（电工理论与新技术专业论文）考虑特高压的福建电网稳定性仿真研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文考虑特高压的福建电网稳定性仿真研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 至亟! 互 日期：竺12 ：5 ：竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件l 学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垃 导师签名： 日期：翌! ! ：兰：万 寸毒lr ， 毫 华北电力大学硕士学位论文 摘要 我国从能源和负荷分布现状以及从世界各国电网发展的新趋势出发，提出 了以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展为基础的坚强智能电网的战略 目标。本文从特高压智能电网的发展趋势出发，对2 0 15 年以及2 0 2 0 年福建规 划建设的特高压交直流电网进行了仿真计算研究，包括：电网的结构分析；b p a 中发电机和负荷模型以及直流一次系统模型和控制模型的选取；潮流计算分析； 短路比计算分析；功角稳定、电压稳定的计算分析。本文还由福建电网仿真的 结果以及福建所处的地理位置，联想到海峡两岸电网的互联，并对海峡两岸的 互联进行了必要性及可行性分析，最后对选择的联网方式和地点进行了进一步 的仿真研究 关键词t 特高压，交直流，短路比暂态稳定，直流电缆 a b s t r a c t j u d g i n gf r o mt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fe n e r g ya n d1 0 a dd i s t r i b u t i o na n dan e wt r e n do f p o w e r 鲥dd e v e l o p m e n ta r o u n dt h ew o r l d ，c h i n ap u tf o r w a r das t r a t e g i cg o a lo fs t r o n ga n d s m a r tg r i db a s e do ne l - i vp o w e rg r i da st h eb a c k b o n e ，c o o r d i n a t e dd e v e l o p m e n to fp o w e r 鲥d so fa l ll e v e l s i nt h i sp a p e r , s t a r t i n gf r o mt h et r e n do fe x t r a - h i g hv o l t a g es m a r tg r i d d e v e l o p m e n t , s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o ns t u d i e so nt h ee h vp o w e r 酣d o ff u j i a n sp l a na n d c o n s t r u c t i o ni n2 015a n d2 0 2 0a 坞c a r r i e do u l ，i n c l u d i n ga n a l y s i so fp o w e rf l o wc a l c u l a t i o n , s h o r tc i r c u i tr a t i o ，p o w e ra n g l es t a b i l i t ya n dv o l t a g es t a b i l i t yc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gf r o mt h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n ，a sw e l la sf u j i a n sg e o g r a p h i cl o c a t i o n , t h i sa r t i c l ea l s ot h i n k so ft h e c r o s s s t r a i t 鲥di n t e r c o n n e c t i o n , a n dc a r r i e so u tn e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t ya n a l y s i sa n df u r t h e r s i m u l a t i o ns t u d y w a n gy a n g u a n g ( e l e c t r i c a lt h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f a ix i n k e yw o r d s ：e h v , a c f d c , s h o dc i r c u i tr a t i o , t r a n s i e n ts t a b i l i t y ，d cc a b l e 华北电力大学颀士学位论义 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文主要研究内容4 第二章特高压交直流稳定性理论基础6 2 1 电力系统稳定性定义6 2 1 1 功角稳定6 2 1 2 电压稳定7 2 1 3 频率稳定7 2 2 交流特高压输电特点8 2 2 i 交流特高压的稳定性8 2 2 2 交流特高压的作用8 2 3 高压直流输电的特点9 2 3 1 高压直流输电的作用9 2 3 2 直流控制模型l o 2 4 本章小结1 4 第三章福建特高压电网暂态稳定与电压稳定仿真研究1 5 3 1 福建特高压电网概况1 5 3 2 仿真软件b p a 及仿真模型简介1 6 3 2 1 计算程序1 6 3 2 2 计算条件16 3 32 0 2 0 年交流母线短路比的分析1 9 3 4 潮流计算结果分析2 0 3 4 12 0 1 5 年潮流计算结果分析。2 0 3 4 22 0 2 0 年潮流结果分析2l 3 5 暂态功角稳定与动态电压稳定分析。2 3 3 5 1 稳定判据与计算原则。2 3 3 5 22 0 1 5 年稳定结果分析2 4 n 华北电力大学顾士学位论文 3 5 32 0 2 0 年稳定结果分析3 0 3 6 本章小结3 4 第四章跨海峡电网互联可行性研究3 5 4 1 台湾电网概况3 5 4 2 海峡两岸电网互联的必要性3 6 4 3 海峡两岸电网互联的可行性分析3 7 4 3 1 台湾电网跟福建电网实现互联的形式3 7 4 3 2 联网对福建电网的影响4 0 4 4 本章小结4 6 第五章结论与展望4 7 5 1 结论4 7 5 2 展望4 8 参考文献4 9 j 1 5 【谢! ；l 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文。5 2 i l l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 电力工业是关系国计民生的基础产业，我国经济发展迅猛，对电力的需求也与日 俱增。我国是全球第一大煤炭消费国和第二大石油、电力消费国。我国一次能源在 地域分布上呈现“北多南少 、“西多东少的格局。这与我国区域经济发展水平 和能源消费水平非常的不统一。从煤炭资源看，昆仑山一秦岭一大别山以北，煤炭 资源的保有储量占全国的9 0 3 ；大兴安岭一太行山一雪峰山以西煤炭保有储量占 8 5 9 8 。而主要中心负荷区京津冀、华东六省一市，以及广东省，总共煤炭保有储 量仅占7 0 。从水力资源看，9 0 以上集中在京广铁路以西，西部1 2 个省区占有 全国的7 9 3 ，四川、西藏和云南占到了5 7 ，而东部沿海1 2 个省市只占8 9 。 而且我国地区间开发程度差别很大，东部水电开发程度高达6 8 ，西部开发程度低， 仅有1 2 5 。计划新增的1 8 亿千瓦水电中，约1 6 亿千瓦在西部。预计2 0 2 0 年全 社会用电量将比2 0 0 0 年净增3 2 5 万亿千瓦时，其中华东电网、华北电网、南方电 网占全国新增用电量的2 3 以上，但这些地区大多缺少一次能源【1 1 这种能源分布 与消费的不平衡状况，决定了能源资源必须在全国范围内优化配置，以大煤电基地、 大水电基地为依托，实现煤电就地转换和水电大规模开发，实现跨地区、夸流域水 火互济，将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中东部地区。 我国现有电网主要以5 0 0 k v 交流和5 0 0 k v 直流系统为主，电力输送能力和规 模受到严重的制约。只有加快建设电压等级更高、网络结构更强、资源配置规模更 大的特高压电网才能满足大规模的电力输送和供应。同时发展特高压电网，也有利 于西部地区将资源优势转化为经济优势，促进西部大开发，实现区域经济协调发展； 有利于在西部和北部煤炭基地发展壮大一批大型煤炭和发电企业，提高煤炭和发电 行业的集约化发展水平，提高资源的开发和利用率【2 】。 我国的电力工业长期以来“重发轻供 ，造成对电网投入不足，导致电网建设 严重滞后。近年来随着电源建设的步伐加快，电网规划建设之后的矛盾进一步加剧。 电网建设难以有效促进西部煤电基地的集约化开发，造成东部地区新增大量煤电项 目，加剧了煤炭供应和交通运输的紧张局面，降低了全国范围内的能源配置和利用 效率，同时也增加了环保压力，影响了国家的整体利益。