朱鑫要，汪惟源，汪成根(.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京03；.江蘇省電力公司，江蘇南京004)

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江蘇特高壓交直流輸電交互影響研究

朱鑫要1，汪惟源2，汪成根1
(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.江蘇省電力公司，江蘇南京210024)

摘要：江蘇電網(wǎng)特高壓交直流發(fā)展迅速，未來(lái)將通過(guò)特高壓受入大量電力；同時(shí)由于特高壓交直流落點(diǎn)之間電氣距離較近，特高壓交直流電網(wǎng)之間的交互影響可能會(huì)對(duì)江蘇電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)重要影響。為了研究特高壓交直流輸變電工程的建設(shè)對(duì)江蘇電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響，文中基于規(guī)劃電網(wǎng)，采用電力系統(tǒng)仿真軟件BPA對(duì)特高壓交直流電網(wǎng)故障情況下的交互影響進(jìn)行了計(jì)算分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出了提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平的建議措施。

關(guān)鍵詞：特高壓交流；特高壓直流；規(guī)劃電網(wǎng)；交互影響

2014年國(guó)家電網(wǎng)總部管理指南項(xiàng)目

近年來(lái)江蘇電網(wǎng)特高壓發(fā)展迅速，淮滬特高壓北環(huán)工程、±800 kV晉北—南京特高壓直流工程進(jìn)入全面建設(shè)階段，±800 kV錫盟—泰州也將開(kāi)工建設(shè)。特高壓交直流送電江蘇，將在一定程度上緩解電力緊缺問(wèn)題。但特高壓交流、直流輸電系統(tǒng)近距離落點(diǎn)同一電網(wǎng)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于這種遠(yuǎn)距離、大容量、交直流輸電同時(shí)饋入的電網(wǎng)，其運(yùn)行特性更加復(fù)雜[1，2]。為發(fā)現(xiàn)江蘇電網(wǎng)未來(lái)可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)江蘇規(guī)劃電網(wǎng)，基于BPA軟件，研究了特高壓直流與特高壓交流相互影響，并針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題給出了相應(yīng)建議措施。

1　計(jì)算電網(wǎng)簡(jiǎn)介

未來(lái)江蘇電網(wǎng)將擁有錦蘇、錫盟—泰州、晉北—南京3回特高壓直流、龍政超高壓直流和淮滬北半環(huán)特高壓交流，成為典型的特高壓交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)。未來(lái)江蘇電網(wǎng)特高壓交直流落點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1　江蘇電網(wǎng)交直流混聯(lián)示意圖

在交流特高壓方面，目前淮滬特高壓交流南半環(huán)（1000 kV淮南—皖南—浙北—滬西）已建成投入運(yùn)行；淮滬特高壓交流北半環(huán)（1000 kV淮南—南京—泰州—蘇州—滬西）也已開(kāi)工建設(shè)，將于近期建成投運(yùn)。

在直流輸電方面，錦蘇特高壓直流和龍政超高壓直流均已建成投運(yùn)。根據(jù)規(guī)劃，晉北—南京特高壓直流、錫盟—泰州特高壓直流也將于近年建成投運(yùn)；其中，錫盟—泰州特高壓直流將創(chuàng)新性地采用特高壓直流分層接入方式。錫盟—泰州特高壓直流近10 000 MW落地功率的各50%電力將分別接入1000 kV和500 kV交流電網(wǎng)。錫盟—泰州特高壓直流工程分層接入交流系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2　錫盟—泰州特高壓直流工程分層接入電網(wǎng)示意圖

晉北—南京特高壓直流、錫盟—泰州特高壓直流投運(yùn)后，江蘇電網(wǎng)將通過(guò)3回特高壓直流受入超過(guò)23 000 MW的電力。同時(shí)由圖1可知，江蘇電網(wǎng)特高壓交直流落點(diǎn)之間的電氣距離較近、且受電容量大，特高壓交直流輸電之間的交互影響可能會(huì)對(duì)江蘇電網(wǎng)的運(yùn)行帶來(lái)重大影響。本文研究基于規(guī)劃電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行，江蘇境內(nèi)的交直流特高壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1000 kV南京站主變1臺(tái)、泰州站和蘇州站主變均為2臺(tái)，各特高壓主變?nèi)萘烤鶠?000 MV·A。江蘇4回500 kV過(guò)江通道如圖2所示。

