电网强度对江苏直流落点电网无功电压稳定性的影响

汪惟源，窦　飞，杨　林，王静怡，陈国年，虞　暄，王丽君

(1.国网江苏省电力公司，南京　210024；2.华东电力设计院，上海　200001)

江苏电网将在“十三五”中后期投运锡盟、晋北两回高压直流输电线路[1]，与目前已投运的政平、锦苏直流一起，使江苏电网形成典型的多馈入交直流混联电网[2](Multi-infeed Direct Current，简称MIDC)。

直流输电对受端系统表现为不利的无功特性，在为受端系统提供电力的同时，需要消耗大量无功功率[2]，给交流系统的电压支撑能力带来了压力，MIDC将使这个问题变得更加复杂。交流系统中直流输电比重的增大将降低系统的电压稳定性[3]。与之同时一系列直流落点附近电网的交流网架加强和建设调相机的项目也在研究和建设中[4]，如期投产将提高系统的电压稳定性，建设调相机所存在的不确定性也将不同程度地对电网强度和电压稳定性带来影响。

短路比方法是判断多馈入系统电网强度的指标。文献[3]提出了多馈入短路比(Multi-infeed Short Circuit Ratio，简称MSCR)的定义。文献[4]从理论推导上对影响MSCR的因素进行了分析，提出直流落点间电气距离、直流落点处交流母线的系统网络结构，包括网络拓扑、线路阻抗、电源分布，都是多馈入短路比的影响因素。国际大电网会议(CIGRE)WG B4-41直流工作组给出了多馈入有效短路比(Multi-infeed Interactive Effective Short Circuit Ratio，简称MIESCR)的定义[5]，与MSCR定义相比排除了换流站交流滤波器及无功补偿设备的影响。

本文利用多馈入有效短路比指标分析江苏电网在关键电网建设因素影响下的电网强度，明确各因素对直流落点电网强度的影响强弱，并使用BPA程序对直流投产后江苏电网在不同工程建设进度下的无功电压稳定性进行仿真。

1　直流落点电网强度评估方法

1.1　有效短路比

在直流工程应用中，单馈入交直流系统通常采用有效短路比(Effective Short Circuit Ratio，简称ESCR)来衡量受端电网的强度，定义为交流系统在直流换流母线处的三相短路容量与该直流配置的滤波电容补偿装置差值再与直流额定输送功率的比值[5]。

(1)

式中SCCi——交流系统在直流换流母线处的三相短路容量；Qfi——该回直流配置的滤波电容补偿容量；Pdci——该回直流额定输送功率。

江苏电网在“十三五”中后期将建成4回直流线路，直流落点个数多、落点趋于集中，仅用单回直流的短路比不能够完整地反映多直流交互下落点电网的实际强弱。

1.2　多馈入短路比

文献[3]给出的多馈入短路比KMSCRi的定义：

(2)

式中Saci——第i回直流馈入换流母线的短路容量；Pdeqi——第i回直流考虑其他直流回路影响后的等值直流功率；Zeqij——从各直流换流母线看进去的等值节点阻抗矩阵的第i行、第j列元素；Pdi——第i回直流的额定直流功率。

式(2)由等值节点阻抗元素及其他直流的额定功率表示了各回直流间相互作用的部分，但没有排除换流站交流滤波器及无功补偿设备对结果的影响，同时计算需要通过戴维南等值将系统进行简化处理。

1.3　多馈入有效短路比

国际大电网会议(CIGRE)WG B4-41直流工作组给出的多馈入有效短路比MIESCR的定义[5]：

(3)

(4)

多馈入交互因子(Multi Infeed Interaction Factor，MIIF)表示当直流以额定功率运行时，由于无功投切或扰动原因，其他直流换流母线电压的下降率与本回直流换流母线电压下降率的比值，用来衡量其他直流对特定直流的影响大小。

文献[6]基于多馈入临界短路比和传统单馈入短路比衡量交直流受端系统强度的标准，给出了利用多馈入有效短路比划分多馈入交直流受端系统强弱的指标：极弱系统，MIESCRi<1.5；弱系统，1.52.5。

