工程的建設(shè)可以構(gòu)建覆蓋四川、重慶、西藏負荷中心和水電基地的西南送端同步電網(wǎng)，實現(xiàn)西南電網(wǎng)與華中東四省電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)，如圖1所示，還可以降低三峽近區(qū)電網(wǎng)短路電流水平。

圖1 西南電網(wǎng)與華中東四省電網(wǎng)互聯(lián)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the interconnection between southwest power grid and east four provinces power grid

該工程的換流單元采用對稱單極接線，每站2個換流單元，每個換流單元1 250 MW，直流電壓為±420 kV，均為世界第一。柔性直流換流閥采用半橋式模塊化多電平方案，水冷方式，閥塔落地支持式安裝，該工程基本情況如下。

1）北通道換流站（龍泉站站址）新建工程

北通道換流站（龍泉站站址）位于宜昌市夷陵區(qū)龍泉鎮(zhèn)香煙寺村龍泉換流站西南側(cè)。本期建設(shè)2個1 250 MW柔性直流背靠背換流單元，本期背靠背總規(guī)模為2 500 MW。

2）南通道換流站（杉樹園站址）新建工程

南通道換流站（杉樹園站址）位于恩施州咸豐縣高樂山鎮(zhèn)杉樹園村。本期建設(shè)2個1 250 MW柔性直流背靠背換流單元，本期背靠背總規(guī)模為2 500 MW。

3）配套交流500 kV線路工程

(1）將500 kV九盤至龍泉I、II回線路π進擬建的北通道換流站（龍泉站站址），新建單回線路4.5 km。

(2）將500 kV張家壩至恩施I、II回線路π進擬建的南通道換流站（杉樹園站址），新建同塔雙回線路10.4 km。

2 工程投運對湖北電網(wǎng)運行特性影響

2.1 潮流

從豐大、豐小、枯大、枯小等四種典型方式分析柔直工程對湖北500 kV電網(wǎng)潮流分布的影響。

2018年夏季豐水期運行方式下，湖北電網(wǎng)受進西南電網(wǎng)電力由原來的2 800 MW增加到5 000 MW，湖北500 kV電網(wǎng)潮流仍呈現(xiàn)西電東送、三峽水電東、南、北三方向的輸送格局，其中西電東送通道的潮流輸送壓力增大，三峽近區(qū)潮流疏散難度增大。冬季枯水期運行方式下，湖北將向西南電網(wǎng)輸送3 000 MW電力，可減輕湖北省內(nèi)西電東送通道的潮流輸送壓力。

2018年豐大方式，在通過柔直工程受進5 000 MW電力的情況下，500 kV龍斗三回線路輸送電力約5 260 MW，越限情況嚴重；500 kV恩漁三回線路輸送電力約3 030 MW，越限情況嚴重；同時500 kV漁興三回線路輸送電力約4 450 MW、500 kV興咸三回線路輸送電力約4 600 MW，較柔直工程投產(chǎn)前均有顯著增加，斷面潮流難以控制。受500 kV龍斗線輸送功率增加以及鄂西北地區(qū)規(guī)劃大型電源相繼投產(chǎn)的影響，豐大方式下500 kV斗孝/斗山斷面輸送潮流已達2 890 MW，超2 800 MW控制限額。

2018年豐小方式，500 kV龍斗、斗樊、斗孝/斗山斷面輸送潮流較豐大方式略有提升，其中500 kV龍斗斷面輸電功率為5 260 MW、500 kV斗孝/斗山斷面輸電功率為2 990 MW。豐小方式因500 kV恩施變上網(wǎng)功率進一步增加，500 kV恩漁三回線路輸送功率增至約3 500 MW，同時500 kV漁興三回線路輸送電力約4 950 MW，500 kV興咸三回線路輸送電力約5 160 MW，斷面越限情況嚴重。應(yīng)結(jié)合規(guī)劃的500 kV恩施東變電站，新增鄂西南至鄂東的水電輸電通道，以減輕三峽近區(qū)的潮流疏散壓力。