2　江蘇特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)潮流分析

根據(jù)規(guī)劃數(shù)據(jù)，接入江蘇的4回直流落地功率分別為：晉北—南京特高壓直流落地電力約7450 MW、錫盟—泰州特高壓直流落地電力約9600 MW（其中約4800 MW接入1000 kV電網(wǎng)），錦蘇特高壓直流落地電力約6750 MW、龍政超高壓直流落地電力約2850 MW，具體如圖3所示。

圖3　江蘇電網(wǎng)關(guān)鍵斷面潮流圖（單位MW）

由圖3可知，“皖電東送”1000/500 kV斷面（1000 kV淮南—南京雙線，500 kV當(dāng)涂—天目湖雙線、繁昌—廻峰山雙線）共向江蘇電網(wǎng)饋入電力約6600 MW，對(duì)緩解江蘇電力緊缺問(wèn)題起到了重要作用，其中500 kV當(dāng)涂—天目湖雙線潮流約2950 MW、接近其3000 MW的穩(wěn)定限額。此外，晉北—南京特高壓直流和錫盟—泰州特高壓直流接入江蘇電網(wǎng)后，江蘇江北電網(wǎng)電力富裕，1000 kV過(guò)江通道泰州—蘇州雙線南送潮流約3400 MW，淮滬特高壓交流“北半環(huán)”有效緩解了江蘇電網(wǎng)500 kV過(guò)江斷面的潮流南送壓力。

3　江蘇特高壓交直流交互影響分析

3.1特高壓交流故障對(duì)特高壓直流的影響

交流系統(tǒng)故障對(duì)直流輸電運(yùn)行的影響主要為：交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致?lián)Q流站交流母線電壓降低或線電壓過(guò)零點(diǎn)偏移，進(jìn)而導(dǎo)致直流換相失敗；隨后，若交流系統(tǒng)故障及時(shí)切除，待交流系統(tǒng)電壓恢復(fù)后直流輸電可恢復(fù)正常運(yùn)行；若故障未能及時(shí)切除或故障切除后系統(tǒng)電壓未能及時(shí)恢復(fù)，則會(huì)導(dǎo)致直流輸電發(fā)生持續(xù)的換相失敗，進(jìn)而導(dǎo)致直流閉鎖[3]。

直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)接線及電壓波形示意如圖4所示。在換相結(jié)束后晶閘管還需承受一定時(shí)間（熄弧角）的反向電壓以恢復(fù)關(guān)斷能力，若熄弧角過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致晶閘管在還未完全恢復(fù)關(guān)斷能力時(shí)便又承受正向電壓而恢復(fù)導(dǎo)通，進(jìn)而造成換相失敗[3]。

以閥V5向V1換相時(shí)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明換相失敗的基本機(jī)理。

閥V5向V1換相期間（α至α+μ），交流系統(tǒng)a相和c相之間滿(mǎn)足：

圖4　逆變側(cè)接線及電壓波形示意圖

式（1）中：UL為交流系統(tǒng)線電壓；i1和i5分別為流過(guò)閥V1和V5的電流。

在換相起止時(shí)刻，i1值分別為0和id，而i5值分別為id和0。對(duì)式（1）在換相起止時(shí)刻之間（α至α+μ）進(jìn)行積分，可得直流電流的表達(dá)式：

進(jìn)而可求解得到換相角μ的表達(dá)式：

可見(jiàn)，交流系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致交流系統(tǒng)線電壓降低，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相角增大，進(jìn)而造成熄弧角減小。當(dāng)熄弧角減小至小于晶閘管恢復(fù)關(guān)斷能力所需的最小值時(shí)，便會(huì)引起換相失敗。

