吳琛,鄭楊斌,李玲芳,張玉瓊

(1.云南電力調(diào)度控制中心,昆明 650011；2.南京南瑞繼保電氣有限公司,南京 211102)

云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)純直流聯(lián)網(wǎng)及外送方案研究

吳琛1,鄭楊斌2,李玲芳1,張玉瓊1

(1.云南電力調(diào)度控制中心,昆明 650011；2.南京南瑞繼保電氣有限公司,南京 211102)

云南電網(wǎng)2013年除已有楚穗直流外、溪洛渡直流、糯扎渡直流陸續(xù)投運,屆時將形成多回直流同時運行,同時形成交強直弱的模式交直流混合運行模式。在研究云南多回交直流混聯(lián)電網(wǎng)送出存在的問題基礎(chǔ)上,提出了云南與外網(wǎng)純直流聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想,并通過直流聯(lián)網(wǎng)和交直混合聯(lián)網(wǎng)的對比分析計算,討論了直流聯(lián)網(wǎng)的可行性。

交直流系統(tǒng)；穩(wěn)定分析

1 前言

云南省水電資源極其豐富,是重要的電力送出大省。至2012年底,云南電網(wǎng)西電東送通道由±800 kV云廣直流特高壓工程、4回500 kV交流線路和2回220 kV交流線路組成,送電能力超過950萬千瓦。2013年±800 kV糯扎渡直流工程 (5000 MW)、±500 kV溪洛渡雙回直流工程 (6400 MW)將陸續(xù)投入運行,云南電網(wǎng)將有多回直流同時并列運行。云南電網(wǎng)多回直流同時運行后,電網(wǎng)的穩(wěn)定特性也將發(fā)生較大的改變。從宏觀層面上來說,云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)由交直流送電能力基本相當(dāng),變?yōu)?“強直弱交”的特性。這種變化出現(xiàn)后,交直流之間的相互影響、直流之間的相互影響問題就變得更為突出[1-4]。

對潮流的控制能力差是當(dāng)今高壓交流輸電系統(tǒng)的主要問題之一,可能使得輸電網(wǎng)絡(luò)建成后難以適應(yīng)發(fā)電或用電負(fù)荷變化引起的新的系統(tǒng)條件。缺乏快速的潮流控制能力要求運行設(shè)備留有足夠的備用容量,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行,制約輸電系統(tǒng)的潛在能力得不到充分利用。

直流輸電線路由于對輸電電流的快速調(diào)節(jié)能力,使得電網(wǎng)發(fā)生故障時可以很好的保證設(shè)備的安全,線路導(dǎo)線的輸送電流密度可以大大提高,提升輸電能力。

利用直流輸電技術(shù)交流輸電線路進行改造有以下一些優(yōu)點[5-7]：

1)提高線路輸送能力效果明顯；

2)不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題；

3)可以限制短路電流；

4)利用直流輸電的快速控制能力,全面地提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性,增強系統(tǒng)的阻尼以抑制系統(tǒng)振蕩,改善系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性；

5)通過適當(dāng)?shù)臒o功功率調(diào)節(jié)穩(wěn)定運行電壓及故障后恢復(fù)電壓提高電網(wǎng)電壓的控制能力；

6)提高交流輸電線路的可控性,尤其是對電磁環(huán)網(wǎng)潮流的調(diào)控能力,從而可充分發(fā)揮輸電通道的送電能力,減少過載、窩電現(xiàn)象,降低網(wǎng)損。

以下在研究云南多回交直流混聯(lián)電網(wǎng)送出存在的問題基礎(chǔ)上,提出云南電網(wǎng)通過純直流與外網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想。首先分析了交流聯(lián)網(wǎng)改為直流聯(lián)網(wǎng)的可行性,其次對說云南電網(wǎng)直流聯(lián)網(wǎng)進行了穩(wěn)定性分析,結(jié)合云南電網(wǎng)現(xiàn)有500 kV外送交流輸電線路的實際情況,在理論層面上對現(xiàn)有的云南500 kV實際外送交流輸電線路進行直流改造,建立了直流線路及控制系統(tǒng)模型,構(gòu)建了云南電網(wǎng)與外網(wǎng)純直流聯(lián)網(wǎng)后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)直流閉鎖和交流線路N-2故障、小干擾分析、短路電流的角度對云南直流聯(lián)網(wǎng)和交直流混合聯(lián)網(wǎng)兩種方式進行了對比分析,探討了直流聯(lián)網(wǎng)的可行性。

