湖南特高压交直流输电相互影响研究.pdf

第 3 l 卷增刊 1 湖南电力 H U N A N E L E C I RI C P O R 2 0 1 1年 5月 d o i ： 1 o 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 0 1 9 8 2 0 1 1 Z 1 0 1 1 湖南特高压交直流输电相互影响研究 宋军英 王学文 ， 卜文烽。 。陈红坤。 ( 1 湖南省电力公司调度通信局，湖南 长沙4 1 0 0 0 7 ； 2 湖南科技大学，湖南 湘潭4 1 1 1 0 0 ； 3 武汉大学电气工程学院，湖北 武汉4 3 0 0 7 2 ) 摘要：根据电网发展规划，“ 十二五”期间，1 0 0 0 k V特高压交流输电工程和 8 0 0 k V特高压直流输电工程将同时落点湖南，分析特高压交流电网安全稳定性具有重要意 义。本文基于P S A S P仿真软件，开展特高压交直流投产后，湖南电网的总体受电能力 研究，对特高压交流和直流输电相互影响进行详细分析与计算。由于特高压交直流分别 故障将造成 大量潮流转移 ，因此 2 0 1 5年湖南电网总体受电能力受到制约，并提 出采取 特高压交直流线路跳闸或闭锁启动切部分负荷的措施，以控制湖南电网电压在合理范围 内，确保 电网安全稳定运行。 关键词 ：湖 南电网；特高压交直流相互影响 ；电压波动；安全稳定 中图分类号 ：T M7 2 6 1 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 8 0 1 9 8 ( 2 0 1 1 ) S 1 - 0 0 4 6 - 0 4 特高压输电具有传送功率大、线路造价低等优 点，是目前作为高电压、大容量、长距离送电和联 网的重要手段【 1 】 。国内外大量 的研究成果表 明： 当输电距离较长、输送容量较大时， 从经济和环境 等角度考虑 ，特高压送 电是优选 的输 电方案 】 。 随着湖南经济的发展，电力的需求越来越大， 但湖 南是一次能源比较缺乏的省份，仅靠本省能源难以 满足电力需求。根据国家电网公司规划，特高压 交、直流输 电将于 “ 十二五”期间在湖南落点。 特高压交直流送电湖南，将在一定程度上缓解能源 紧缺的问题。但特高压交、直流输电系统同时落点 同一电网的安全稳定运行技术给湖南电网带来新的 挑战，特别是对于这种远距离、大容量、交直流输 电同时馈人的运行电网， 其运行特性更加复杂。因 此，对湖南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特性，对 于保证湖南电网安全稳定运行具有重要意义。 以下将根据湖南电网2 0 1 5 年规划网络，采用 P S A S P计算程序，充分研究湖南电网受电能力 ，详 细研究特高压交流、直流各种故障下的相互影响特 性，针对存在的问题提出相应的应对措施和控制方 法 。 收稿 日 期 ： 2 0 1 1 0 4 - 0 8 4 6 1 湖南特高压 系统简介 1 1 特高压 交直流输电工程 荆门一长沙特高压交流工程预计于 2 0 1 3 年建 成，1 0 0 0 k V特高压主变 2台总容量 6 0 0 0 M V A， 1 0 0 0 k V 交流特高压线路 2回，单回线路长度 3 6 7 k m o 酒泉一湘潭 8 0 0 k V特高压直流工程预计于 2 0 1 5年建成投运，其额定电流4 6 5 k A ，双极额定 功率7 5 0 0 M W。 1 2 湖南与外网运行方式 正常情况下，湖南电网经2回1 0 0 0 k V联络线 ( 即荆 门一长沙双回)以及 3回5 0 0k V联络线 ( 葛 换一岗市、江陵一常德北双回)与湖北电网联 网 运行，甘肃电网通过 8 0 0 k V特高压直流 ( 额定 功率7 5 0 0 M W)与湘潭换流站联网运行。 2 湖南电网受电能力分析 由于特高压交、直流输电均接人长株潭重负荷 中心，其输送功率大，特高压交直流的安全稳定运 行直接影响到湖南电网的受电能力【 4 】 。