2022年湖北度夏期間陜武直流輸送功率提升至400萬kW暫態(tài)穩(wěn)定分析

王爾璽，劉海光，蔡德福，陳汝斯，孫冠群

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

0 引言

2022 年，華中全網(wǎng)及四省用電負(fù)荷保持快速增長，電力供應(yīng)呈現(xiàn)“整體偏緊、四省都缺”的特點(diǎn)。正常氣象條件下，預(yù)計(jì)在夏季7 月、8 月出現(xiàn)全網(wǎng)最大用電負(fù)荷1.89 億kW，同比增長12.1%，高峰用電缺口1 082 萬kW，四省均有缺口［1-5］。如出現(xiàn)極端天氣、電煤緊張、來水偏枯及跨區(qū)受電不及預(yù)期等情況，供電缺口將進(jìn)一步增大，供應(yīng)形勢更加嚴(yán)峻。

預(yù)計(jì)2022 年迎峰度夏期間，湖北電網(wǎng)最大負(fù)荷4 780 萬kW，同比增長10.1%，高峰用電缺口達(dá)到442萬kW，保供形勢嚴(yán)峻［6-8］。目前，陜武直流輸送能力為300 萬kW，為進(jìn)一步提升湖北電網(wǎng)保供能力，保障湖北經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和民生用電安全，本文將以湖北電網(wǎng)2022年上半年網(wǎng)架為基礎(chǔ)，基于臨界穩(wěn)定方式下開展陜武直流輸送功率提升至400 萬kW 后暫態(tài)穩(wěn)定分析，確定在陜武直流輸送功率為400萬kW時鄂東電網(wǎng)最小開機(jī)邊界和旋備要求［9-13］。

1 陜武直流近區(qū)制約故障

制約故障指的是在電網(wǎng)臨界穩(wěn)定運(yùn)行方式下，此故障最容易使電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)，且失穩(wěn)情況最嚴(yán)重。陜武直流落點(diǎn)鄂東江北地區(qū)，投運(yùn)初期僅500 kV武換至木蘭雙回、武換至大吉雙回共4回送出線路投運(yùn)，鄂東受端電網(wǎng)基本均為同桿并架線路，如圖1所示，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，加之直流近區(qū)電源集中接入、負(fù)荷密度大，暫態(tài)穩(wěn)定問題突出，當(dāng)陜武直流送電功率較大時，鄂東電網(wǎng)多個N-1/N-2故障均會導(dǎo)致湖北全網(wǎng)或鄂東電網(wǎng)暫態(tài)失穩(wěn)［14-17］，其中最嚴(yán)重故障為木泉-木孝N-2故障。因此，陜武直流近區(qū)的制約故障為木泉-木孝N-2故障，主要原因如下：

圖1 木泉-木孝N-2故障前后鄂東電網(wǎng)500 kV網(wǎng)架變化Fig.1 Changes of 500 kV grid in Eastern Hubei before and after Muquan-Muxiao N-2 fault

1）木泉-木孝N-2 故障后鄂東雙環(huán)網(wǎng)打開，形成長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，支援通道不足，系統(tǒng)動態(tài)無功支撐能力較差。

2）故障過程中直流吸收大量無功，顯著惡化暫態(tài)電壓特性、近區(qū)電壓長時間維持低位，易引發(fā)大別山和陽邏機(jī)組功角失穩(wěn)，進(jìn)一步削弱了鄂東地區(qū)電壓支撐能力。

3）故障后直流與陽邏三期、大別山電廠富余電力通過500 kV長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)集中外送，對于上述故障后末端外送電源群，電廠開機(jī)較多時無法起到良好的動態(tài)無功支撐作用，反而可能因功角失穩(wěn)，惡化交流系統(tǒng)電壓恢復(fù)特性。

在上述因素共同影響下，木泉-木孝N-2故障后將呈現(xiàn)功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定問題相互交織的失穩(wěn)形態(tài)［18-20］。

2 陜武近區(qū)暫穩(wěn)邊界確定

2.1 關(guān)鍵斷面影響分析

對江西受電、湖南受電、葛軍-雙玉斷面等通道功率與鄂東電壓穩(wěn)定支撐能力之間的關(guān)系進(jìn)行分析。具體分析方法為：在陜武直流功率450萬kW，開機(jī)、旋備相同的情況下（閉鎖直流安控投運(yùn)時陽邏三期、大別山電廠旋備按15%考慮，閉鎖直流安控退出時旋備按40%考慮），改變相關(guān)斷面功率并對比系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度。

1）江西受電斷面影響分析

通過增開江西機(jī)組并關(guān)停鄂西機(jī)組，將江西受電（包括鄂贛+瀟江）功率從截零（其中鄂贛斷面送江西17萬kW）調(diào)整為江西外送170萬kW（其中鄂贛斷面反送湖北108萬kW），興咸斷面功率由280萬kW減少到220 萬kW，斗山-斗孝-鐘山斷面功率由250 萬kW 減少到200 萬kW。對于上述兩種方式，木泉-木孝N-2故障后木蘭500 kV電壓恢復(fù)曲線對比如圖2所示。