2 交流輸電線路改直流的可行性

采用直流輸電技術(shù)對高壓交流線路進行改造[7-9]國內(nèi)外目前的研究提出的技術(shù)方案有三極直流輸電方式和傳統(tǒng)雙極直流輸電方式。采用傳統(tǒng)雙極直流輸電方式對高壓交流線路進行改造技術(shù)上是成熟的,國際上也有成功改造的先例。改造后輸送功率卻可增至原來線路的約2～3.5倍同時可以降低單位損耗,線路改造工程量很小,費用僅需新建線路的一小部分,其主要工程是建設(shè)兩端換流站。

以下主要對采用傳統(tǒng)雙極直流輸電的改造方案進行論述。

1)單回交流線路改造成單極大地返回的直流輸電線路的方案示意圖,原有的三相導(dǎo)線連接在一起組成單極。

圖1 單回交流線路改造成單極大地返回的直流輸電線路

采用單極大地返回的直流輸電方式,直流電壓至少可以取原交流線路相對地電壓的峰值甚至更高,如取400 kV。出現(xiàn)在直流線路上的操作過電壓小于1.7 p.u.,比交流線路小得多,因而提高了線路運行的可靠性。而且同樣電壓等級情況下輸電能力也會得到顯著的提升。

2)單回交流線路改造成雙極直流輸電線路的方案示意圖,原有的三相導(dǎo)線分別作為正極、金屬回線、負(fù)極。

圖2 單回交流線路改造成雙極直流輸電線路

此方案不需要專門的接地極,而利用一相導(dǎo)線作為回線；雙極可以平衡運行,也可以獨立運行。

由于導(dǎo)線截面保持不變,可以通過提高導(dǎo)線的輸送電流密度,提高線路輸送能力。

此方案中出現(xiàn)在直流線路上的操作過電壓小于1.7 p.u.,比交流線路小得多,因而提高了線路運行的可靠性。另外,雙極直流改造方案具有更高的可靠性。而且同樣電壓等級情況下,直流輸電能力相比交流線路有所提高。

3)雙回交流線路改造成雙極直流線路的方案示意圖。

如果每回的三相導(dǎo)線連接在一起組成一極,用新的直流橫擔(dān)代替原來三相交流線路橫擔(dān),從而有較大的空間間隙為直流的升壓提供有利的條件。

出現(xiàn)在直流線路上的操作過電壓小于1.7 p.u.,比交流線路小得多,因而提高了線路運行的可靠性。

以上幾個方案,改造直流線路對原來線路的導(dǎo)線都不需要更換,塔身和塔基可保持不變,無需增加中間塔,僅需對塔頭橫擔(dān)、絕緣子、金具和導(dǎo)線布置等進行改造,線路工程較小。

從控制潮流、提高輸電容量的角度,將交流線路改造為直流輸電是最有效的手段,并且除了大幅度的提高輸送容量外,還有許多其它方面的優(yōu)點。

3 系統(tǒng)建模及分析

3.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

結(jié)合云南電網(wǎng)現(xiàn)有500 kV外送交流輸電線路的實際情況,在理論層面上對現(xiàn)有的云南500 kV實際外送交流輸電線路進行直流改造,建立直流線路及控制系統(tǒng)模型,構(gòu)建云南電網(wǎng)與外網(wǎng)純直流聯(lián)網(wǎng)后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

在2015年豐大運行方式上,將羅平-百色500 kV雙線改造為直流輸電線路 (或者采用直流背靠背的方式),將羅平-馬窩、硯山-崇左500 kV線路斷開,調(diào)整潮流,生成云南電網(wǎng)與外網(wǎng)純直流聯(lián)網(wǎng)后的電網(wǎng)運行方式,如下圖所示。

從表1可以看出,純直流聯(lián)網(wǎng)方式與交直流混聯(lián)方式下云南電網(wǎng)內(nèi)部主要斷面的潮流基本相同,可以用于穩(wěn)定計算對比分析。