因此，必须加快特高压电 网建设，促进电网与电源协调发展，推动国家电力市场建设，满足国民经济发展的 需要。 我国的东南沿海地区是需要接受特高压支援的重要地区。除了众所周知的长江 三角洲、珠江三角洲等传统经济发达区域，海峡西岸经济区成为近年来倍受重视的 1 一 华北电力大学硕士学位论文 经济区。海峡西岸经济区东与台湾地区一水相隔，北承长江三角洲，南接珠江三角 洲，是我国沿海经济地带的重要组成部分，在全国区域经济发展布局中处于重要的 位置。福建省在海峡西岸经济区中居主体地位，与台湾地区地缘相近、血缘相亲、 文缘相承、商缘相连、法缘相循，具有对台交往的独特优势。近年来，福建省大力 推进海峡西岸经济区建设，综合实力不断增强，为进一步加快发展奠定了坚实的基 础。 海西经济发展和人民生活水平的不断提高，对电力安全、经济、可靠的供应提 出更高的要求。然而，在我国的福建省电力工业发展面临着电力需求与一次能源资 源总量不足、电力发展与生态环境保护约束、能源利用效率偏低、支撑能力不足的 挑战；面临着电力结构不合理、电网发展滞后的瓶颈制约。为实现福建省电力工业 健康协调可持续发展，提高电力工业的整体效益，必须转变电力发展方式，结合本 省能源资源、运输和环保等具体条件，科学规划，统筹协调，优化电源结构和布局， 充分发挥电网在能源资源优化配置中的功能与作用。目前的规划中，到2 0 2 0 年福 建省内将建成特高压交直流电网并与全国特高压相联，共同组成我国坚强智能电网 战略中的骨干网。特高压全国联网的实现有助于早日推进台湾电网这样的孤岛电网 与大陆电网的互联。 当前，两岸关系出现重大的积极变化，为海峡西岸经济区加快发展和开展与台 湾地区合作提供了重要机遇。兴建特高压骨干电网，并实现海峡两岸电网互联，是 支持福建省加快海峡西岸经济区建设，是进一步发挥福建省比较优势，实现又好又 快发展的迫切需要；是完善沿海地区经济布局，推动海峡西岸其他地区和台商投资 相对集中地区发展的重大举措；也是加强两岸交流合作，推进祖国和平统一大业的 战略部署，具有重大的经济意义和政治意义。 随着电网互联以及大功率电力电子技术的应用，使得现代电网日趋庞大和复 杂，安全稳定问题日益突出，这对电力系统运行和控制技术提出了更高的要求。电 力系统仿真作为一种重要的研究手段，对于分析复杂电力系统特性，检验新技术和 新设备的性能及其对电网的影响，指定安全可靠运行和控制策略，具有不可替代的 作用1 3 1 。所以利用仿真技术来分析特高压电网具有实际意义。 1 2 国内外研究现状 特高压交流输电技术的研究始于6 0 年代后半期当时西方工业国家的电力工 业处在快速增长时期，美国、前苏联、意大利、加拿大，德国、日本、瑞典等均据 本国的经济增长和电力需求预测制定了本国发展特高压的计划。美国、前苏联、日 本、意大利还建设了特高压试验站和试验线段，专门研究特高压输变电技术及相关 输变电设备前苏联从7 0 年代末开始建设1 1 5 0 k v 输电工程。1 9 8 5 年建成埃基巴斯 华北电力大学硕士学位论文 图兹一科克切塔夫一库斯坦奈特高压线路，全长9 0 0k m ，按1 1 5 0k v 电压投入运行， 到1 9 9 4 年已建成特高压线路全长2 6 3 4 k m 。运行情况表明：所采用的线路和变电站 的结构基本合理，特高压变压器、电抗器、断路器等重大设备经受住了各种运行条 件的考验，投运后一直运行正常。在1 9 9 1 年，由于前苏联解体和经济衰退，电力 需求明显不足，导致特高压线路降压至5 0 0k v 运行1 4 1 。 日本是世界第二个采用特高压输电的国家。为输送沿海大型核电站电能到负荷 中心并最大程度地节省线路走廊，日本1 9 7 3 年开始研究特高压输电，不仅因为它 输电能力为5 0 0k v 系统的4 5 倍，而且可解决5 0 0k v 系统短路电流过大难以开断 的问题。通过综合比较，日本在8 0 0 1 5 0 0k v 间选定1 0 0 0k v 为特高压系统的标称 电压，目前已建成全长4 2 6 k m 的东京外环特高压输电线路。为保证特高压系统的可 靠运行，日本建设了盐原、赤城两个特高压试验研究基地，在新榛名特高压变电站 全电压运行考核多家制造商研制的特高压输变电设备长达八年，运行情况良好，证 明特高压输变电设备可满足系统的可靠运行。 美国从2 0 世纪6 0 年代后半期就开展了特高压输电技术的研究。当时，美国经 济经历了将近二十年的快速增长期，电力工业也随之高速发展，为了满足输电需求， 输电电压等级迅速提高，1 9 6 9 年美国最高运行电压已达到7 6 5 千伏并有向更高电压 等级发展的趋势。美国特高压研究包括两个电压水平，一个是以美国电力公司( a e p ) 为代表的1 5 0 0 千伏特高压( 最高电压1 6 0 0 千伏) ，另一个是以邦德维尔电力局( b p a ) 为代表的1 1 0 0 千伏特高压( 最高电压1 2 0 0 千伏) 。