浙江特高压交直流混合电网系统稳定性研究

2010-11-15毛雪雁孙黎滢

浙江电力 2010年6期

毛雪雁，孙黎滢，徐政，翁华，华文

（1.浙江省电力试验研究院，杭州 310014；2.浙江大学，杭州 310027）

随着社会经济的发展，电力的需求量越来越大。浙江省地域面积小，一次能源缺乏，仅靠本省能源发电难以满足电力需求。根据国家电网公司的规划，从“十二五”开始，将陆续有大容量的电力通过特高压直流输电方式送达浙江，以保障浙江的电力需求。

特高压直流输电为远距离大容量输电提供了很好的解决方案。但是大规模交直流混合输电系统安全稳定运行的技术难点较多[1-4]，特别是1 000 kV特高压交流输电工程和±800 kV特高压直流输电工程同时处在一个区域电网中运行，除我国之外尚无先例。因此，对浙江电网交直流混合系统进行具体分析，深入研究交直流混合输电系统中直流与交流的相互影响，掌握交直流混合输电系统的安全运行规律，对于保证浙江电网安全稳定运行具有重要意义。

1 研究方法及内容

在电磁暂态环境下，可以精确模拟换流器及其控制系统，但难以对大规模电力系统进行模拟。本文的研究重点是交直流系统分别故障后彼此之间的互相影响以及特高压系统与超高压系统之间稳定性的互相影响，因此，选择国内较为常用的机电暂态仿真程序PSS/E和BPA程序作为研究工具。在研究中所使用的直流输电模型为准稳态模型[5]。

基于全国特高压交直流混合互联的规划电网，采用PSS/E和BPA对浙江5种电网结构和2个水平年进行系统稳定性分析，评估不同直流落点对系统稳定性的影响。具体研究内容如下：

（1）针对典型运行方式和网络结构，对浙江电网1 000 kV网架和500 kV主干网架N-1故障时进行暂态功角稳定、暂态频率稳定、暂态电压稳定作扫描分析，着重研究浙江电网单一故障时直流输电系统的响应特性。

（2）重点考察严重故障情况下浙江电网的承受能力，包括暂态功角稳定、暂态电压稳定和暂态频率稳定。

（3）分析直流输电线路单极闭锁和双极闭锁时浙江电网的暂态功角稳定、暂态电压稳定和频率响应特性。

2 所研究电网结构

2007年以来，国家电网公司对特高压交直流工程进行了滚动规划和调整。根据国家电网公司的特高压电网规划及有关文件，对浙江电网作为特高压单直流输电馈入系统和多馈入直流输电系统（MIDC）两类方式进行了深入研究，而后者的稳定问题比较复杂[6-8]。一方面，交流系统发生故障有可能引起多个直流系统的换流站同时换相失败，而换相失败的冲击可能会进一步引起交流系统暂态失稳；另一方面，随着直流输电规模的扩大，有可能会导致当直流系统发生故障时交流系统无法弥补大功率缺额，从而使系统失稳。

为发现浙江电网单直流落点（单馈入）和双直流落点（多馈入）两种情况的共性和特性问题，研究提高电网稳定水平的可行方案，根据浙江电网“十二五”规划设计报告和“十二五”发展规划，采用以下5种模式进行研究：

（1）2015年的浙江电网，特高压直流输电为单馈入，特高压交流变电站3座。

（2）2020年的浙江电网，特高压直流输电为单馈入，特高压交流变电站3座，其中1座有电源接入。

（3）2015年的浙江电网，特高压直流输电为多馈入（2个直流输电落点），特高压交流系统同（1），超高压电网较（1）略有调整。

（4）2020年的浙江电网，特高压直流输电为多馈入（2个直流输电落点），特高压交流同（2），超高压电网较（2）略有调整。

（5）2015年的浙江电网，特高压交直流系统同（3），超高压电网进行大规模调整。

3 特高压交直流混合电网（单馈入）稳定性研究

当浙江电网只有1个特高压直流落点（±800 kV溪洛渡—武义）时，对2015年、2020年交直流混合电网稳定性研究的结论如下：

（1）特高压交流系统故障对电网稳定性的影响。不论是2015或2020水平年，浙江境内特高压交流输电通道上，任一点发生三相故障后0.1 s内切除故障线路，均不会导致系统失稳，某些故障会造成直流系统换相失败，但一旦交流系统故障切除，直流系统即可恢复。