圖4 2015云南直流聯(lián)網(wǎng)外送通道

圖5 2015云南交直流混合聯(lián)網(wǎng)外送通道

表1 兩種方式斷面潮流對比表

3.2 直流閉鎖故障穩(wěn)定計算及對比分析

分別對云南純直流聯(lián)網(wǎng)方式下發(fā)生楚穗直流雙極閉鎖、糯扎渡直流雙極閉鎖、溪洛渡直流雙極、四極閉鎖故障進行仿真計算,計算結(jié)果如表2所示：

表2 云南純直流聯(lián)網(wǎng)下直流閉鎖故障

云南交直流混聯(lián)網(wǎng)式下發(fā)生上述故障,計算結(jié)果如表3所示：

表3 云南交直混合流聯(lián)網(wǎng)下直流閉鎖故障

由以上對比可以看出：交直流混合聯(lián)網(wǎng)方式下,發(fā)生直流雙極閉鎖故障時,過剩功率部分可通過云南送出的交流通道轉(zhuǎn)移出去,其穩(wěn)定問題主要為功角失穩(wěn)問題。直流聯(lián)網(wǎng)方式下,考慮到云南電網(wǎng)與南網(wǎng)僅通過直流聯(lián)網(wǎng),無其他的交流送電通道,且接入直流送端換流站的均為配置外送的電源,直流閉鎖后外送電源無其他通道送出,需采取措施解決高頻問題。

3.3 交流N-2故障穩(wěn)定計算及對比

對云南500 kV線路進行N-2故障仿真計算,結(jié)果匯總?cè)绫?所示：

表4 云南500kV線路N-2穩(wěn)定計算結(jié)果

由表4對比結(jié)果可以看出：在純直流方式中,云南電網(wǎng)和南網(wǎng)無交流聯(lián)系,發(fā)生交流線路N-2故障出現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定問題,采取穩(wěn)控切機措施產(chǎn)生功率缺額時,外網(wǎng)無法對提供補償調(diào)節(jié),僅能通過網(wǎng)內(nèi)其它機組調(diào)頻來補償。滇西北地區(qū)發(fā)生交流線路N-2故障產(chǎn)生功角穩(wěn)定問題時,同樣的斷面條件下,直流聯(lián)網(wǎng)方式切機量比交直流混聯(lián)方式要小。

3.4 純直流聯(lián)網(wǎng)方式下小干擾穩(wěn)定分析

兩種方式下相似振蕩頻率和阻尼比的模式對比見表5。

表5 純直流聯(lián)網(wǎng)下小干擾穩(wěn)定計算結(jié)果

從對比結(jié)果可以看出：兩種方式下省區(qū)內(nèi)振蕩模式,多數(shù)和怒江機組有關(guān)。最小阻尼比的振蕩模式均為頻率為0.7 Hz左右的模式,阻尼比為0.05。最大阻尼比的振蕩模式均為頻率為0.6Hz的振蕩模式。直流聯(lián)網(wǎng)方式下,因云南和外網(wǎng)無交流聯(lián)網(wǎng)通道,因此振蕩模式均為省內(nèi)機群間振蕩。混合聯(lián)網(wǎng)方式下存在和云南相關(guān)的省區(qū)間振蕩模式,即廣西對云南、廣東對云南兩種模式。兩種方式下主要相似頻率振蕩模式下,阻尼無明顯差別。

3.5 純直流聯(lián)網(wǎng)方式下短路電流計算分析

對2015年豐大交直流混聯(lián)運行方式和純直流聯(lián)網(wǎng)方式進行短路電流計算和對比分析。

1)云南電網(wǎng)各節(jié)點三相短路電流計算對比分析：分析2015年豐大交直流混聯(lián)運行方式和純直流聯(lián)網(wǎng)方式下云南電網(wǎng)各節(jié)點三相短路電流,列出電流差最大的10個節(jié)點,按降序排列,結(jié)果如表6所示：

表6 純直流聯(lián)網(wǎng)方式下電流差最大的前10個節(jié)點短路電流計算結(jié)果

從表6對比結(jié)果可以看出,純直流聯(lián)網(wǎng)方式下,云南和廣西無交流聯(lián)系,云南地區(qū)發(fā)生短路時,南網(wǎng)不會貢獻短路電流,尤其是和廣西聯(lián)系密切的滇東地區(qū),短路電流降低明顯。

