湖南特高压交直流输电建设时序问题研究

资慧，王银顺，侯益灵

(1.华北电力大学 (北京)，北京102206;2.国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南长沙410004)

特高压输电具有远距离、大容量、低损耗的特点，近几年得到了大力发展〔1-2〕。根据国家电网公司特高压电网规划，未来几年内分别有1条特高压交流和特高压直流输电工程落点湖南。

文中从合理构建网架的角度讨论特高压交、直流工程的建设顺序，分析不同建设时序下的网络结构对湖南电网安全稳定运行的影响。

1 基础数据

1.1 区间联络状况

目前，湖南电网经3回500 kV联络线 (葛换—岗市单回、江陵—复兴双回)与湖北电网联网运行。未来还将通过2回1 000 kV特高压交流输电线路 (荆门—长沙双回)与湖北电网相连，以及通过±800 kV特高压直流 (酒泉—湖南双极)与甘肃电网联网运行。

荆门—长沙特高压交流工程投运初期仅有1台主变运行，容量为4 500 MVA，双回1 000 kV线路送电，计划输送功率3 000 MW。

酒泉—湖南特高压直流工程投运初期为单极运行，计划送电4 000 MW。

文中计算条件为特高压投运初期的情况。

1.2 计算条件与模型

文中采用的发电机数学模型为:采用 Eq'，Ed″，Eq″变化的5阶模型，并计及自动励磁调节器和调速器的影响。直流系统采用准稳态模型。湖南电网负荷模型采用由感应电动机和恒定阻抗组成的综合负荷模型，恒定阻抗为35%，感应电动机为65%，感应电动机定子绕组漏抗取0.18。

计算负荷功率因数取0.95。发电机组功率因数最低取0.85，火电机组功率因数最高取0.98，水电机组功率因数最高取1.00，原则上不考虑进相运行。

1.3 仿真方案

选取湖南电网2015年典型夏大方式下的负荷水平及省内网络结构，结合未来湖南特高压网络的构建规划，分别搭建了以下3种网架:荆门—长沙特高压交流工程先投产，配套建设岳阳南500 kV变电站 (方案1);酒泉—湖南特高压直流工程先投产，配套建设湘潭西500 kV变电站 (方案2);长沙特高压交流和酒泉特高压直流工程均已投产，并分别配套建设岳阳南和湘潭西变电工程 (方案3)。通过仿真计算比较方案1、方案2这2种特高压建设方案下湖南电网的安全稳定运行状况，确定有利于湖南电网安全运行的特高压建设时序;比较方案2和方案3的湖南电网受端系统强度，分析特高压交流工程对直流受端系统电气强度的影响。

2 评价体系

电网规划的主体与供电安全性、可靠性、经济性、供电质量和电网适应性等密切相关〔3-4〕。文献〔5〕将电网发展评估分为安全、可靠、优质、协调、经济、高效、智能7个子系统，并分别建立了三级指标。文献〔6〕提出一套包括安全供电能力、静态电压安全性、拓扑结构脆弱性、暂态安全性、风险指标5类20余项指标的电网安全评价指标体系;还提出系统N-K故障后失元件个数、最大供电区域指标和基于效用理论的风险指标。

因经济性、可靠性等因素在方案设计时已经考虑，结合文中研究问题的重点，从以下2方面对方案进行评价:①静态安全性:评价电网结构和运行方式是否合理;②暂态稳定性:评价系统承受突然扰动后仍能保持稳定的能力。

各方案静态安全性的优劣，主要通过比较电网中500 kV及以上电压等级主变、220 kV及以上电压等级线路的N-1通过率来判断。另外，考虑到部分交流线属于同杆并架线路，因此还将对同杆并架线路进行N-2校核。通过N-1，N-2校核的评判标准为:任一电力元件或同杆并架的双回线路无故障断开时，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，各线路潮流控制在热稳定功率极限之内，主变最大下网功率控制在主变容量的110%以内，电压和频率均在允许范围内。

评价各方案的暂态稳定性时，主要对系统中各种较严重的单重和多重故障进行测算，通过比较故障通过率来判断方案的优劣，具体包括:①单重故障:交流系统220 kV及以上单回线路三相短路故障和500 kV及以上电压等级主变高、中压侧故障;②多重故障:考虑同杆并架线路单回三相短路故障、双回跳闸的状况。不同电压等级线路、主变发生三相短路故障后开关动作时间顺序见表1。

表1 各设备三相短路故障开关动作时间表 s

故障通过的评判标准包括3个方面:①功角稳定:电力系统受到大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第一、第二摇摆不失步;②电压稳定:在电力系统受到扰动后的暂态过程中，负荷母线电压能够恢复到0.80 p.u.以上;③频率稳定:系统频率能迅速恢复到额定频率附近继续运行，不发生频率崩溃，也不使事件后的系统频率长期悬浮于某一过高或过低的数值。但对于发电厂的交流送出线路三相故障，发电厂的直流送出线路单极故障，两级电压的电磁环网中单回高一级电压线路故障或无故障断开，必要时可采用切机或快速降低发电机组出力的措施〔7〕。

3 各网架方案分析结果

3.1 静态安全性

夏大典型方式下，方案1与方案2的湖南500 kV主网架潮流分布均较为合理，无过载线路。表2中主要列出各方案中正常运行方式下负载率超过60%的主变下网功率及N-1状况。

方案1中，N-2通过率及220 kV线路N-1通过率均为100%，500 kV及以上电压等级主变、线路总通过率达97%，主要问题有:星沙、星城500 kV主变N-1时，另一台主变都会过载，下网潮流较重，负载率分别为142.26%，110.53%。