根據(jù)仿真計(jì)算，1000 kV淮南—南京—泰州—蘇州—練塘雙線發(fā)生三永N-2故障，或1000 kV南京、泰州、蘇州主變發(fā)生三永N-1故障后，江蘇境內(nèi)晉北—南京特高壓直流、錫盟—泰州特高壓直流、錦蘇特高壓直流發(fā)生換相失敗，閉鎖情況如表1所示。

表1　江蘇境內(nèi)交流特高壓故障導(dǎo)致特高壓直流換相失敗和閉鎖情況

由表1可知，在規(guī)劃電網(wǎng)中，1000 kV淮南—南京—泰州—蘇州—練塘雙線發(fā)生三永N-2故障，或1000 kV南京、泰州、蘇州主變發(fā)生三永N-1故障后，江蘇境內(nèi)晉北—南京特高壓直流、錫盟—泰州特高壓直流、錦蘇特高壓直流會(huì)發(fā)生換相失敗，但在故障切除后上述3回特高壓直流均可恢復(fù)、不會(huì)發(fā)生直流閉鎖。

3.2特高壓直流故障對(duì)特高壓交流的影響

直流系統(tǒng)發(fā)生故障造成直流輸電閉鎖后，作為受端系統(tǒng)，江蘇電網(wǎng)將存在較大的有功缺額、頻率下降，若系統(tǒng)保有足夠的備用發(fā)電容量，則系統(tǒng)頻率將最終恢復(fù)正常。同時(shí)直流閉鎖后，受端系統(tǒng)還將存在較大的無(wú)功過(guò)剩、電壓上升，若換流站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備及時(shí)切除，則系統(tǒng)電壓可恢復(fù)正常；若換流站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備未切除，則系統(tǒng)將運(yùn)行在較高的電壓水平。直流系統(tǒng)發(fā)生故障閉鎖后，直流故障對(duì)交流系統(tǒng)的影響機(jī)理如圖5所示。

圖5　直流故障對(duì)交流系統(tǒng)的影響機(jī)理

根據(jù)仿真計(jì)算，晉北—南京、錫盟—泰州和錦蘇3回特高壓直流某回發(fā)生雙極閉鎖后，若無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備均正常退出，系統(tǒng)頻率和電壓均可保持穩(wěn)定。

以晉北—南京特高壓直流雙極閉鎖為例，分析特高壓直流閉鎖對(duì)特高壓交流的影響。晉北-南京特高壓直流雙極閉鎖后，近區(qū)500 kV母線頻率和電壓波形分別如圖6和圖7所示。

由圖6可知，晉北—南京特高壓直流雙極閉鎖后，安瀾變和三汊灣變500 kV母線頻率快速下降，降幅最大約0.19 Hz，隨后頻率逐漸回升，并穩(wěn)定在49.91 Hz左右，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。由圖7可知，晉北—南京特高壓直流雙極閉鎖后，安瀾變和三汊灣變500 kV母線電壓迅速上升，峰值分別達(dá)到約580 kV和560 kV，若南京站無(wú)功補(bǔ)償未切除，則安瀾變和三汊灣變500 kV母線電壓將最終穩(wěn)定在565 kV和550 kV左右，電壓過(guò)高；若南京站無(wú)功補(bǔ)償逐步退出，則安瀾變和三汊灣變500 kV母線電壓最后分別穩(wěn)定在525 kV和520 kV左右，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

圖6　晉北—南京直流雙極閉鎖后近區(qū)500 kV母線頻率

圖7　晉北—南京直流雙極閉鎖后近區(qū)500 kV母線電壓

3.3特高壓直流相互影響

未來(lái)江蘇電網(wǎng)將擁有3回特高壓直流落點(diǎn)，當(dāng)某回直流發(fā)生故障閉鎖后，通過(guò)交流系統(tǒng)耦合，其他換流站交流母線電壓亦將發(fā)生波動(dòng)，并最終影響其運(yùn)行。根據(jù)仿真計(jì)算，晉北—南京、錫盟—泰州和錦蘇3回特高壓直流某回發(fā)生雙極閉鎖后，其他2回均不會(huì)發(fā)生換相失敗。仍以晉北—南京特高壓直流雙極閉鎖為例，分析江蘇電網(wǎng)落點(diǎn)的特高壓直流之間的交互影響。晉北—南京特高壓直流雙極閉鎖后，泰州換流站和蘇州換流站交流母線電壓和直流功率波形分別如圖8和圖9所示。