2018年枯大方式，在通過柔直工程送出3 000 MW電力的情況下，湖北電網(wǎng)西電東送斷面潮流較輕，其中500 kV斗孝/斗山斷面輸電功率約2 400 MW、500 kV興咸斷面輸電功率為1 120 MW；500 kV龍斗斷面、恩漁斷面潮流與豐水期反向，分別為斗笠送龍泉250 MW、漁峽送恩施2 040 MW。

2018年枯小方式，湖北電網(wǎng)西電東送斷面潮流、鄂東環(huán)網(wǎng)北電南送斷面潮流均維持在較低水平，但若考慮湖南向湖北反送約1 700 MW電力，則存在500 kV江桃線故障、江興線易過載的問題，需適當(dāng)增加水布埡、江坪河電站出力，并控制湖南反送湖北功率。

2.2 短路電流

柔直工程投運后湖北各500 kV變電站500 kV母線短路電流均有不同程度的降低。表1列舉了部分500 kV母線在柔直工程投運前后的短路電流。柔直工程投運使得湖北500 kV電網(wǎng)共有8個500 kV母線短路電流降低超過1 kA。湖北各500 kV變電站500 kV母線短路電流平均下降1.29 kA，鄂西片區(qū)（興隆、雙河、斗笠以西）各500 kV變電站500 kV母線短路電流平均下降2.17 kA，鄂東片區(qū)（咸寧、仙女山、孝感以東）各500 kV變電站500 kV母線短路電流平均下降0.18 kA，三峽近區(qū)（龍泉、斗笠、荊門、團林、江陵、仙桃、興隆、安福、葛換、宜都、漁峽、孱陵）各500 kV變電站500 kV母線短路電流平均下降2.47 kA。

柔直工程投運后，湖北各220 kV母線短路電流均有不同程度的降低，全省各220 kV母線短路電流平均下降0.25 kA。由此可見，柔直工程的投運使西南電網(wǎng)與華中東四省電網(wǎng)呈異步互聯(lián)格局，因渝鄂間交流通道的開斷，西南電網(wǎng)不再向湖北電網(wǎng)貢獻短路電流，因此湖北電網(wǎng)交流系統(tǒng)的短路電流水平普遍下降，下降幅度與短路點相對柔直工程落點的電氣距離有關(guān)。

表1 湖北500 kV電網(wǎng)短路電流（單位：kA）Tab.1 Short-circuit current of Hubei 500 kV power grid(unit:kA)

2.3 暫態(tài)穩(wěn)定

柔直工程投運前，湖北500 kV線路發(fā)生單一元件三相金屬性接地短路故障時，本側(cè)0.09 s對側(cè)0.1 s切除故障能保持暫態(tài)穩(wěn)定。在三峽電站、湖北境內(nèi)水電大發(fā)的情況下，對湖北500 kV網(wǎng)架進行N-2掃描（包括同桿并架和同通道線路），除部分三峽電站外送線路、十樊雙回線路故障外，其余500 kV線路N-2故障后系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行。三峽電站外送線路發(fā)生N-2故障時，系統(tǒng)失穩(wěn)且相應(yīng)線路嚴重過載，采取現(xiàn)有的切機措施可以解決。十樊雙回線路同跳后系統(tǒng)失穩(wěn)，采取現(xiàn)有的穩(wěn)控措施切除部分水電機組后系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。

