汪惟源，竇　飛，楊　林，王靜怡，陳國(guó)年，虞　暄，王麗君

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，南京　210024；2.華東電力設(shè)計(jì)院，上?！?00001)

江蘇電網(wǎng)將在“十三五”中后期投運(yùn)錫盟、晉北兩回高壓直流輸電線(xiàn)路[1]，與目前已投運(yùn)的政平、錦蘇直流一起，使江蘇電網(wǎng)形成典型的多饋入交直流混聯(lián)電網(wǎng)[2](Multi-infeed Direct Current，簡(jiǎn)稱(chēng)MIDC)。

直流輸電對(duì)受端系統(tǒng)表現(xiàn)為不利的無(wú)功特性，在為受端系統(tǒng)提供電力的同時(shí)，需要消耗大量無(wú)功功率[2]，給交流系統(tǒng)的電壓支撐能力帶來(lái)了壓力，MIDC將使這個(gè)問(wèn)題變得更加復(fù)雜。交流系統(tǒng)中直流輸電比重的增大將降低系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性[3]。與之同時(shí)一系列直流落點(diǎn)附近電網(wǎng)的交流網(wǎng)架加強(qiáng)和建設(shè)調(diào)相機(jī)的項(xiàng)目也在研究和建設(shè)中[4]，如期投產(chǎn)將提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，建設(shè)調(diào)相機(jī)所存在的不確定性也將不同程度地對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度和電壓穩(wěn)定性帶來(lái)影響。

短路比方法是判斷多饋入系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。文獻(xiàn)[3]提出了多饋入短路比(Multi-infeed Short Circuit Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)MSCR)的定義。文獻(xiàn)[4]從理論推導(dǎo)上對(duì)影響MSCR的因素進(jìn)行了分析，提出直流落點(diǎn)間電氣距離、直流落點(diǎn)處交流母線(xiàn)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕€(xiàn)路阻抗、電源分布，都是多饋入短路比的影響因素。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)WG B4-41直流工作組給出了多饋入有效短路比(Multi-infeed Interactive Effective Short Circuit Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)MIESCR)的定義[5]，與MSCR定義相比排除了換流站交流濾波器及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的影響。

本文利用多饋入有效短路比指標(biāo)分析江蘇電網(wǎng)在關(guān)鍵電網(wǎng)建設(shè)因素影響下的電網(wǎng)強(qiáng)度，明確各因素對(duì)直流落點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響強(qiáng)弱，并使用BPA程序?qū)χ绷魍懂a(chǎn)后江蘇電網(wǎng)在不同工程建設(shè)進(jìn)度下的無(wú)功電壓穩(wěn)定性進(jìn)行仿真。

1　直流落點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度評(píng)估方法

1.1　有效短路比

在直流工程應(yīng)用中，單饋入交直流系統(tǒng)通常采用有效短路比(Effective Short Circuit Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)ESCR)來(lái)衡量受端電網(wǎng)的強(qiáng)度，定義為交流系統(tǒng)在直流換流母線(xiàn)處的三相短路容量與該直流配置的濾波電容補(bǔ)償裝置差值再與直流額定輸送功率的比值[5]。

(1)

式中SCCi——交流系統(tǒng)在直流換流母線(xiàn)處的三相短路容量；Qfi——該回直流配置的濾波電容補(bǔ)償容量；Pdci——該回直流額定輸送功率。

江蘇電網(wǎng)在“十三五”中后期將建成4回直流線(xiàn)路，直流落點(diǎn)個(gè)數(shù)多、落點(diǎn)趨于集中，僅用單回直流的短路比不能夠完整地反映多直流交互下落點(diǎn)電網(wǎng)的實(shí)際強(qiáng)弱。

1.2　多饋入短路比

文獻(xiàn)[3]給出的多饋入短路比KMSCRi的定義：

(2)

式中Saci——第i回直流饋入換流母線(xiàn)的短路容量；Pdeqi——第i回直流考慮其他直流回路影響后的等值直流功率；Zeqij——從各直流換流母線(xiàn)看進(jìn)去的等值節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣的第i行、第j列元素；Pdi——第i回直流的額定直流功率。

式(2)由等值節(jié)點(diǎn)阻抗元素及其他直流的額定功率表示了各回直流間相互作用的部分，但沒(méi)有排除換流站交流濾波器及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)結(jié)果的影響，同時(shí)計(jì)算需要通過(guò)戴維南等值將系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