通过建设特高压试验场，美国对 包括线路、变压器、避雷器、断路器等设备在内的关键问题以及特高压线路对环境 的影响进行了逐一研究，证明了交流特高压输电技术的可行性，取得了较全面的成 果。但2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，美国经济增长速度下降，电力需求发展趋缓。 同时，美国能源资源分布状况适合发展分布式能源，电源结构也相对合理。这些因 素降低了长距离大容量输电的需求延缓了特高压技术的应用【5 l 。 虽然由于经济、政治等不同原因导致这三个国家建设的特高压已经降压运行 了，但是总的看来，特高压还是经济发展的趋势。 2 0 世纪7 0 年代，意大利计划在南部海岸地区建设总容量为5 0 0 0 兆瓦以上的核 电站和火电站，并向北部工业区输送电力。意大利国家电力局( e n e l ) 通过技术 和经济比较计划采用1 0 0 0 千伏( 最高运行电压1 0 5 0 千伏) 特高压输电线路实现 南电北送，该工程在1 9 9 5 年投运。从1 9 9 5 年l o 月至1 9 9 7 年1 2 月的带电运行中， 仅发生了两次小的故障，第一次与电缆冷却系统有关，第二次与变压器冷却系统有 关。意大利通过两年的全电压运行经验，证明了其设备设计的正确性 2 0 世纪9 0 年代，为了开发亚马逊河右岸几条重要支流的巨大水能资源，巴西 电力中央研究所开始与有关制造厂家共同研究特高压直流输电技术，制造了部分模 型设备，并且进行了长期带电试验，取得了初步成果目前，巴西正积极开展国际 3 一 华北电力大学硕士学位论文 合作，参与我国主导的特高压直流输电研究。印度电力部门在2 0 0 7 年的初期和中 期也正式公布了应用特高压交、直流输电的较完整规划以适应电力工业发展的需要 6 1 1 7 1 o 国外的试验及实际工程运行结果都表明特高压输电技术不存在难以解决的难 题，输电技术和输电设备的科研成果可以满足和适应工程需要。只要市场需要，我 国就可以随时进行特高压输电工程的研究和建设。我国1 9 8 6 年开始立项研究交流 特高压输电技术。前期研究为国内外特高压输电的资料收集与分析，内容涉及特高 压电压等级的论证、特高压输电系统、外绝缘特性、电磁环境、特高压输变电设备 及特高压输电工程概况等。八五期间又展开了“特高压外绝缘特性初步研究，分 析和探讨了长间隙放电的饱和性能，通过试验研究了实际结构布置下导线与塔体的 间隙放电。1 9 9 4 年武汉高压研究所建成了我国第一条百万伏级特高压输电研究线 段。2 0 0 9 年1 月1 6 日，国家电网公司在京正式宣布：我国自主研发、设计和建设 的百万伏交流输变电项目晋东南一南阳一荆门特高压试验示范工程正式建成投 运。这是迄今为止世界上输送能力最大、技术水平最先进的特高压交流输变电工程。 该工程北起山西的晋东南变电站，经河南南阳开关站，南至湖北的荆门变电站，线 路全长6 4 0k m ，变电容量2 x 3 0 0 万k v a ，连接华北、华中电网，横贯山西、河南、 湖北三省。工程投运后，将充分利用充足的山西煤电、丰富的湖北水力资源，形成 南北互济的跨区域经济协调发展，将有效缓解国内电力运输难问题。 1 3 本文主要研究内容 结合中国国情和能源特点。国家电网公司决心加快建设由百万伏级交流和 士1 0 0 0 k v 级直流构成的国家电网特高压骨干网架，依靠科技创新突破技术屏障，这 是一项意义重大、影响深远的重要决策。根据特高压电网规划2 0 1 5 年左右福建省 内将建成福州、泉州2 座1 0 0 0k v 交流特高压变电站，届时福建电网将通过泉州特 高压站与江西赣州特高压站相联，福州特高压站与浙江丽水特高压站相联，形成全 国的特高压交流骨干电网，进而使全国形成一个十分坚强的网架；2 0 2 0 年左右金沙 江水电基地通过l 回长约2 0 0 0k m 直流特高压线路向福建送电，额定电流4 5 0 0 安 培，双极额定传输功率为9 0 0 0 m w ，逆交侧将接入泉州1 0 0 0 k v 特高压交流站。 本文首先针对规划中的特高压交直流电网用b p a 仿真程序进行了计算和分析， 包括： ( 1 ) 对福建特高压电网的结构进行了分析选取了b p a 中发电机和负荷模型， 设定了直流一次系统模型和控制模型 ( 2 ) 对2 0 1 5 年和2 0 2 0 年两个计算水平年中福建省特高压的潮流进行了计算、 调整及比较。对福建省内的潮流分布、电源和负的分布有荷一个全面的了解 华北电力大学硕：卜学位论文 ( 3 ) 进行了福建特高压交直流电网的暂态稳定计算( 只考虑省内的稳定情况) ， 包括交流线路、变压器的三相短路故障和特高压直流的单、双极闭锁故障。 然后，根据福建省在中国大陆所处的特殊地理位置，联想到了海峡两岸的电网 互联。