本文将采用MIESCR指标评估直流逆变站的电网强度情况，并使用文献[6]提出的评价指标对电网强度进行评价。

2　江苏直流落点地区电网强度分析

MIESCR将受到诸多因素的影响，如落点电网的三相短路容量、落点电网的网架拓扑结构、落点电网的无功充裕度配置等，这些都与受端电网的特性息息相关。在直流投产增加、占比增大的背景下，利用MIESCR指标分析网架拓扑改变和配置调相机对江苏直流落点电网强度的影响力[7-8]。

2.1　网架拓扑和调相机规划

(1)泰州-苏州特高压GIL过江通道。泰州至苏州特高压是特高压交流来电南送的通道，特高压GIL过江通道是泰州至苏州特高压通道的必要途径。特高压GIL过江通道投产难度较大，工程上存在滞后于锡盟直流双极投产的可能，将对直流周边网架拓扑带来影响[9-10]。

(2)江苏电网直流站安装调相机。江苏电网规划于2018年在政平、锦苏、晋北和锡盟直流站加装一定容量的调相机。

(3)泰州特高压站500 kV送出加强。为释放特高压泰州站的降压送出能力，规划于泰州第二台主变投产时配套扩建2回500 kV线路，届时泰州站将建成4回500 kV降压线路。泰州站送出加强将对直流周边网架拓扑带来影响。

2.2　泰州—苏州特高压线路配合直流投产的情况

泰州—苏州特高压线路若能配合锡盟直流双极投产，馈入江苏电网的各直流逆变站的多馈入交互因子MIIF见表1。其中，锡盟直流分层接入1 000 kV和500 kV电网，按照两回直流分别计算MIIF因子。

表1　特高压泰苏线建成情况下馈入江苏电网的各直流逆变站的多馈入交互因子

表1中，计入了截至2018年华东电网投产的全部±500 kV及以上的高压直流工程，但仅列出了江苏省内直流的计算结果。锡盟500 kV、锡盟1 000 kV和晋北直流之间的无功电压相互影响最强，表征了江苏新增直流落点之间的电气距离是比较近的，其他直流对新增直流落点的无功电压影响相对较弱。

在计算MIIF的基础上计算江苏直流落点各逆变站的多馈入有效短路比MIESCR，结果见表2。

表2　泰苏线建成情况下馈入江苏电网的直流逆变站的MIESCR

泰州—苏州特高压建成情况下，江苏电网各直流落点的多馈入短路比均在2.5以上，属于强系统；仅有锡盟500 kV直流落点电网稍弱。从整体来看，泰州—苏州特高压建成后，江苏电网作为受端系统属强系统，其对多馈入直流输电系统的无功电压支撑能力较大。

2.3　泰州—苏州特高压滞后直流投产对电网强度的影响

特高压1 000 kV泰州—苏州线路包含技术难度很高的GIL长江大跨越工程，从目前工程进度上来看，存在滞后于锡盟直流投产的可能性[11-13]。特高压线路推迟投产将显著地影响到锡盟直流落点的网架拓扑，有必要对特高压线路推迟投产情况下江苏新增直流落点的MIIF和MIESCR进行分析，其数据见表3和表4。

表3　特高压泰苏线滞后于锡盟直流投产，馈入江苏电网的直流逆变站的MIIF

表4　特高压泰苏线滞后于锡盟直流投产，馈入江苏电网的直流逆变站的MIESCR

特高压泰州—苏州线路推迟投产，政平、同里直流对锡盟1 000 kV母线的交互因子由于网络减弱而明显降低，导致锡盟1 000 kV直流等值功率下降，但网络减弱的同时也降低了母线短路容量，这些因素共同引起了锡盟直流1 000 kV落点的MIESCR下降至仅有2.15，成为弱系统，其周边电网的安全稳定性明显降低[14]。

2.4　建设调相机对电网强度的影响

在地区无功平衡已经确定的条件下，不新增无功容量，考虑建设一定数量的调相机，计算得到江苏各直流落点MIIF和MIESCR变化如表5和表6所示。

调相机建设后，对各直流落点的MIIF影响较小，但对提高短路容量效果明显，也提高了各直流落点的MIESCR。锡盟直流1 000 kV落点的MIESCR从2.15回升至2.31，锡盟500 kV落点的MIESCR从2.35回升至2.62。