1.3　多饋入有效短路比

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)WG B4-41直流工作組給出的多饋入有效短路比MIESCR的定義[5]：

(3)

(4)

多饋入交互因子(Multi Infeed Interaction Factor，MIIF)表示當(dāng)直流以額定功率運(yùn)行時(shí)，由于無(wú)功投切或擾動(dòng)原因，其他直流換流母線(xiàn)電壓的下降率與本回直流換流母線(xiàn)電壓下降率的比值，用來(lái)衡量其他直流對(duì)特定直流的影響大小。

文獻(xiàn)[6]基于多饋入臨界短路比和傳統(tǒng)單饋入短路比衡量交直流受端系統(tǒng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，給出了利用多饋入有效短路比劃分多饋入交直流受端系統(tǒng)強(qiáng)弱的指標(biāo)：極弱系統(tǒng)，MIESCRi<1.5；弱系統(tǒng)，1.52.5。

本文將采用MIESCR指標(biāo)評(píng)估直流逆變站的電網(wǎng)強(qiáng)度情況，并使用文獻(xiàn)[6]提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2　江蘇直流落點(diǎn)地區(qū)電網(wǎng)強(qiáng)度分析

MIESCR將受到諸多因素的影響，如落點(diǎn)電網(wǎng)的三相短路容量、落點(diǎn)電網(wǎng)的網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、落點(diǎn)電網(wǎng)的無(wú)功充裕度配置等，這些都與受端電網(wǎng)的特性息息相關(guān)。在直流投產(chǎn)增加、占比增大的背景下，利用MIESCR指標(biāo)分析網(wǎng)架拓?fù)涓淖兒团渲谜{(diào)相機(jī)對(duì)江蘇直流落點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響力[7-8]。

2.1　網(wǎng)架拓?fù)浜驼{(diào)相機(jī)規(guī)劃

(1)泰州-蘇州特高壓GIL過(guò)江通道。泰州至蘇州特高壓是特高壓交流來(lái)電南送的通道，特高壓GIL過(guò)江通道是泰州至蘇州特高壓通道的必要途徑。特高壓GIL過(guò)江通道投產(chǎn)難度較大，工程上存在滯后于錫盟直流雙極投產(chǎn)的可能，將對(duì)直流周邊網(wǎng)架拓?fù)鋷?lái)影響[9-10]。

(2)江蘇電網(wǎng)直流站安裝調(diào)相機(jī)。江蘇電網(wǎng)規(guī)劃于2018年在政平、錦蘇、晉北和錫盟直流站加裝一定容量的調(diào)相機(jī)。

(3)泰州特高壓站500 kV送出加強(qiáng)。為釋放特高壓泰州站的降壓送出能力，規(guī)劃于泰州第二臺(tái)主變投產(chǎn)時(shí)配套擴(kuò)建2回500 kV線(xiàn)路，屆時(shí)泰州站將建成4回500 kV降壓線(xiàn)路。泰州站送出加強(qiáng)將對(duì)直流周邊網(wǎng)架拓?fù)鋷?lái)影響。

2.2　泰州—蘇州特高壓線(xiàn)路配合直流投產(chǎn)的情況

泰州—蘇州特高壓線(xiàn)路若能配合錫盟直流雙極投產(chǎn)，饋入江蘇電網(wǎng)的各直流逆變站的多饋入交互因子MIIF見(jiàn)表1。其中，錫盟直流分層接入1 000 kV和500 kV電網(wǎng)，按照兩回直流分別計(jì)算MIIF因子。

表1　特高壓泰蘇線(xiàn)建成情況下饋入江蘇電網(wǎng)的各直流逆變站的多饋入交互因子

表1中，計(jì)入了截至2018年華東電網(wǎng)投產(chǎn)的全部±500 kV及以上的高壓直流工程，但僅列出了江蘇省內(nèi)直流的計(jì)算結(jié)果。錫盟500 kV、錫盟1 000 kV和晉北直流之間的無(wú)功電壓相互影響最強(qiáng)，表征了江蘇新增直流落點(diǎn)之間的電氣距離是比較近的，其他直流對(duì)新增直流落點(diǎn)的無(wú)功電壓影響相對(duì)較弱。

在計(jì)算MIIF的基礎(chǔ)上計(jì)算江蘇直流落點(diǎn)各逆變站的多饋入有效短路比MIESCR，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　泰蘇線(xiàn)建成情況下饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIESCR

泰州—蘇州特高壓建成情況下，江蘇電網(wǎng)各直流落點(diǎn)的多饋入短路比均在2.5以上，屬于強(qiáng)系統(tǒng)；僅有錫盟500 kV直流落點(diǎn)電網(wǎng)稍弱。從整體來(lái)看，泰州—蘇州特高壓建成后，江蘇電網(wǎng)作為受端系統(tǒng)屬?gòu)?qiáng)系統(tǒng)，其對(duì)多饋入直流輸電系統(tǒng)的無(wú)功電壓支撐能力較大。

2.3　泰州—蘇州特高壓滯后直流投產(chǎn)對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響

特高壓1 000 kV泰州—蘇州線(xiàn)路包含技術(shù)難度很高的GIL長(zhǎng)江大跨越工程，從目前工程進(jìn)度上來(lái)看，存在滯后于錫盟直流投產(chǎn)的可能性[11-13]。特高壓線(xiàn)路推遲投產(chǎn)將顯著地影響到錫盟直流落點(diǎn)的網(wǎng)架拓?fù)洌斜匾獙?duì)特高壓線(xiàn)路推遲投產(chǎn)情況下江蘇新增直流落點(diǎn)的MIIF和MIESCR進(jìn)行分析，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。

表3　特高壓泰蘇線(xiàn)滯后于錫盟直流投產(chǎn)，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIIF

表4　特高壓泰蘇線(xiàn)滯后于錫盟直流投產(chǎn)，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIESCR

特高壓泰州—蘇州線(xiàn)路推遲投產(chǎn)，政平、同里直流對(duì)錫盟1 000 kV母線(xiàn)的交互因子由于網(wǎng)絡(luò)減弱而明顯降低，導(dǎo)致錫盟1 000 kV直流等值功率下降，但網(wǎng)絡(luò)減弱的同時(shí)也降低了母線(xiàn)短路容量，這些因素共同引起了錫盟直流1 000 kV落點(diǎn)的MIESCR下降至僅有2.15，成為弱系統(tǒng)，其周邊電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性明顯降低[14]。

2.4　建設(shè)調(diào)相機(jī)對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響

在地區(qū)無(wú)功平衡已經(jīng)確定的條件下，不新增無(wú)功容量，考慮建設(shè)一定數(shù)量的調(diào)相機(jī)，計(jì)算得到江蘇各直流落點(diǎn)MIIF和MIESCR變化如表5和表6所示。

調(diào)相機(jī)建設(shè)后，對(duì)各直流落點(diǎn)的MIIF影響較小，但對(duì)提高短路容量效果明顯，也提高了各直流落點(diǎn)的MIESCR。錫盟直流1 000 kV落點(diǎn)的MIESCR從2.15回升至2.31，錫盟500 kV落點(diǎn)的MIESCR從2.35回升至2.62。

表5　特高壓泰蘇線(xiàn)滯后于錫盟直流投產(chǎn)，調(diào)相機(jī)建成情況下，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIIF

表6　特高壓泰蘇線(xiàn)滯后于錫盟直流投產(chǎn)，調(diào)相機(jī)建成情況下，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIESCR

2.5　泰州特高壓站500 kV送出加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響

考慮從加強(qiáng)泰州特高壓站500 kV送出能力的角度提高錫盟直流落點(diǎn)電網(wǎng)的MIESCR，在泰州擴(kuò)建第二臺(tái)主變投產(chǎn)時(shí)配套擴(kuò)建2回500 kV線(xiàn)路，計(jì)算得到江蘇各直流落點(diǎn)的MIIF和MIESCR變化如表7和表8所示。

泰州站送出加強(qiáng)選取了500 kV層面，計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)各直流落點(diǎn)的MIIF影響不一，錫盟1 000 kV對(duì)錫盟500 kV之間相互影響因子均減小、錫盟對(duì)晉北的影響因子減小，而距離較遠(yuǎn)的政平、同里直流基本無(wú)影響。與之同時(shí)，500 kV網(wǎng)架加強(qiáng)抬高了錫盟直流落點(diǎn)的短路容量，有助于提高M(jìn)IESCR。錫盟直流1 000 kV落點(diǎn)的MIESCR從2.15回升至2.76，錫盟500 kV落點(diǎn)的MIESCR從2.35回升至2.90。此工程建成后提高錫盟直流落點(diǎn)的電網(wǎng)強(qiáng)度效果明顯。