并进行了福建电网跟台湾电网联网的可行性分析，包括联网的必要性、可行 性和稳定性的详细分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章特高压交直流稳定性理论基础 2 1 电力系统稳定性定义 从2 0 世纪2 0 年代开始，电力工作人员们就已认识到了电力系统稳定问题并将 其作为系统安全运行的重要方面加以研究。近几十年来，世界各地发生了多起由于 电力系统失稳导致的大停电事故，这些事故造成了巨大的经济损失和社会影响，同 时也反映出研究电力系统稳定的重要意义。清楚理解电力系统稳定问题的定义及分 类，对于电力系统安全运行和规划非常必要。我国电力系统安全稳定导则 ( d l 7 5 5 2 0 0 1 t 9 1 ) 在以往定义的基础上，从稳定物理特性和数学计算方法的角度，系 统地给出了电力系统稳定的定义及分类：将功角稳定细分为静态稳定、小干扰动态 稳定、暂态稳定和大干扰动态稳定。这种分类既考虑了失稳的不同原因，又兼顾了 受到扰动的大小从而可以采用不同的分析方法加以研究。文献【9 】【9 】又对该定义和分 类进行了补充和细化从而形成了完整的电力系统稳定分类与定义体系。电力系统 稳定性是指电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特 征和参与动作的元件及控制系统，将电力系统稳定分为功角稳定、频率稳定和电压 稳定3 大类以及众多子类，如图2 1 所示【i o 】。 2 1 i 功角稳定 图2 - 1 行标d l 7 5 5 2 0 0 1 中的电力系统稳定的分类 功角失稳表现为同步发电机受到扰动后不再保持同步运行的现象根据受到扰 动的大小以及导致功角不稳定的主导因素不同( 同步力矩不足和阻尼力矩不足) ，又 将功角稳定分为以下4 个子类：静态稳定、小干扰动态稳定、哲态稳定和大干扰动 华北电力大学硕士学位论文 态稳定，如图2 1 所示。 静态稳定在实际运行分析中，是指系统受到小扰动后不发生非周期性失稳的功 角稳定性，其物理特性是指与同步力矩相关的小干扰动态稳定性。主要用以定义系 统正常运行和事故后运行方式下的静稳定储备情况。 小干扰动态稳定是指系统受到小扰动后不发生周期性振荡失稳的功角稳定性， 其物理特性是指与阻尼力矩相关的小干扰动态稳定性。主要用于分析系统正常运行 和事故后运行方式下的阻尼特性。 暂态稳定主要指系统受到大扰动后第一、二摇摆的稳定性，用以确定系统暂态 稳定极限和稳定措施，其物理特性是指与同步力矩相关的暂态稳定性。 大干扰动态稳定主要指系统受到大扰动后，在系统动态元件和控制装置的作用 下，保持系统稳定性的能力，其物理特性是指与阻尼力矩相关的大干扰动态稳定性。 主要用于分析系统暂态稳定后的动态稳定性，在计算分析中必须考虑详细的动态元 件和控制装置的模型，如励磁系统及其附加控制、原动机调速器、电力电子装置等。 2 1 2 电压稳定 电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允 许的范围内，不发生电压崩溃的能力根据受到扰动的大小，电压稳定分为静态电 压稳定和大干扰电压稳定。 静态电压稳定是指系统受到小扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围 内，不发生电压崩溃的能力。主要用以定义系统正常运行和事故后运行方式下的电 压静稳定储备情况。 大干扰电压稳定包括暂态电压稳定、动态电压稳定和中长期电压稳定，是指电 力系统受到大扰动后，系统不发生电压崩溃的能力。暂态电压稳定主要用于分析快 速的电压崩溃问题，中长期电压稳定主要用于分析系统在响应较慢的动态元件和控 制装置的作用下的电压稳定性，如有载调压变压器、发电机定子和转子过流和低励 限制、可操作并联电容器、电压和频率的二次控制、恒温负荷等。 文献【l o 】特别指出，电压不稳定现象并不总是孤立地发生。功角不稳定与电压 不稳定的发生常常交织在一起，一般情况下其中一种占据主导地位，但并不容易区 分。然而，功角稳定和电压稳定的区分，对于充分了解系统的稳定特性和不稳定的 原因，进而安排系统的运行方式、制定稳定控制策略、规划电网结构都是非常重要 的。 2 1 3 频率稳定 频率稳定是指电力系统发生突然的有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复 华北电力大学硕士学位论文 到允许的范围内不发生频率崩溃的能力。主要用于研究系统的旋转备用容量和低频 减载配置的有效性与合理性，以及机网协调问题。 2 2 交流特高压输电特点 2 2 1 交流特高压的稳定性 特高压电网作为整个电网的一部分，超高压一特高压电网的稳定性分析方法与 高压一超高压电网一样，没有根本的区别。特高压输电是将发电厂或发电基地的大 容量功率远距离输送到负荷中心。由于特高压输电自身的参数特点，特高压输电线 路的输电能力受到稳定极限，包括功角稳定极限和电压稳定极限的限制。 交流特高压电网可以形成坚强的网架结构，理论上其规模和覆盖面是不受限制 的，对电力的传输、交换、疏散十分灵活。