圖2 江西受電斷面不同功率木泉-木孝N-2后木蘭500 kV電壓曲線對比Fig.2 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves between Muquan-Muxiao N-2 with different power in Jiangxi receiving section

由圖2所示電壓曲線可知：江西受電功率越小（或外送功率越大）、湖北開機(jī)越小，陜武直流近區(qū)N-1/N-2故障后電壓恢復(fù)速度越慢。

2）湖南受電斷面影響分析

通過關(guān)停湖南機(jī)組并增開鄂西機(jī)組將湖南受電功率由210 萬kW（其中鄂湘斷面送湖南200 萬kW）調(diào)整至310萬kW（其中鄂湘斷面送湖南270萬kW），興咸斷面功率由270 萬kW 增加到290 萬kW，斗山-斗孝-鐘山斷面功率由260萬kW增加到270萬kW。對于上述兩種方式，木泉-木孝N-2 故障后木蘭500 kV 電壓恢復(fù)曲線對比如圖3所示。

圖3 湖南受電斷面不同功率木泉-木孝N-2后木蘭500 kV電壓曲線對比Fig.3 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves between Muquan-Muxiao N-2 with different power in Hunan receiving section

由圖3 所示電壓曲線可知：湖南受電功率對陜武直流近區(qū)N-1/N-2故障后電壓恢復(fù)特性影響較小。

3）葛軍-雙玉斷面

通過關(guān)停葛大江機(jī)組并增開鄂西機(jī)組將葛軍-雙玉斷面功率由280 萬kW 調(diào)整至210 萬kW，興咸斷面功率由270 萬kW 增加到290 萬kW，斗山-斗孝-鐘山斷面功率由270萬kW增加到290萬kW。對于上述兩種方式，木泉-木孝N-2 故障后木蘭500 kV 電壓恢復(fù)曲線對比如圖4所示。

圖4 葛軍-雙玉受電斷面不同功率木泉-木孝N-2后木蘭500 kV電壓曲線對比Fig.4 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves between Muquan-Muxiao N-2 with different power in Gejun-Shuangyu receiving section

由圖4所示電壓曲線可知：葛軍-雙玉斷面功率越小，陜武直流近區(qū)N-1/N-2故障后電壓恢復(fù)速度越慢。

2.2 湖北電網(wǎng)不同負(fù)荷影響分析

在陜武直流450 萬kW 時，湖北電網(wǎng)負(fù)荷分別為4 000 萬kW、4 500 萬kW、4 800 萬kW，木泉-木孝N-2故障閉鎖直流后木蘭500 kV電壓恢復(fù)曲線對比如圖5所示，木孝-泉孝N-2 故障后木蘭500 kV 電壓曲線對比如圖6所示。

圖5 湖北電網(wǎng)不同負(fù)荷水平木泉-木孝N-2閉鎖直流后木蘭500 kV電壓曲線對比Fig.5 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves after Muquan-Muxiao N-2 locked DC at different load levels in Hubei power grid

圖6 湖北電網(wǎng)不同負(fù)荷水平木孝-泉孝N-2故障后木蘭500 kV電壓曲線對比Fig.6 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves after Muxiao-Quanxiao N-2 fault at different load levels in Hubei power grid

由圖5、圖6 所示電壓曲線可知：湖北電網(wǎng)負(fù)荷越大，陜武直流近區(qū)N-1/N-2故障后電壓恢復(fù)速度越慢。因此分析湖北負(fù)荷4 500萬kW～4 800萬kW情況下陜武直流近區(qū)最小開機(jī)及旋備要求時，應(yīng)采用湖北負(fù)荷4 800萬kW進(jìn)行校核。

2.3 暫態(tài)穩(wěn)定特性分析邊界

基于上述對比分析，考慮各斷面及湖北電網(wǎng)負(fù)荷影響后，確定暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算邊界如下：

1）長南線截零或南送100萬kW；

2）江西外送170萬kW（其中鄂贛送湖北110萬kW，瀟江雙回送湖南60萬kW）；

3）葛大江、隔河巖500 kV機(jī)組一半開機(jī)；

4）鄂豫斷面截零（其中孝浉反送60萬kW）；

5）湖南受電220萬kW（其中鄂湘送湖南160萬kW，瀟江雙回送湖南60萬kW）；

6）湖北電網(wǎng)負(fù)荷4 800萬kW。

3 陜武直流功率提升后近區(qū)暫態(tài)穩(wěn)定特性分析

3.1 木泉-木孝N-2故障后閉鎖陜武直流

考慮2022 年迎峰度夏湖北負(fù)荷4 500 萬kW～4 800萬kW負(fù)荷水平，陜武直流送電150萬kW、250萬kW、350 萬kW、450 萬kW 4 種邊界下，對近區(qū)暫態(tài)穩(wěn)定特性變化進(jìn)行分析。