湖南电网 的受电能力主要受以下3 方面的影响： ( 1 )特高压交流线的静态稳定极限； 第 3 1 卷增刊 1 宋军英等：湖南特高压交直流输电相互影响研究 2 0 1 1 年5月 ( 2 )特高压直流设备故障是否会造成大功率 转移到特高压交流及 5 0 0 k V联络通道上，导致潮 流过载，负荷中心是否存在电压稳定问题 ； ( 3 )1 0 0 0 k V 5 0 0 k V交流输变电设备故障， 直流系统是否会造成换相失败，甚至造成直流闭 锁。 2 1 荆门一长沙南送静态稳定极限分析 特高压交流线静稳极限分析采用工程实用近似 算法，在夏大方式下，通过增加湖北电源出力、减 小湖南电源出力来增加荆门一长沙线路的输送功 率，若湘网内任 l 回线路无故障跳闸，系统不能稳 定运行时，荆门一长沙的临界输电功率即为特高压 线路静态稳定极限。通过计算得出 2 0 1 5年荆门至 长沙2回特高压交流线的静态稳极限为 5 1 0 0 M W。 2 2 荆门一长沙送湘功率极限 荆门一长沙输变电工程投运后，与3回5 0 0 k V 鄂湘联络线形成 l 0 0 0 k V 5 0 0 k V电磁环网，该电 磁环网的存在影响荆门长沙线路的南送输送功 率。 计算特高压交流线南送功率极限使用 2 0 1 5年 丰水期酒泉直流送湘功率为 0的方式。通过增加湖 北外网机组开机方式 ， 减小湘网机组开机方式，将 特高压交流线 2回南送功率之和调整为2 2 0 0 M W， 对应的宋家坝至岗市南送功率 9 6 0 M W，江陵至常 德北双回线路南送功率之和为1 1 0 0 M w。在此方 式下，若同杆并架双回特高压交流线路跳闸，鄂湘 5 0 0 k V联络线葛岗线潮流为 1 6 2 3 M W，基本接近 其热稳定极 限 1 6 2 8 MW，同时 ，江陵至常德北双 回线路传输功率之和为 2 8 0 0 M W。在该方式下， 1 0 0 0 k V 5 0 0 k V线路及变压器均能通过三相故障 校核 。 若继续增加湖南特高压交流线南送输送功率至 3 5 0 0 M W，此时，鄂湘 3回5 0 0 k V联络线输送潮 流为 2 5 0 0 M W。在该方式下，特高压交流线路双 回同时跳闸，5 0 0 k V葛岗线将超热稳定极限，采 取切除湘中地区部分负荷的措施，5 0 0 k V鄂湘联 络线输送功率能在控制功率范围内，且 1 0 0 0 k V 5 0 0 k V线路及变压器均能通过三相故障校核。 根据以上分析可知，在特高压直流输送功率为 0的方式下，影响湖南电网受电能力的主要问题是 1 0 0 0 k V 5 0 0 k V鄂湘联络线的一 l 热稳定极限问 题而不是暂态稳定问题。因此，在未采取切除湘中 负荷措施的情况下，湖南电网总体受电能力约为 4 2 0 0 M W， 采取切除湘中地区部分负荷的措施后， 湖南电网总体受电能力约为6 0 0 0 M W。 2 3 酒泉直流送湘功率极限 酒泉直流特高压双极运行且送湘功率为 7 5 0 0 M W时，调整特高压交流线路总潮流为 6 0 0 M W， 5 0 0 k V鄂湘联络线潮流之和为 l 2 0 0 M W。在该运 行方式下，特高压交流线输送功率较小，一旦特高 压直流双极闭锁，其输送功率潮流的8 0 将转移 至特高压交流线上，导致特高压交流线超过其静态 稳定极限而解列，但在该方式下 1 0 0 0 k V 5 0 0 k V 线路及变压器均能通过三相故障校核。为防止特高 压直流双极闭锁，导致特高压交流线解列运行，需 限制酒泉直流输送功率不超过6 0 0 0 M w。 酒泉直流单极运行送湘功率为 3 7 5 0 M W，若 控制湖南总受电功率不超过 6 0 0 0 M W，可保证酒 泉特高压直流单极闭锁后，转移到特高压交流线上 的功率不超静态稳定极限而导致特高压线路解列。 在该方式下 1 0 0 0 k V 5 0 0 k V线路及变压器均能通 过三相故障校核。 若采取酒泉特高压直流双极或单极闭锁后切除 部分负荷中心负荷的措施后，湖南电网总体受电能 力可提高至 7 5 0 0 MW。 因此，在没有采取任何措施的情况下，湖南电 网总受电功率不超过6 0 0 0 M W。