基于多端柔性直流的电网供电能力提升研究

窦 飞，汪惟源，杨 林，钱 康，李 桃，王静怡，陈国年

(1.国网江苏省电力公司，江苏 南京 210024；2.江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

基于多端柔性直流的电网供电能力提升研究

窦 飞1，汪惟源1，杨 林1，钱 康2，李 桃2，王静怡1，陈国年1

(1.国网江苏省电力公司，江苏 南京 210024；2.江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

如何提升电网供电能力是电网规划中亟须解决的问题。结合了实际工程设计经验和最新理论研究成果，对基于多端柔性直流的电网供电能力提升进行了研究，提出了该方法在江苏电网中应用方案设想，并进行了仿真分析。仿真表明该方法在提升电网供电能力方面效果显著，具有良好的应用前景。

电网；供电能力；多端柔性直流

近年来，随着电网规模的不断增大，电网分层分区运行是电网发展的必然趋势[1-2]。由于电网负荷迅速发展，新电源的不断接入以及500 kV变电容量的不断增加，使得电网短路电流水平逐年增长，原分层分区结构中某些分区的220 kV节点或500 kV节点短路容量接近限值，需要不断调整电网分层分区结构以满足电网安全稳定运行需要，电网分区供电范围呈现越来越小趋势，但电网分区规模变小后将无法发挥电网的规模效益，且供电可靠性有所降低。因此，有必要对供电分区、供电能力提升方法进行研究，在保证分区供电可靠性的基础上，使系统短路水平控制在合理范围内，提升分区的供电能力。

传统的解决方法即采取一次建设增强电网网架，投资巨大，且在负荷密集的中心城区实施难度较大。故可考虑其他新技术、新设备的应用，如柔性直流输电技术，可利用其灵活、快速、高效的有功和无功控制能力，提高现有网架的输电能力，均衡电网潮流。国内外对电网中应用柔性直流输电技术已有一定的研究。文献[3-5]讨论了多端柔性直流输配电系统的特点、模型及控制策略；文献[6]从柔性直流输电的优点出发，定性的讨论了其在电网运用的可行性；文献[7-8]对电网柔性直流输电进行了仿真分析。

本文分析了当前江苏电网分层分区面临的问题和多端柔性直流输电的原理及技术优势，提出了该方法在江苏电网中应用方案设想，并利用PSASP进行了仿真分析。仿真表明该方法在提升电网供电能力方面效果显著，具有良好的应用前景。

1 江苏电网分区供电能力现状及远景展望

江苏电网分区供电范围呈现越来越小趋势、220 kV分区数量也快速增长：2010年，江苏电网220 kV电网仅分成12个分区运行，但截止2015年，江苏电网220 kV分区数量已达25个分区(较2010年增加了13个片区，见图1)，其中武南、宜兴、江阴西部和锡西南、梅里、常熟、石牌分区每个分区内只有一座500 kV变电站。

根据江苏电网规划，至2030年江苏省的220 kV电网将分为38个片区运行(见图2)，较2015年又增加了13个片区)。其中武北、梅里、惠泉、江阴东分区每个分区内只有1座500 kV变电站，其余片区均至少有2座500 kV变电站。可见，随着电网的发展，电网分区数量越来越多，分区规模越来越小，无法充分发挥电网的规模效益，且供电可靠性有所降低。因此，针对500/220 kV供电分区、供电能力提升的相关研究是十分必要的。

图2 2030年江苏省220 kV电网分片结构示意图(38片)

2 分区供电能力的影响因素分析

500/220kV分区最大供电能力(total supply capability,TSC)指500/220 kV分区内500 kV主变、220 kV及以下电厂在满足N-1准则下，考虑实际运行约束下所能供给的最大负荷之和[9]。分区内500 kV变电容量越大、220 kV及以下电源装机容量越大，分区供电能力就越高，但同时分区短路电流水平也越高。

500/220 kV分区应在保证分区内各节点短路电流不越限的前提下，充分发挥分区内500 kV主变和电源的供电能力。

供电能力和供电能力提升指标公式如下：

(1)

式中TTSC——最大供电能力；

Snj——节点j的实际负荷；

N——节点总数。

(2)

针对电网分区供电能力的影响因素已有一定研究[10-11]，认为可从以下两个主要影响因素进行分析。

2.1 分区内短路电流水平

每个220 kV分区内，500 kV主变容量越大，接入的电源越多，则供电能力越强、分区规模越大。但是随着电源点和500 kV主变容量的增加，分区内短路电流水平也会迅速攀升，成为制约分区结构和规模的关键因素。