方案2中220 kV线路全部通过N-1校核，500 kV及以上电压等级主变、线路总通过率仅为92%，主要问题有:①艾家冲、船山、星沙、星城500 kV主变N-1时，另一台主变会过载，负载率分 别 为 113.94%，126.05%，151.43%，101.15%;②江陵—复兴线路双跳 (N-2)时，葛换—岗市500 kV线路潮流为2 630 MW，将超过其热稳定极限 (1 628 MW)，严重过载，且岗市电压偏低，为499 kV。

星沙、星城主变N-1过载是2个方案共有的问题，通过分析两地网络特点可知:星沙主变所带负荷220 kV层面无电源支撑，且无其它500 kV变电站可为该区域供电，所有潮流只能通过星沙主变下网，因此当断开一台主变时，另一台主变必然会过载。星城主变的状况类似，但云田500 kV变电站可为星城变电站分担一部分负荷，因此过载情况不算严重。通过转供负荷，将星沙、星城主变所带负荷转由其它负载率较轻的主变供带，或增加500 kV主变容量，可改善其主变N-1过载的状况。

除此之外，方案1无其它过载问题。而方案2主变N-1过载问题较为严重，通过调整开机方式、加大省内机组出力、降低3回500 kV联络线上的潮流，可解决艾家冲主变N-1过载和江复线双跳时葛岗线过载问题，但船山主变N-1过载问题依然存在。由于酒泉特高压直流入湘功率大部分经由湖南换—船山3回线路送往船山变电站，而船山变所处的湘南地区电源支撑较少，因此造成船山主变下网潮流过重，N-1校核难以满足要求。

3.2 暂态稳定性

方案1中各元件暂态稳定性计算故障通过率为100%。方案2则仅有91%，其暂态稳定问题均为电压稳定问题，主要出现于湘东地区500 kV主变高压侧故障及其部分相关500 kV线路故障。湘东地区的艾家冲、沙坪、星城、云田、鹤岭以及星沙主变高压侧故障时，都会造成湘南地区500 kV变电站母线电压恢复速度减慢，尤其是最南端的苏耽、紫霞、宗元500 kV母线。如图1所示，湘东地区星城主变高压侧发生故障后，湘南地区苏耽、紫霞、宗元变500 kV母线电压均在1.2 s左右才能恢复至0.8 p.u.以上，而其它500 kV变电站母线，如艾家冲500 kV母线电压在故障后0.5 s左右就已恢复至0.8 p.u.以上。造成这一现象的原因是湘南电网缺乏足够的电源支撑，扰动后需要湘东电网提供动态无功支撑，但酒泉直流入湘会延缓湘东电网的电压恢复速度，导致扰动后短时期内注入到南部500 kV环网的无功功率明显减小，湘南电网电压恢复需要的动态无功缺额进一步加大，从而进一步降低了湘南电网的暂态电压稳定水平〔8〕。

图1 方案2星城主变故障时部分母线电压变化情况

表2 负载率超过60%的主变下网潮流及N－1结果

综上所述，从静态安全、暂态稳定性来比较，方案1更胜一筹，其网架结构更为合理。

4 特高压交流对直流受端系统强度的影响

特高压直流设备故障时，将会有大量功率转移到其它交流联络通道上，可能导致潮流过载，甚至造成负荷中心出现电压稳定问题。直流受端交流系统能否承受住大规模潮流转移的冲击是受端系统电压能否保持稳定的关键所在，这与受端交流系统的强弱有关。受端交流系统的强弱程度可根据受端逆变站短路比的大小来衡量〔9-10〕。

直流输电换流站的短路比 (Short Circuit Ratio，SCR)rSCR定义为换流站交流母线短路容量Ssc(MVA)与直流输电额定功率Pdn(MW)之比，即

式中母线短路容量未考虑换流站无功补偿设备的影响。

当考虑无功补偿设备的影响时，采用有效短路比 (Effective Short Circuit Ratio，ESCR)rSCR的概念:

式中 Qc为换流站所有无功补偿设备容量之和(MVar)。

按照有效短路比的大小，可将直流输电受端交流系统的强弱程度分为:极弱系统 (rSCR＜2)、较强系统 (2＜rSCR＜3)和强系统 (rSCR＞3)〔11〕。

通过计算分别得到2015年夏大方式下方案2，3中湖南换流站的短路电流和有效短路比，见表3。

表3 方案2，3湖南换流站短路电流和有效短路比

由表3可知，建有特高压交流线路的方案3中湖南电网作为直流受端系统的强度更好，网架结构更紧密，系统承受直流故障冲击的能力也更强。究其原因，在直流线路故障闭锁时，特高压交流输电线路能够有效地承担起转移潮流的作用。而方案2的网架仅能依靠3回500 kV联络线输送转移潮流，线路热稳定极限决定了其所能传输的功率有限，当直流系统故障时，大量潮流转移至3回500 kV联络线上，极易造成线路过载。

5 总结

湖南特高压直流工程先于特高压交流工程建成投产将会引发湖南电网众多N-1过载和暂态电压稳定问题，通过调整电网开机方式等方法可以缓解，但不能根除各种N-1问题，同时也会限制运行方式的调整。湖南特高压交流线路的建设有利于提高湖南电网的强度，在直流系统发生故障时，能承担起传输大规模转移潮流的作用，而不至于造成3回500 kV联络线严重过载的情况发生。因此，优先建设特高压交流输电工程将为特高压直流入湘提供强而有力的支撑作用，有利于湖南电网的安全稳定运行。

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