若采取酒泉直流 双极闭锁切除负荷中心部分负荷措施，可将酒泉直 流送湘功率提高至 7 5 0 0 M W。 3 特高压交直流系统安全稳定分析 3 1 特高压交流线故障对酒泉直流 的影响 以下使用 P S A S P 程序，在 2 0 1 5 年规划网络数 据基础上，对 l 0 0 0 k V 5 0 0 k V输变电设备发生三 相故障是否会引起特高压直流发生换相失败或闭锁 进行分析。特高压直流换相失败和直流闭锁的条件 如表 l 所示。 表 1 直流换相失败、恢复和闭锁条件 直流换相失败条件 ，( 关断角) 1 2 度且换流变直流侧电压大于o 6 U 直流闭锁条件 2 6 s 内发生换相失败的次数 3 次 采用的计算方式是湖南电网通过特高压交直流 线路受电，夏大方式，特高压直流双极运行送湘功 率为6 0 0 0 M W，特高压交流线和5 0 0 k V联络线送 湘功率为 1 8 0 0 MW。 采用的故障类型为湖南电网 1 0 0 0 k V输变电设 备、换流站交流侧和湖南电网内其余 5 0 0 k v输变 4 7 第3 l 卷增刊 1 湖南电力 2 0 1 1 年5月 电设备分别发生三相短路故障且正常切除。 计算结果表明 l 0 0 0 k V 5 0 0 k V输变电设备三 相短路故障，引起交流母线电压降低，直流电流增 大， 所需的换相时间和关断时间相应增大 】 ，均 会导致特高压直流逆变侧换相失败，但不会导致特 高压直流逆变侧连续换相失败而引起直流闭锁，详 见表 2 。 表2 特高压交流故障时直流换相失败情况 特高压交直流输电线路投产后，虽然长株潭地 区各交流母线间电气距离大大缩短了，但特高压直 流换流器受交流系统故障影响的程度有所增加。从 表2的计算结果可以看出，特高压交流母线及其他 5 0 0 k V母线故障，会导致换相失败，但是不会引 起连续换相失败，故障后能快速恢复。 3 2 酒泉直流闭锁对特高压交流系统电压影响 特高压直流输电单极或双极闭锁后，湖南电网 交流系统能维持暂态稳定运行 ， 但由于特高压直流 输电系统所需无功功率主要由换流站的滤波电容器 组和固定的电容器组提供，直流紧急闭锁的同时， 连带切除了换流站的补偿电容器组，无功补偿装置 的瞬间切除将引起送、受端周边电网的电压的暂态 下降 1o J 。同时，特高压直流系统双极闭锁将潮流 大量转移至特高压交流线上，增加了特高压交流系 统和受端系统的无功损耗，负荷中心电压将有可能 偏低运行，采取直流闭锁切除负荷中心部分负荷的 措施，并在负荷中心投入一定容量的无功补偿装 置，以确保运行电压在合理范围内。 图1 为特高压直流双极闭锁后 ，特高压长沙站 5 0 0 k V母线的变化情况，从图中可看出，特高压 母线电压波动幅度较大，同时最后的稳态电压偏 低 ，约为 5 0 5 k V。 。 3 3电网安全稳定分析 在特高压交流线输送功率较大 ( 3 5 0 0 M W) 时，通过对湖南电网内 1 0 0 0 k V 5 0 0 k V输变电设 备进行故障扫描分析，得到如下结论： ( 1 )荆门至长沙特高压线路及主变均能通过 三相故障校核。 4 8 = 忸l 螺 电 堪 追 聋 图1 特高压直流双极闭锁特高压5 0 0 k V母线 电压波动曲线 ( 2 ) 由于 2 0 1 5年特高压落点湖南 ，2 2 0 k V 5 0 0 k V网络得到了加强，湖南电网稳定水平有了 一 定提高，加上负荷的增长，湘西电源外送稳定水 平得到了提高，其电源出力基本不受限。但是由于 “ 十二五”期间湖南电网新增电源容量不大，大量 电力需从外区获取，在负荷中心开机方式较小时， 湘中及湘南地区仍然存在暂态电压稳定问题 ，部分 5 0 0 k V线路故障需采取切除负荷中心部分负荷的 措施 。 ( 3 )特高压交流线功率送湘时，其单回或双 回跳闸，将引起负荷中心电压下降较多，特高压交 流线单回或双回跳闸后，特高压站 5 0 0 k V母线的 电压波动情况见图2 。从图中可看出，特高压交流 单回线跳闸，5 0 0 k V母线在 5 0 5 k V附近波动，而 同杆并架双回特高压线路同时跳闸，其 5 0 0 k V母 线电压仅在 4 8 0 k V左右。