因此，交流特高压电网可以联结大煤电 基地、大水电基地和主要负荷中心。构筑联系紧密的同步电网，使得我国受端电网 范围、容量得以扩大，抵御严重事故的能力大大加强，为更好地接受区域外电力、 实现全国范围内的资源优化配置创造条件1 0 0 0 k v 和5 0 0 k v 电网协调发展，将进 一步提高电网安全稳定水平。 2 2 2 交流特高压的作用 到2 0 3 0 年，超过1 0 0 0 k m 的西电东送容量中北通道为1 9 8 0 万k w 、中通道为 5 1 3 0 k w 、南通道为2 9 3 0 万k w ，三大通道的总输送容量约l 亿k w 如采用交流方 式实施西电东送，当输电距离超过1 0 0 0 k m 时，交流线路的输送能力已大大低于其 自然功率水平，需要采用较高的串联补偿度才可能充分发挥其输送能力可选的交 流输电电压等级基本上为如下三种： ( 1 ) 采用电压等级为5 0 0 k v 的超高压( e x t r a h i g hv o l t a g e ，e h v ) l ( 2 ) 采用电压等级为7 5 0 k v 左右的超高压； ( 3 ) 采用电压等级为1 0 0 0 k v 左右的特高压( u l t r a h i g hv o l t a g e ，u h v ) 。 作为最简化的估算，若采用5 0 0 k v 电压等级实施西电东送，即使采用了较高的 串联补偿度，使其输送能力达到其自然功率水平。按每回线路输送1 0 0 万k w 计算， 输送l 亿k w 容量需要1 0 0 回交流5 0 0 k v 线路；7 5 0 k v 电压等级的自然功率水平大 约为5 0 0 k v 的2 倍因此，如采用7 5 0 k v 电压等级实施西电东送，则需要5 0 回交 流7 5 0 k v 线路；1 0 0 0 k v 电压等级的自然功率水平大约为5 0 0 k v 的4 倍，因此，如 采用1 0 0 0 k v 电压等级实施西电东送，则需要2 5 回交流1 0 0 0 k v 线路。由此可见， 在西电东送中采用特高压输电可以有效节省输电走廊即减少了征地的费用。并且 输送同样容量，1 1 0 0 k v 线路损耗仪为5 0 0 k v 线路的2 0 0 0 - 5 0 ，因此特高压输电具 - 华北电力大学硕士学位论文 有明显的经济性。 采用交流方式实现各大区电网之间的互联，也会存在以下一些问题【i i 】： ( 1 ) 短路电流水平超限问题：在未来1 0 - - , 2 0 年内，我国几个大区同步电网的 容量都将超过1 亿k w ，5 0 0 k v 电网的短路电流水平将超过5 0 k a ，甚至超过6 3 k a ， 解决同步电网中短路电流水平超限问题将是电网运行的一个十分关键得问题。如采 用5 0 0 k v 电压等级实现交流同步联网，将进一步加剧已存在的短路电流水平超限问 题。 ( 2 ) 采用交流同步联网，极有可能发生联络线功率低频振荡问题：根据国内 外大电网运行的经验，当两个大容量电网交流互联以后，发生低频振荡的可能性很 大，而且在这种情况下，一旦发生低频振荡，解决起来就比较困难，并不是所有机 组配置p s s 就能解决问题。 ( 3 ) 采用交流同步联网，有可能使一个系统中的故障传递到另一个系统，引 起连锁反应，最后造成世界上已经出现过的大面积停电事故。 2 3 高压直流输电的特点 2 3 1 高压直流输电的作用 根据以上分析，可以认为交流输电技术在西电东送和全国联网中的作用有限， 直流输电将在西电东送和全国联网中起主导作用。这是由于直流输电具有如下的技 术特点，可以很好的满足西电东送和全国联网的要求。 ， ( 1 ) 直流输电技术特别适合大功率、远距离输电，对于输电距离超过1 0 0 0 k m ， 输送容量l 亿k w 的西电东送工程，采用直流输电是最经济合理的方案。根据国外 资料提供的数据，目前直流输电的等价距离在6 0 0 9 0 0 k m 之间粗略地说当输 电距离超过等价距离后，采用直流输电比采用交流输电经济。 ( 2 ) 直流联网后，不会对被连交流系统的短路电流水平产生影响。 ( 3 ) 采用直流联网后，就从网络结构上彻底根除了产生低频振荡的可能。 ( 4 ) 采用直流联网，可以在网络结构上隔断交流故障的传递，避免发生连锁 反应，是在网络结构上预防发生大面积停电事故的有效措施。 根据直流输电系统所连接的两端交流系统是否属于同一个同步电网，直流输电 系统所能发挥的技术优势是完全不同的。所有直流输电系统都可以被明确划分为两 类：第一类，直流输电系统嵌入在一个同步交流系统中，如图2 2 所示，比如中国 南方电网就属于这样的系统；第二类，直流输电系统作为两个同步交流系统之间的 联络线，如图2 3 所示，具体实例有华中与华东联网。 