表5　特高压泰苏线滞后于锡盟直流投产，调相机建成情况下，馈入江苏电网的直流逆变站的MIIF

表6　特高压泰苏线滞后于锡盟直流投产，调相机建成情况下，馈入江苏电网的直流逆变站的MIESCR

2.5　泰州特高压站500 kV送出加强对电网强度的影响

考虑从加强泰州特高压站500 kV送出能力的角度提高锡盟直流落点电网的MIESCR，在泰州扩建第二台主变投产时配套扩建2回500 kV线路，计算得到江苏各直流落点的MIIF和MIESCR变化如表7和表8所示。

泰州站送出加强选取了500 kV层面，计算结果表明，对各直流落点的MIIF影响不一，锡盟1 000 kV对锡盟500 kV之间相互影响因子均减小、锡盟对晋北的影响因子减小，而距离较远的政平、同里直流基本无影响。与之同时，500 kV网架加强抬高了锡盟直流落点的短路容量，有助于提高MIESCR。锡盟直流1 000 kV落点的MIESCR从2.15回升至2.76，锡盟500 kV落点的MIESCR从2.35回升至2.90。此工程建成后提高锡盟直流落点的电网强度效果明显。

表7　特高压泰苏线滞后于锡盟直流投产，泰州特高压站500 kV送出加强情况下，馈入江苏电网的直流逆变站的MIIF

实施加强网架和建设调相机这两类措施后可以得到以下结论。

表8　特高压泰苏线滞后于锡盟直流投产，泰州特高压站500 kV送出加强情况下，馈入江苏电网的直流逆变站的MIESCR

(1)加强特高压网架和加强500 kV网架对直流落点MIIF因子影响力不同，加强1 000 kV网架的影响范围广，加强500 kV网架将仅影响到附近直流的MIIF因子。

(2)建设调相机对各直流落点的MIIF因子影响微弱。

(3)两类措施均能够增加电网的短路容量，从而提高周边直流落点电网的MIESCR。

3　直流落点地区无功电压仿真

采用中国电科院BPA仿真工具，发电机采用含阻尼绕组的双轴模型(次暂态模型)计及励磁和调速系统，对新增直流落点在关键工程不同进度下的暂态稳定性进行仿真，选取的故障为，特高压南京—泰州线路“N-2”三永故障。不同方式下计算结果见图1至图3。

图1　泰苏线未建成，故障下锡盟电压曲线

图2　泰苏线未建成，泰州站送出加强前后，故障下锡盟电压曲线

图3　泰苏线建成，调相机建成与否，故障下锡盟电压曲线

由仿真计算结果表明，过江大跨越若推迟投产将减弱泰州直流落点周边电网事故支援能力，南京—泰州特高压线路“N-2”故障下，泰州单极容量将全部由泰州特高压主变降压后转供，泰州1 000 kV换流站交流母线出现电压失稳现象。若泰州站500 kV送出加强或特高压泰苏线建成，系统可保持稳定。调相机能够改善故障后的电压恢复曲线，但对无功电压稳定性的改善能力弱于泰州站送出加强措施。此结果一定程度上验证了多馈入有效短路比计算中的相应结论。

4　结语

特高压1 000 kV泰州—苏州线路的投产进度将明显影响到锡盟直流落点电网的MIESCR。对于特高压1 000 kV泰州—苏州线路滞后于直流投产的情况，本文从增加调相机和加强网架两个思路研究了对直流落点MIESCR的提高效果。建设调相机的措施将主要影响到接入点的短路容量，加强网架能够同时起作用于MIIF因子和短路容量。在算例所涉及的情况下，网架加强对于提高电网强度的效果相对显著。通过合理加强网架并安装调相机，江苏直流落点电网均属于多馈入有效短路比定义下的强系统。

下一步的工作中可系统地研究提升多馈入电网薄弱环节处的MIESCR的有效方式，并在工程实际中注重直流系统MIESCR的校验，以期合理提高多馈入交直流混联电网的无功电压稳定性，保障系统无功电压安全运行。

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