特高壓直流接入受端電網不同方式及其比較分析

司瑞華　王世謙　程昱明

摘 要：本文闡述特高壓直流接入受端電網的4種方式，即單層接入、分層接入、多端接入和分極接入，并針對4種方式的原理、適用范圍、優缺點進行比較分析，可為省級電網規劃中選擇合適的特高壓直流的接入方式提供參考。

關鍵詞：特高壓直流；接入方式；電網規劃

中圖分類號：TM721.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）06-00673-03

Different Modes and Comparison of UHVDC Connects

to Receiving Power Grid

Si Ruihua Wang Shiqian Cheng Yuming

（State Grid Henan Electric Power Company Economic Research Institute，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： This paper described four modes of UHVDC connects to the receiving grid： single-layer connection mode， hierarchical connection mode， multi-access connection mode and separating pole connection mode， gave comparative analysis the principles， application scope， advantages and disadvantages of the four connection modes， which can provide a reference for UHVDC connection mode in the provincial power network planning.

Keywords： UHVDC；connection mode；power network planning

特高壓直流（UHVDC）作為高效、經濟的大規模遠距離送電技術手段，得到了廣泛應用，我國已成為世界上直流輸電技術應用最廣泛的國家，尤其是華東、華北和華中電網，未來將逐步形成多個特高壓直流饋入的交直流混聯電網。特高壓直流的大量投運同時給電網安全穩定運行帶來了嚴峻挑戰，會在一定程度上加重局部潮流，提升系統短路電流水平，并且一旦發生直流雙極閉鎖故障，將對受端交流電網造成很大沖擊，引起電網振蕩，甚至發生大面積停電事故。為減小特高壓直流接入受端電網帶來的不利影響，選擇合適的接入方式尤為重要，是電網規劃中需要考慮的重要問題。

1 特高壓直流接入電網方式

1.1 單層接入方式

特高壓直流換流站的交流側直接接入受端交流系統的500kV或1 000kV電網。單層接入方式的結構圖如圖1所示。

1.2 分層接入方式

特高壓直流輸電系統仍采用普通特高壓直流的雙閥組串聯結構，其受端較特高壓單層接入方式有很大不同，屬于直流系統同一極（正極或負極）的高、低端兩個閥組分別接入500kV和1 000kV交流電網，500kV和1 000kV交流母線分別接收直流總功率的二分之一。分層接入方式的結構圖如圖2所示[1]。

1.3 多端接入方式

特高壓直流多端接入方式是指特高壓直流輸電線路經多個換流站饋入受端電網，受端換流站的額定功率可以根據受端電網需要事先進行分配。根據受端多個換流站之間的接線方式，可細分為并聯多端接入、串聯多端接入方式，并聯多端接線方式各個換流站電壓相同，串聯多端接線方式各個換流站電流相同，通常采用并聯多端接線方式[2]。根據受端多個換流站接入電壓等級的不同，高壓直流多端接入方式可以進一步分為多端單層接入、多端分層接入方式。特高壓直流并聯多端接入方式的結構圖如圖3所示。

1.4 分極接入方式

分極接入是指特高壓直流輸電系統的正極和負極輸電線路，通過不同的換流母線將功率輸送至不同區域的兩個受端交流系統，一般每個極的功率為直流總功率的二分之一[3]。分極接入方式的結構圖如圖4所示。

根據兩個受端交流系統的電壓等級又可細分為分極單層饋入和分極分層饋入。其中分極單層饋入是指兩個受端交流系統的電壓等級相同；分極分層饋入是指兩個受端交流系統的電壓等級不同。

2 特高壓直流不同接入方式比較

2.1 單層接入方式

單層接入適用于受端電網尚沒有特高壓交流變電站情況下，直接接入當地500kV電網，并且盡量靠近負荷中心。

單層接入方式的優點是將直流電力直接投放大負荷中心，提高了輸電效率，降低了系統損耗。缺點是對受端電網消納能力要求很高，至少需要2～4個不同送電方向，500kV送出線路6～10回[4]；對受端電網網架強度和無功支撐能力要求較高，直流電力失去后，事故影響較大，受端電網安全穩定問題，尤其電壓穩定問題突出，需要本地機組留有足夠的旋轉備用和快速的無功支撐能力，傳統的并聯無功補償裝置在電壓跌落時輸出無功功率將急劇減少，需要在系統中配置一定容量動態無功補償裝置（如SVG）或者同步調相機，防止電壓瞬時跌落。