华北电力人! j 乏硕士学位论文 图2 2 直流输电系统嵌入在一个同步交流系统中 图2 - 3 直流输电系统在两个同步交流系统之间作异步连接 当直流输电系统嵌入在一个同步交流系统中时，直流输电的固有优势已大部分 丧失，如限制短路电流水平、根除低频振荡、隔断交流故障传递等优势已基本上不 复存在，只仅仅利用了直流输电在大功率远距离输电方面的优势。 当直流输电系统作为两个交流系统之间的联络线时两个交流系统是非同步 的，可以独立运行这无论在运行上还是在管理上都非常方便。同时，直流输电系 统的固有优势可以充分发挥，如限制短路电流水平、从网络结构上根除低频振荡发 生的可能性以及在网络结构上隔断交流故障的传递等。另外，当一个交流系统发生 故障时，还可以利用直流输电系统的快速可控性，对该交流系统进行紧急功率支援， 以提高其暂态稳定性。 2 3 2 直流控制模型 华北电力大学硕士学位论文 图2 4b p a 中d 直流控制模型原理框图 图2 - 4 所示为b p a 两端直流输电控制模型框图，其工作流程如下： ( 1 ) 获取直流系统的电压值，其经过一阶惯性环节后进入低压限流环节，经 低压限流输出的电流值作为整流和逆变的控制系统的电流整定值k ；k 与实际 的经过一阶惯性环节的直流电流l 脒比较，差值进入两侧换流器的控制系统。 ( 2 ) 在正常运行方式下，整流侧运行在定电流控制方式下，整流站的 ( ，= j 也一k ) 经p i 调节维持直流电流k 粥= 屯砌；逆变侧由于电流裕度的存 在，p i 调节达到其下限值零，由于咫= 3 置x ，经c o s = 竺生导一c o s 厂，输出触 发角可知逆变侧采用的是预测型定，控制。 ( 3 ) 若由于整流侧电压降低或逆变侧电压升高造成i d 实际值过小，整流侧 为负的较大值，p i 输出达到其限值l i m ，由删= e o , ( c o s r o + c o s t z u m ) 一2 k 船知，此 时 c o s ；善一c o s ：生鲤型竺箬红遂业一c o s ；c o s a u 掰 正饿 r - o r 整流侧将采用定，与此同时，减少，使的逆变侧，= k 琊一l 妇+ l 5 高，s c r - 3 5 中等，s c r = 2 3 低，s c r 2 极低。福建电网2 0 2 0 年一些主要5 0 0 k v 及以上电压等级交流母线短路比结果见下表： 表3 2 福建电网2 0 2 0 年主要交流母线短路容量计算 节点名基准电压短路容量短路阻抗短路电流 f f 福州5 l 5 2 5 0 k v3 9 1 3 1 4m 【v a 7 0 4 4 ( 欧) 4 3 0 3 5k a f f 连江5 l5 2 5 ol c v 4 5 0 0 8 8m m 6 1 2 4 ( 欧) 4 9 4 9 8k a 以厦门5 i 5 2 5 0 k v4 2 1 1 8 7m v a 6 5 4 4 ( 欧) 4 6 3 2 0k a f d 宁德5 l，2 ，o k v4 3 5 1 0 4m v a 6 3 3 5 ( 欧) 4 7 8 5 0k a f u z h h v1 0 5 0 0k v5 4 4 4 5 5m 2 0 2 5 0 ( 欧) 2 9 9 3 8k a q u a n z h h v 1 0 5 0 0l c v5 6 7 6 9 7m r a 1 9 4 2 1 ( 欧) 3 1 2 1 6k a 泉直特h i 1 0 5 0 0k v4 9 7 1 4 1m 【v a 2 2 1 7 7 ( 欧) 2 7 3 3 6k a 由计算结果看出，由于特高压交流的支持作用。泉州特高压母线q u a n z h h v 的 短路容量达到了5 6 7 6 9 7 m v a ，为福建电网所有母线短路容量中最大，福州特高压 母线f u z h h v 的短路容量位居第二，达到了5 4 4 4 5 5 m v a ，大容量的短路容量表明 受端交流系统有足够的强度为直流系统的接入提供保障，为就近给泉州厦门漳州地 区供电，减少福建电网北电南送的潮流，提高电网的可靠性，逆变站选址在泉州是 较为合理的表3 3 列出了下泉州换流母线高压侧在夏大、夏小、丰大、丰小四种 运行方式的短路比 华北电力大学硕士学位论文 表3 - 32 0 2 0 年各方式下s c r 计算结果 夏大夏小丰大丰小 s c r5 5 25 3 45 4 45 3 7 从上表可以看出，2 0 2 0 年的福建电网的短路比s c r 都大于5 ，是一个比较坚强 的电网，在不采取任何措施的情况下都能够保证换流器的正常运行。 3 4 潮流计算结果分析 3 4 12 0 1 5 年潮流计算结果分析 3 4 1 1 潮流分布分析 2 0 1 5 年福建网将通过两条| 0 0 0 k v 特高压双回线和一条5 0 0 k v 双回线实现同华 东电网的互联进而实现同全国的联网，届时主要通过两路特高压线路从华东电网受 电。