2.2 分区内潮流分布及联络通道通流容量

受负荷分布、电源分布、多级电磁环网等因素影响，可能会导致同一个片区内500 kV主变降压不均衡；当分区负荷增长时，部分变电站降压功率到达稳定限额，而其余变电站降压功率仍有较大的提升空间，造成供电能力无法充分发挥。

局部电网薄弱、输电通道潮流不均使得分区内线路输电能力得不到发挥或超出输电能力，也会限制分区供电能力。例如南京500 kV龙王山变向西环网的220 kV输电通道出现“卡脖子”问题，晓庄—下关/晓庄—中央断面潮流过重，晓庄—下关/晓庄—中央的输电能力限制了南京西环网的供电能力。江苏省电力公司已建成投运了国际领先的示范工程南京220 kV西环网统一潮流控制器(UPFC)，成功地解决了此问题[12]。

3 柔性直流输电的原理及技术优势

随着电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)的快速发展，基于其的直流输电系统已成为了直流输电系统发展的主流趋势。多端柔性直流输电系统(Multi-terminal HVDC)是在同一直流网架下，含2个以上VSC换流站的柔性直流系统，其显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电，从而为保证系统全局稳定性和潮流优化配置提供了良好的技术实现手段[13]。

目前的多端直流输电系统主回路拓扑主要有串联型、并联型和混联型三种方式(如图3所示)，目前研究和采用较多的主要是并联型拓扑结构，其中并联型又包含放射状和环网状两种拓扑(如图4所示)。

本文所用的多端柔性直流合环装置换流器选用先进模块化多电平(Modular Multilevel Converter，MMC)拓扑结构，单端拓扑形式及其输出波形如图5所示，相对于传统两电平和三电平拓扑方案，具备如下技术优势。

(1)从根本上解决了两电平或三电平对于依赖器件串联升压带来的均压问题；

(2)IGBT开关频率很低，减小了系统电磁噪声，提高了系统整体传输效率；

(3)由于电平数的大量提高，使得换流系统并网点谐波含量很少，无需交流侧高频滤波器，节省了投资成本和占地面积；

(4)模块化的结构使得容量拓展和冗余设计更为容易。

图5 柔性直流输电技术原理图

4 供电能力提升方案设想及仿真分析

目前，无锡的梅里和江阴西部及惠泉片区均只有一座500 kV变电站，因短路电流问题无法与附近分区合环运行，供电可靠性较低。考虑在联络通道蠡湖—扬名采用柔性直流输电技术(见图6)，可在不增加短路电流的前提下，将梅里和江阴西部及惠泉电网合环运行。

图6 梅里和江阴西及惠泉片区220 kV电网分片结构框图

四端口柔性直流接口站的主接线方案如图7所示。每回220 kV线路通过交流断路器连接到柔性直流换流器，柔性直流换流器的直流侧通过直流负荷开关连接到直流母线。

图7 四端口柔性直流接口站主接线原理图

220 kV分区供电能力仿真结果见表1。在采取措施前、梅里3×1 000 MVA主变及片区内望亭电厂供电能力3 450 MW，江阴西部及惠泉片3×1 000 MVA主变及片区内利港电厂供电能力4 150 MW，这两个片区供电能力合计7 600 MW。采用柔性直流互联后，整个梅里和江阴西部及惠泉电网供电能力合计约为8 000 MW，提高了约400 MW，供电能力提升率为5%。

表1 220 kV分区供电能力仿真结果

若将该项技术进行推广，可实现整个锡澄电网合环运行，可大大提高无锡电网的供电可靠性和供电能力。

5 结语

本文开展了多端柔性直流输电在江苏电网中提升供电能力的应用方案设想和仿真分析。仿真结果表明，该方法在提升电网供电能力方面效果显著。建议该方法可应用于电网中某个示范项目，以便于进一步验证其可行性和有效性。

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(本文编辑：赵艳粉)

Study of Power Grid Supply Capability Advance Based on Multi-terminal HVDC

DOU Fei1, WANG Wei-yuan1, YANG Lin1, QIAN Kang2, LI Tao2, WANG Jing-yi1, CHEN Guo-nian1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024,China;2. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102,China)

How to improve supply capability is the problem which it is urgent for micro-grid planning to solve. In this paper, combined with practical engineering design experience and the latest theoretical research results, we research the power supply capacity that is based on multi-terminal HVDC Flexible, propose the suggestionthat applying the approach to Jiangsu Power Grid, and complete the simulation analysis. The simulation results demonstrate that the method has remarkable effect in strengthening supply capability and good application prospect.

power Grid，supply capability，multi-terminal HVDC

10.11973/dlyny201701003

窦 飞(1979-)，男，高级工程师，从事电网规划及研究工作。

TM46；TM721.1

A

2095-1256(2017)01-0012-04

2016-12-23