因此，在特高压线路故 障跳闸， 未切除部分负荷时，交流系统电压偏低。 需采取特高压交流线跳闸切除负荷中心部分负荷的 措施，同时在相应的变电站配备足够的无功补偿容 量 。 图2 特高压交流线 N一 1 或 N一 2 跳闸后特高压站 5 o o k v母线电压 4 结论及建议 ( I )湖南电网特高压交流线路故障会引起特 高压直流发生短时换向失败 ，故障切除后，特高压 第3 1 卷增刊 1 宋军英等：湖南特高压交直流输电相互影响研究 2 0 1 1 年5月 直流能快速恢复换相，不会引发特高压直流闭锁。 ( 2 )特高压直流单级或双极闭锁，将造成大 量潮流转移至特高压交流线上，湖南电网的总体受 电能力受到一定限制。 ( 3 )特高压交流线功率送湘时，该线路跳闸， 会导致湖南电网负荷母线电压跌落较低，同时电压 波动幅度较大， 需采取特高压交流线跳闸启动切除 负荷中心部分负荷的措施。 ( 4 )特高压直流线单极或双极闭锁，回导致 湖南电网中负荷母线电压下降较多，同时电压波动 幅度较大，需采取特高压直流单极或双极闭锁启动 切负荷中心部分负荷的措施。 ( 5 )由于特高压交直流输送功率较大，特高 压交流、直流线路分别跳闸或闭锁，湖南电网将产 生较大的功率缺额，在实际运行中需在湖南电网内 留有充足的备用容量，防止系统电力不足，影响用 户可靠供电。 参考文献 ( 1 】黄志龙，杨卫东，杨增辉等 大受端电网内交直流相互影响 研究 ( J 】 华东电力 2 O O 9( 1 O ) ：1 6 5 0 1 6 5 6 C 2 3周达山 关 于交、直流输电系统相互影响的两个基本问题 J ) 华中电力 1 9 9 3( S 2 ) ： 5 3 5 9 C 3 J毛雪雁。孙黎滢， 徐政等 浙江特高压交直流混合电网系统 稳定性研究 ( J 】 浙江电力 2 0 1 0( 6 ) ：1 - 4 C 4 3周保荣， 金小明， 吴小辰等 特高压直流对交直流并联电网 安全稳定影响 J 】 南方电网技术 2 0 1 0( 2 ) ： 3 1 - 3 4 5 】王路复杂交、直流互联系统的电磁一机电暂态混合仿真和 相关问题的研究 D 四川大学，2 0 0 5 6 】荆勇。欧开健， 任震 交流单相故障对高压直流输电换相失 败的影响 J 】 高电压技术 2 0 0 4( 3 ) ： 6 o - 6 2 7 】何朝荣 ， 李兴源，金小明等 高压直流输电系统换相失败判 断标准的仿真分析 J 电网技术 2 0 0 7( 1 ) ：2 0 2 4 8 C v T h i o ，J B D a v i e s ， kLK e n t C o m m u t a t i o n f a i u r e s i n H V D C t r a n s m i s s i o n s y s t e m s J I E E E T r a n s a c t l o n s o n P o w e r D e l i v e r y 1 9 9 6 1 1( 2 ) ： 9 4 6 - 9 5 7 9 杨雄平，罗向东，李扬絮等 南方电网直流闭锁故障时受端 系统电压稳定问题分析 J 电力系统保护与控制 2 0 0 8 ( 2 2 ) ：4 0 4 3 1 0 3 D e n i s L e e H a u A i k 。G o r a n A n d e s m L I m p a c t 0 f d y n a m i c s y s t e m m o d e l l i n g o n t h e p o w e r s t a b i l i t y 0 f H Y D C s y s t e m s【 M】 N e w Yo r k，NY，US A，1 9 9 9：l 1 7 0 ( 1 1 胡金磊 多运行方式下交直流系统低电压切负荷策略 J 】 电气应用 2 0 0 9( 9 ) ： 4 4 4 9 作者简介 宋军英( 1 9 6 9 一) ，江西南昌人 。高工，从事电力系统运行与管 理方面的工作。 王学文(