四种方式下省内从华东受电分别为：4 0 0 0 m w 、4 0 0 0 m w 、2 0 0 0 m w 、o m w ， 省际联络线潮流如表3 4 所示，其中温州福州的1 0 0 0 k v 线路是受电的最主要 通道，温福特高压与赣泉特高压形成环网，若温福特高压输电通道出现故障被切除， 福建省内潮流分布必将发生重大变化温州至福州特高压线路对福建系统的安全可 靠运行有重要作用。 表3 - 4 四种运行方式下的省间联络线潮流 二芝 夏大夏小丰大丰小 联络线、 温州一福州( 1 0 0 0 k v ) 2 9 9 9 9 m w1 9 9 5 8m w1 9 9 4 8m w1 0 0 7 9m w 赣州一泉州( 1 0 0 0 k v ) 1 0 4 1 4 m w 4 0 3 m w5 0 5 im w 1 l i 1m w 双龙一宁德( 5 0 0 k v ) 4 1 2 m w3 9 8 8m w4 9 9 9m w8 9 6 8m w 各方式潮流计算结果显示，福建省内呈现北电南送格局，宁德福州莆 田电网电力富余，向西部和南部特别是泉州、厦门等负荷较重地区输送功率，形成 重要的5 0 0 k v 潮流外送断面，且潮流较重，断面各线路输送功率如表3 5 所示。从 表中可以看出，在四种运行方式下，规划建设中省内的福州特泉州特1 0 0 0 k v 特高压线路输送功率较重，此特高压线路对缓解南北输电瓶颈，提高南北断面的暂 态稳定极限有重要作用。 表3 5 四种运行方式下的宁福莆断面潮流 = 、。乏 夏大夏小 车大率小 断面、 宁簿一南平( 5 0 0 k v ) 1 6 3 3 4 m wi5 0 0 5 m w1 2 7 5 5m w9 3 0 1m w 福州特一三阳( 5 0 0 i 【v ) 1 3 7 0 8 m w1 2 8 2 9 m w9 5 4 m w4 1 2 5m w 福州特一泉州特( 1 0 0 0 k v ) 1 8 5 7 i m w1 4 9 1 5 m w1 7 9 6 1m w1 5 7 1 7m w 东台一大园( 5 0 0 k v ) 1 2 l o 2 m w1 6 7 1 5 m wl l ，1 2m w1 6 1 3 7m w 华北电力大学顺士学位论文 i莆田一惠泉( 5 0 0 k v ) l4 4 7 6 m w 1 3 】6 4 m w 1 5 4 9 1m w1 3 7 7m w i 总计7 5 1 9 1 m w7 2 6 2 8m w6 7 2 5 9m w5 8 0 5m w 另外，由于泉州、厦门地区负荷较重，本地电源不能满足负荷需求，需依靠其 它地区送电以满足电力平衡，呈现典型的受端系统特点，可能存在局部的电压稳定 问题，需加以重视。紧急状态下，应考虑启用7 2 0 m w 厦燃机组与1 4 4 0 m w 晋燃机 组作为本地区的电源支撑。 3 4 1 2n 1 静态安全分析 由n 1 静态安全分析计算结果表明，总体上看福建主网架设计较合理，各5 0 0 k v 线路与5 0 0 k v 变电站n 1 校验结果没有出现过载现象。但在几种运行方式下，系统 特高压及5 0 0 k v 主网架存在以下问题： 夏大方式下，5 0 0 k v 输电线路能够满足n 1 校验要求，各线路均未出现过载现 象。变压器情况为，若海沧枢纽变任一台5 0 0 k v 变压器停运，厦东枢纽变5 0 0 k v 变 压器实际容量将会略微超过额定容量1 0 0 0 m v a ，轻微过载；厦门枢纽变三台5 0 0 k v 变压器按给定编号逐一停运。厦东枢纽变5 0 0 k v 变压器将出现轻微过载；厦东至厦 门5 0 0 k v 双回线任一回停运，厦东枢纽变5 0 0 k v 变压器也会出现轻微过载现象。厦 东5 0 0 k v 变电站变电容量难以充分满足厦门及周边地区夏大方式下的负荷需要。成 为这一地区的输电瓶颈。 丰大方式下，晋江枢纽变两台5 0 0 k v 变压器任一台停运均会造成另一台轻微 过载，实际容量为l1 7 7 m v a ( 额定容量1 0 0 0 m v a ) 。 夏小与丰小方式下未出现问题。另外，在四种方式下，清核，宁核两核电厂的 升压变由于正常方式下负载较重，若其中任一台5 0 0 k v 变压器停运，其它台均存在 过载问题。 针对以上出现的问题，本文建议通过投建增加变电容量或者更新设备以从根本 上解决输电瓶颈问题。 3 4 22 0 2 0 年潮流结果分析 3 4 2 1 双极运行潮流 潮流计算主要是校验乌东德泉州特高压直流输电工程双极投运后，在典型运行 方式下省内潮流的合理性。计算结果显示，各线路潮流分布均匀，正常及n 1 方式 下线路潮流均在允许范围内，还有较大的运行裕度，电网的电压运行水平合理总 体来说能够满足乌东德泉州特高压直流输电送入的电力的合理消纳福建省内的两 座特高压交流变电站建成后，泉州特福州特1 0 0 0 k v 交流线路将主要承担福建省内 功率传输的任务。 华北电力大学硕士学位论文 四种方式下省内的有功总负荷为4 7 3l3 m w 、3 0 9 8 4 m w