柔直工程投運后，湖北電網(wǎng)與重慶電網(wǎng)的交流通道開斷，降低了華中東四省系統(tǒng)等值轉(zhuǎn)動慣量，同時增加了湖北西電東送通道電力輸送，湖北500 kV電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定水平降低。500 kV漁興通道、宜興通道、興咸通道、江興線、漁宜線及龍斗通道任一回線路三相金屬性接地短路故障時，系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。500 kV恩漁、咸鳳、斗樊、荊斗、斗山通道任一回線路三相金屬性接地短路故障時，三峽及鄂西機組功角擺動幅度大、衰減慢，母線電壓波動大。圖2為漁興I回線路發(fā)生三相金屬性接地短路故障跳單回線路時的發(fā)電機功角和母線電壓曲線。

2.4 頻率特性

柔直工程投運后，西南電網(wǎng)與華中東四省電網(wǎng)呈異步互聯(lián)格局，渝鄂間交流通道的開斷使得華中電網(wǎng)系統(tǒng)等值轉(zhuǎn)動慣量降低，且對華中電網(wǎng)的負荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)亦有影響。

圖2 漁興I回N-1故障時的發(fā)電機功角和母線電壓曲線Fig.2 Generator power curve and bus voltage curve at Yuxing I line N-1 fault

柔直工程投產(chǎn)前，華中五省一市某典型方式的負荷水平如表2所示，總負荷為114 850 MW。不考慮發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)備用，華中電網(wǎng)功率缺額4 150 MW時，華中電網(wǎng)頻率最低為49 Hz；華中電網(wǎng)功率缺額3 820 MW時，華中電網(wǎng)頻率最低為49.25 Hz。考慮發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)備用，華中電網(wǎng)功率缺額5 970 MW時，華中電網(wǎng)頻率最低為49 Hz；華中電網(wǎng)功率缺額4 950 MW時，華中電網(wǎng)頻率最低為49.25 Hz。

表2 某典型方式下華中電網(wǎng)負荷水平（單位：MW）Tab.2 Load level of central China power grid at one typical operational mode(Unit:MW)

柔直工程投產(chǎn)后，華中東四省某典型方式的負荷水平如表3所示，總負荷為94 830 MW。不考慮發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)備用，華中電網(wǎng)功率缺額3 150 MW時，華中電網(wǎng)頻率最低為49 Hz；華中電網(wǎng)功率缺額2 650 MW時，華中電網(wǎng)頻率最低為49.25 Hz。考慮發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)備用，華中電網(wǎng)功率缺額5 100 MW時，華中電網(wǎng)頻率最低為49 Hz；華中電網(wǎng)功率缺額4 500 MW時，華中電網(wǎng)頻率最低為49.25 Hz。

表3 某典型方式下華中電網(wǎng)負荷水平（單位：MW）Tab.3 Load level of central China power grid at one typical operational mode(Unit:MW)

3 結(jié)語

渝鄂柔性直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程投運對湖北電網(wǎng)運行特性產(chǎn)生了重要影響。該工程投運后，加重了豐水期湖北電網(wǎng)西電東送通道的潮流輸送壓力和三峽近區(qū)潮流疏散難度，容易導(dǎo)致500 kV龍斗三回線路、恩漁三回線路越限，漁興三回線路、興咸三回線路斷面潮流難以控制。該工程使得湖北電網(wǎng)與重慶電網(wǎng)的交流通道開斷，湖北電網(wǎng)交流系統(tǒng)的短路電流水平普遍下降，下降幅度與短路點相對柔直工程落點的電氣距離有關(guān)。同時，該工程投運降低了湖北500 kV電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，部分500 kV通道發(fā)生N-1故障時存在發(fā)電機組失穩(wěn)且缺少相應(yīng)的穩(wěn)定控制措施。華中電網(wǎng)由原來的五省一市同步電網(wǎng)變?yōu)槿A中東四省同步電網(wǎng)，系統(tǒng)總負荷和轉(zhuǎn)動慣量有所下降，增加了小負荷情況下湖北電網(wǎng)低頻動作風(fēng)險。針對渝鄂柔性直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程投運引起的湖北電網(wǎng)熱穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定問題，建議盡快研究相應(yīng)的網(wǎng)架補強措施。

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