圖8　晉北—南京直流雙極閉鎖后泰州和蘇州換流站母線電壓

由圖8和圖9可知，晉北—南京特高壓直流雙極閉鎖后，泰州和蘇州換流站交流母線電壓波動(dòng)均未低于0.95 p.u.，錫盟—泰州特高壓直流和錦蘇特高壓直流均未發(fā)生換相失敗，直流功率經(jīng)一定時(shí)間振蕩后恢復(fù)穩(wěn)定。

圖9　晉北—南京直流雙極閉鎖后泰州和蘇州換流站落地功率

4　江蘇特高壓交直流協(xié)調(diào)控制展望

由上述分析可知，江蘇特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)基本可滿(mǎn)足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)劃，江蘇電網(wǎng)未來(lái)將擁有多回特高壓直流落點(diǎn)；在特高壓交流方面，除淮滬特高壓交流北半環(huán)外，未來(lái)還將通過(guò)特高壓交流線路與華北和華中電網(wǎng)互聯(lián)。如圖10所示?，F(xiàn)有研究表明，通過(guò)對(duì)直流輸電和交流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[4-7]。為進(jìn)一步提高江蘇電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，下一步可推進(jìn)特高壓交直流協(xié)調(diào)控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的相關(guān)研究。

圖10　特高壓交直流協(xié)調(diào)控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性框圖

5　結(jié)束語(yǔ)

分析結(jié)果表明，在規(guī)劃電網(wǎng)和預(yù)想故障形式下，江蘇電網(wǎng)境內(nèi)特高壓交流設(shè)備故障，不會(huì)造成江蘇境內(nèi)落點(diǎn)的3回特高壓直流閉鎖；江蘇境內(nèi)落點(diǎn)的3回特高壓直流某回因自身設(shè)備原因發(fā)生雙極閉鎖后，不會(huì)造成電網(wǎng)頻率或電壓失穩(wěn)，也不會(huì)引起其他2回特高壓直流換相失敗。特高壓交直流系統(tǒng)交互影響機(jī)理復(fù)雜，后續(xù)將開(kāi)展特高壓交直流協(xié)調(diào)控制的相關(guān)研究，以進(jìn)一步提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

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朱鑫要（1987），男，河南開(kāi)封人，工程師，從事電力系統(tǒng)分析工作；

汪惟源（1975），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與自動(dòng)控制工作；

汪成根（1981），男，安徽安慶人，工程師，從事電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析工作。

Analysis of Interaction Between UHVAC and UHVDC for Jiangsu Power Grid

ZHU Xinyao1, WANG Weiyuan2, WANG Chenggen1
(1. Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China; 2. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Jiangsu, Nanjing 210024, China)

Abstract：The AC and DC ultra-high voltage grid develops rapidly in Jiangsu. Given that bulk electric power would feed into Jiangsu and the electrical distances between the AC and DC ultra-high voltage stations are very close, the impacts of the AC and DC ultra-high voltage may affect the safety and stability of Jiangsu grid significantly. To investigate the impacts of the ultra-high voltage alternating current (UHVAC) and ultra-high voltage direct current (UHVDC) constructions on the safety and stability of Jiangsu power grid, basing on the planning grid, the interactions under UHVAC and UHVDC faults are studied using BPA software in this paper. Meanwhile, the suggestions to improve the safety and stability of Jiangsu power grid are proposed.

Key words：ultra-high voltage alternating current (UHVAC); ultra-high voltage direct current (UHVDC); planning grid; interaction

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-11-13；修回日期：2015-12-22

中圖分類(lèi)號(hào)：TM721

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-0665（2016）02-0039-04