陜武直流輸送功率提升至450 萬kW，木泉-木孝N-2 故障采取閉鎖直流的穩(wěn)控措施，近區(qū)電網(wǎng)整體電壓恢復(fù)速度變化較小，變化趨勢基本一致，因此最小開機(jī)及旋備要求可保持不變，如圖7所示。

圖7 木泉-木孝N-2故障閉鎖直流木蘭500 kV電壓曲線Fig.7 Muquan-Muxiao N-2 fault-locked DC Mulan 500 kV voltage curve

由圖7可知，陜武直流功率不同時，木泉-木孝N-2閉鎖直流后電壓曲線基本一致，其主要原因如下：

1）隨著陜武直流功率提升，故障后換流器及換流站整體吸收無功將呈現(xiàn)出飽和特性。如圖8 所示：故障前（0 s～1.0 s）陜武直流送電150 萬kW、250 萬kW、350 萬kW、450萬kW情況下單換流器吸收無功分別為152 MVar、273 MVar、408 MVar、555 MVar，整體呈線性增加；故障后至閉鎖直流前（1.0 s～1.3 s）換流器最大吸收無功分別為338 MVar、386 MVar、411 MVar、434 MVar，故障后換流器吸收無功飽和特性突出。

圖8 木泉-木孝N-2故障陜武直流單換流器吸收無功曲線Fig.8 Absorption reactive power curve of Muquan-Muxiao N-2 fault Shan-Wu DC single converter

2）陜武直流功率越大，換流站內(nèi)濾波器投入組數(shù)越多，如圖9 所示。根據(jù)安自裝置動作邏輯的仿真設(shè)置，陜武直流切除0.3 s后切除濾波器。閉鎖直流后至切除濾波器前（1.3 s～1.6 s），濾波器可短時為交流系統(tǒng)提供更多無功支撐，有利于電壓恢復(fù)，且濾波器投入組數(shù)越多，這一階段的系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度越快。

圖9 木泉-木孝N-2故障閉鎖直流后至切除濾波器前換流站整體無功特性Fig.9 Overall reactive power characteristics of the converter station from Muquan to Muxiao N-2 fault locked DC post to cutting filter front

3.2 木泉-木孝N-2故障后無閉鎖陜武直流

當(dāng)木泉-木孝N-2故障后無閉鎖直流措施，陜武直流輸送功率越大，故障后對系統(tǒng)沖擊越大，且電壓恢復(fù)越困難，故障后電壓恢復(fù)曲線如圖10所示。

圖10 木孝-泉孝N-2故障后木蘭500 kV電壓曲線Fig.10 Mulan 500 kV voltage curve after Muhyo-Quanhyo N-2 fault

陜武直流功率提升后，木泉-木孝N-2閉鎖直流后電壓曲線也基本一致，上述故障暫態(tài)電壓恢復(fù)速度降低的主要原因如下：

1）陜武直流功率增大時，故障后電網(wǎng)承受的暫態(tài)沖擊增加，不利于系統(tǒng)整體電壓恢復(fù)。

2）陜武直流不同輸送功率情況下，故障切除后僅較短時間內(nèi)（故障后0.5 s 以內(nèi)）換流器及換流站整體吸收無功均呈現(xiàn)飽和特性。其后，直流送電功率越大，換流器及換流站整體從系統(tǒng)吸收無功量快速增加，且持續(xù)時間更長，不利于電壓恢復(fù)。

4 陜武直流提升后的最小開機(jī)及旋備要求

4.1 受木泉-木孝N-2故障制約的最小開機(jī)及旋備要求

湖北電網(wǎng)大負(fù)荷，陜武直流功率提升至450萬kW，在閉鎖直流安控投入和退出兩種情況下，最小開機(jī)和旋備要求均可保持不變。

4.2 其他N-1、N-2校核

在本文最小開機(jī)及旋備要求下，湖北電網(wǎng)N-1 故障及其他同桿并架N-2故障后，系統(tǒng)均可保持穩(wěn)定，如圖11所示。

圖11 木泉-木孝N-2故障暫穩(wěn)曲線Fig.11 Muquan-Muxiao N-2 fault transient stability curve

5 結(jié)語

陜武直流投運(yùn)初期，受端系統(tǒng)呈現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、電源集中接入、負(fù)荷密度大等特點(diǎn)，暫穩(wěn)問題突出。本文針對陜武直流功率提升后暫態(tài)穩(wěn)定水平變化及相關(guān)措施進(jìn)行了分析，具體結(jié)論如下：陜武直流輸送功率由300 萬kW（計(jì)算值350 萬kW）提升至400 萬kW（計(jì)算值450 萬kW）后，湖北電網(wǎng)N-1 及同桿并架N-2 故障后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定特性未發(fā)生明顯變化，經(jīng)機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真校核，最小開機(jī)及旋備要求可保持不變。