目前國內在運的特高壓直流受端均采用單層接入方式，直接接入當地的負荷中心。如±800kV錦屏-蘇州直流和±800kV哈密-鄭州直流（見圖5）。

2.2 分層接入方式

分層接入方式適用于受端電網已有特高壓交流變電站的情況下，可實現特高壓直流功率輸送的優化，解決了單層接入500kV電網時局部潮流偏重的問題，引導潮流合理分布。

分層接入方式的優點是可以利用特高壓交流電網，方便直流電力在更大范圍內的配置，不需本地電網留有大量旋轉備用，直流電力一旦失去，可以利用特高壓交流聯網的優勢，弱化故障影響，可使系統從整體上具有更大的抗擾動能力和電壓支撐能力[5]；可以充分發揮特高壓交流電網系統阻抗相對較小的優勢，進一步降低電網運行損耗，經濟效益更加明顯。

分成接入方式的缺點是：受端換流站的結構、運行特性和控制保護系統比較復雜；受端電網必須發展特高壓交流電網，否則無法實現直流的分層接入；由于受端電網同時存在特高壓交直流電網，系統的短路電流水平更高，未來需要研究1 000kV/500kV電磁環網如何解環，以解決短路電流過高問題。

目前國內在建的±800kV錫盟-泰州直流、±800kV晉北-南京直流采用分層接入方式（見圖6）。

2.3 多端接入方式

多端接入方式適用于受端電網存在多個分散負荷中心的情況，不需要受端建有特高壓交流變電站，能夠實現將直流功率分別直輸送至受端電網的多個負荷中心，滿足多個分散區域電力缺口。

多端接入的優點是實現了一條直流向受端多區域電網送電，可用于聯系多個不同區域的交流電網或多個孤立運行的交流電網，帶來直流輸電應用上的極大便利和靈活性。直流嚴重故障時，對系統沖擊較小，各個換流站的站用電系統、控制保護系統等分站布置，降低了發生雙極閉鎖的概率，提高了供電的可靠性。由于每個受端接入規模較小，不同特高壓工程換流站之間距離可以更靠近，便于相互緊急支援。直流功率分散投射到兩個及以上的負荷中心，減少功率折返，降低網絡損耗。

多端接入的缺點是：多端接入需要統一協調控制多個換流站，控制保護系統更加復雜，受端單個換流站運行狀態改變或者故障時，要盡量減小對其他換流站的影響；幾個換流站之間的運行方式排列組合比較多，調整運行方式繁雜；換流站增多的情況下，工程整體投資較單層接入和分層接入方式更高。

目前國內外已投運的多端直流輸電線路有多條，但是最高電壓等級為±450kV，特高壓直流多端接入目前尚無工程應用。

2.4 分極接入方式

分極接入方式同樣適用于受端電網存在多個分散負荷中心的情況，不需要受端建有特高壓交流電網，受端的兩個極的換流設備可建在同一個換流站內，也可以建在不同的換流站內。

分極接入的優點和多端接入方式類似，實現一條特高壓直流向多個分散的負荷中心送電，系統損耗小，直流故障時對受端系統影響小。另外分極接入方式，在受端兩個極的換流站電氣距離較大的情況下，可以使直流換相失敗時的極間故障隔離，某一極發生換相失敗時，該極電壓會迅速下降并不能傳輸功率，而另一極受到很小影響并能迅速恢復正常運行狀態，具有良好的故障恢復特性，能保證系統功率的穩定傳輸。

缺點是單極停運時，健全極需要通過大地構成電流回路，這樣接地極電流就會上升為極電流，接地極電流過大；雙極功率不平衡時，流過接地極的電流也偏大，需要研究提出措施控制接地極的電流在可接受的水平內；受端兩個極的換流站造價高，工程整體投資較單層接入和分層接入方式高。

特高壓直流分極接入方式目前尚處于研究階段。

3 結論

本文通過對特高壓直流接入受端電網4種不同方式的對比分析，給出每種接入方式的適用范圍和優缺點，可以為省級電網規劃中，選擇合適的特高壓直流接入方式提供參考，建議電網規劃工作者結合當地受端電網的實際情況，采用成熟、合適的接入方式。

參考文獻：

[1]劉振亞.特高壓交直流電網[M].北京：中國電力出版社，2013.

[2]劉振亞，秦曉輝，趙良，等.特高壓直流分層接入在多饋入直流電網的應用研究[J].中國電機工程學報，2013（10）：1-7.

[3]王旌，韓民曉，姚蜀軍，等.特高壓直流分極接入運行特性分析[J].電力建設，2016（10）：54-60.

[4]杜旭，韓民曉，田春箏，等.±1100kV特高壓多端饋入直流系統協調控制[J].電工技術學報，2016（S1）：177-183.

[5]徐箭，張華坤，孫濤，等.多饋入直流系統的特高壓直流接入方式優選方法[J].電力自動化設備，2015（6）：58-63.