（2）特高压直流故障对电网稳定性的影响。浙江境内特高压直流系统发生单极闭锁时，电网能够保持稳定运行；若直流系统发生双极闭锁，2015水平年需切除送端4 200 MW机组方能保持电网稳定运行，2020水平年不需切机即可保持稳定。

（3）超高压系统故障对电网稳定性的影响。对浙江电网超高压系统主干通道进行稳定分析，发现无论2015或2020水平年，系统稳定的薄弱点为强蛟电厂—苍岩输电通道。在强蛟电厂6台机组通过3回500 kV线路接至苍岩变的情况下，强蛟电厂满出力时，该通道上发生三相故障且0.1 s切除将会导致系统失稳。除此之外，其他超高压线路故障时，浙江电网均可保持稳定。

4 特高压交直流混合电网（多馈入）稳定性研究

研究结果表明，与单馈入系统相比，增加了1个直流落点后，浙江电网的稳定水平没有发生大的变化，特高压交流输电、直流输电和超高压电网故障对稳定的影响基本与前相同。

（1）交流系统故障对稳定性的影响。浙江境内特高压电网和超高压电网的许多交流母线发生故障都会导致2条直流同时换相失败，但交流系统故障切除后各条直流均能可靠恢复。

（2）直流系统故障对稳定性的影响。溪洛渡—武义直流发生闭锁时，系统稳定性与单馈入系统相同。宁东—浙北直流闭锁时，无论单极闭锁还是双极闭锁，系统均能保持稳定。

事实上，溪洛渡—武义直流和宁东—浙北直流是两种不同的直流接入方式，前者是“嵌入”同一交流系统的直流输电线路，送端还有三回交流送出线路，且两端的换流站所连接的交流电网同步运行；当溪洛渡—武义直流双极闭锁时会导致功率大规模转移，从而引起送端交流送出线路过载，整个系统失稳。而后者连接在两个异步交流电网之间，宁东直流双极闭锁时，其过剩功率由双回750 kV线路送至西北电网消纳，不会引起系统失稳；即使西北电网失稳，也不会扩大到三华电网。

若溪洛渡—武义和宁东—浙北两个直流系统同时发生双极闭锁，浙江电网将失去14 400 MW左右的电力输入，占2015年全省统调负荷的24%～28%、2020年全省统调负荷的17%～21%。这部分功率缺额主要由特高压交流通道补充输入，同时减少向省外输出的电力。由于溪洛渡直流输电的影响，2015水平年需大量切除送端机组才可保持系统稳定，2020水平年则不需切机即可保持系统稳定。

5 系统稳定性关键节点和区域

为直观、清晰地表达交流系统故障引起直流系统换相失败的频度、关键节点和区域，可将各种方式下引起直流输电换相失败的交流变电站标示于图。以2015年为例，浙江电网特高压交直流（多馈入）混合系统暂态稳定关键节点和区域分布如图1所示。可见，宁波地区500 kV电网故障对直流的影响较小，很少导致直流换相失败，而浙北、浙西电网故障引起直流换相失败甚至2个直流系统同时换相失败的情况较多。这是由于宁波电网与直流系统之间的电气距离相对较大所致。电网结构越紧密，交、直流系统彼此之间的影响也越大。因此，在电网规划设计中，需从保持电网结构的合理性出发，避免网架结构过于紧密，从而既控制短路电流水平，也减少交直流系统耦合过大和事故时影响范围扩大的可能性。