2)天生橋地區(qū)各節(jié)點三相短路電流計算對比分析：分別對2015年豐大交直流混聯(lián)運行方式和純直流聯(lián)網(wǎng)方式計算天生橋地區(qū)以及直流方式下羅平直流換流站兩端短路電流,結(jié)果如表7所示：

表7 兩種聯(lián)網(wǎng)方式及羅平短路電流計算結(jié)果

從以上短路電流計算對比分析可以看出,兩種聯(lián)網(wǎng)方式下,云南內(nèi)部的短路電流對比最明顯：純直流聯(lián)網(wǎng)方式下的短路電流明顯小于交直流混合聯(lián)網(wǎng)方式,尤其是羅平附近地區(qū),其中羅平的短路電流差達到16 kA。

4 結(jié)束語

本文以2015年為研究水平年,通過對比分析云南直流聯(lián)網(wǎng)和交直流混合聯(lián)網(wǎng)方案,總結(jié)如下：

1)交流輸電網(wǎng)改成直流輸電網(wǎng)在技術(shù)上是可行的,而且可以提高輸電能力,降低傳輸損耗。

2)2015年云南電網(wǎng)交直流混聯(lián)電網(wǎng)中發(fā)生直流閉鎖主要是要功角穩(wěn)定問題,改為直流聯(lián)網(wǎng)時,主要問題變?yōu)楦哳l問題。

3)對于交流線路N-2故障,直流聯(lián)網(wǎng)模式下,滇西北地區(qū)切機量小于交直流混合聯(lián)網(wǎng)模式。

4)直流聯(lián)網(wǎng)方式下,小干擾分析,均為省區(qū)內(nèi)部震蕩模式,混合聯(lián)網(wǎng)方式下含云南與相鄰省之間震蕩模式。

5)短路電力結(jié)果顯示,在直流聯(lián)網(wǎng)方式下,滇東地區(qū)短路電流和混合聯(lián)網(wǎng)方式比,明顯下降。

[1]張勇,徐光虎,余暢,等.云廣±800 kV直流安全穩(wěn)定控制方案研究 [J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(004)：32-36.

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[3]吳俊,周劍,蘇寅生,等.云廣±800 kV直流雙極運行模式研究 [J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(004)：28-31.

[4]毛曉明,張堯,管霖,等.南方交直流混合電網(wǎng)區(qū)域振蕩的協(xié)調(diào)控制策略 [J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(20)：55-59.

[5]詹奕,尹項根.高壓直流輸電與特高壓交流輸電的比較研究[J].高電壓技術(shù),2001,27(4)：44-46.

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[9]熊一權(quán).高壓交流輸電線路改造為直流輸電線路 [J].黑龍江電力技術(shù),1993,15(4)：248-250.

[10]吳建坤,曹煒,楊文清.交流輸電線路改造為直流輸電線路的技術(shù)綜述 [J].華東電力,2013(004)：737-740.

The Preliminary Reseach on the Possibility of Yunan Power System Interconnection by DC Transmission System

WU Chen1,ZHENG Yangbin2,LI Lingfang1,ZHANG Yuqiong1

(1.Yunnan Power Dispatching Control Center,Kunming 650011；2.Nanjing NR Electric Co.,Ltd.,Nanjing 211102)

In Yunnan power system,the xiluodu DC system and nuozhadu ultral DC transimission system is going to be on operated, in addition with the chusui ultral DC transimission system.At that time,there will be multi-DC system being operated at the same time.Strong DC system and weak AC system situation will be formed.It is a new challenge for the dispatch and operation of yunnan power system.This paper propose a DC transmission connected with external system mode,based on the AC-DC hybrid power system transmission problem.The possibility of interconnection with external system by DC transmission system is discussed through the comparison between DC system interconnection and AC-DC hybrid interconnection.

AC/DC hybrid system；stability analyze

TM73

B

1006-7345(2014)02-0015-05

2013-11-26

吳琛 (1974),女,碩士,高級工程師,云南電力調(diào)度控制中心,從事電網(wǎng)調(diào)度運行及管理工作 (e-mail)elfwu@21cn.com。