表7　特高壓泰蘇線(xiàn)滯后于錫盟直流投產(chǎn)，泰州特高壓站500 kV送出加強(qiáng)情況下，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIIF

實(shí)施加強(qiáng)網(wǎng)架和建設(shè)調(diào)相機(jī)這兩類(lèi)措施后可以得到以下結(jié)論。

表8　特高壓泰蘇線(xiàn)滯后于錫盟直流投產(chǎn)，泰州特高壓站500 kV送出加強(qiáng)情況下，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIESCR

(1)加強(qiáng)特高壓網(wǎng)架和加強(qiáng)500 kV網(wǎng)架對(duì)直流落點(diǎn)MIIF因子影響力不同，加強(qiáng)1 000 kV網(wǎng)架的影響范圍廣，加強(qiáng)500 kV網(wǎng)架將僅影響到附近直流的MIIF因子。

(2)建設(shè)調(diào)相機(jī)對(duì)各直流落點(diǎn)的MIIF因子影響微弱。

(3)兩類(lèi)措施均能夠增加電網(wǎng)的短路容量，從而提高周邊直流落點(diǎn)電網(wǎng)的MIESCR。

3　直流落點(diǎn)地區(qū)無(wú)功電壓仿真

采用中國(guó)電科院BPA仿真工具，發(fā)電機(jī)采用含阻尼繞組的雙軸模型(次暫態(tài)模型)計(jì)及勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)新增直流落點(diǎn)在關(guān)鍵工程不同進(jìn)度下的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，選取的故障為，特高壓南京—泰州線(xiàn)路“N-2”三永故障。不同方式下計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1至圖3。

圖1　泰蘇線(xiàn)未建成，故障下錫盟電壓曲線(xiàn)

圖2　泰蘇線(xiàn)未建成，泰州站送出加強(qiáng)前后，故障下錫盟電壓曲線(xiàn)

圖3　泰蘇線(xiàn)建成，調(diào)相機(jī)建成與否，故障下錫盟電壓曲線(xiàn)

由仿真計(jì)算結(jié)果表明，過(guò)江大跨越若推遲投產(chǎn)將減弱泰州直流落點(diǎn)周邊電網(wǎng)事故支援能力，南京—泰州特高壓線(xiàn)路“N-2”故障下，泰州單極容量將全部由泰州特高壓主變降壓后轉(zhuǎn)供，泰州1 000 kV換流站交流母線(xiàn)出現(xiàn)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象。若泰州站500 kV送出加強(qiáng)或特高壓泰蘇線(xiàn)建成，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。調(diào)相機(jī)能夠改善故障后的電壓恢復(fù)曲線(xiàn)，但對(duì)無(wú)功電壓穩(wěn)定性的改善能力弱于泰州站送出加強(qiáng)措施。此結(jié)果一定程度上驗(yàn)證了多饋入有效短路比計(jì)算中的相應(yīng)結(jié)論。

4　結(jié)語(yǔ)

特高壓1 000 kV泰州—蘇州線(xiàn)路的投產(chǎn)進(jìn)度將明顯影響到錫盟直流落點(diǎn)電網(wǎng)的MIESCR。對(duì)于特高壓1 000 kV泰州—蘇州線(xiàn)路滯后于直流投產(chǎn)的情況，本文從增加調(diào)相機(jī)和加強(qiáng)網(wǎng)架兩個(gè)思路研究了對(duì)直流落點(diǎn)MIESCR的提高效果。建設(shè)調(diào)相機(jī)的措施將主要影響到接入點(diǎn)的短路容量，加強(qiáng)網(wǎng)架能夠同時(shí)起作用于MIIF因子和短路容量。在算例所涉及的情況下，網(wǎng)架加強(qiáng)對(duì)于提高電網(wǎng)強(qiáng)度的效果相對(duì)顯著。通過(guò)合理加強(qiáng)網(wǎng)架并安裝調(diào)相機(jī)，江蘇直流落點(diǎn)電網(wǎng)均屬于多饋入有效短路比定義下的強(qiáng)系統(tǒng)。

下一步的工作中可系統(tǒng)地研究提升多饋入電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)處的MIESCR的有效方式，并在工程實(shí)際中注重直流系統(tǒng)MIESCR的校驗(yàn)，以期合理提高多饋入交直流混聯(lián)電網(wǎng)的無(wú)功電壓穩(wěn)定性，保障系統(tǒng)無(wú)功電壓安全運(yùn)行。

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