特高压交直流接入下山东断面输电能力提高措施
近年来在华北电网已建和将要建成多个与山东相关的特高压交直流工程,首先介绍了华北—山东电网输电断面的网络演化与发展进程,研究了山东断面演化发展的各个阶段的输电能力,然后详细研究了各个阶段华北—山东交流断面输电能力的影响因素,主要包括元件热稳约束、输电断面静稳极限、受端电压支撑能力和多馈入短路比等,在此基础上提出了提高山东断面输电能力方法并进行了验证。
0 引言
国家能源局组织相关单位进行研究,形成了《大气污染防治行动计划报告》,并与国家电网公司等单位签订《大气污染防治外输电通道建设任务书》,要求加快推进内蒙古锡盟—山东济南、蒙西—天津南、陕西榆横—山东潍坊等特高压交流输电通道建设,并要求上述工程在2017年底前全部投产[1]。华北电网将建成“两横一纵”特高压网架,山东省与华北电网连接的断面将新增天津南—济南、石家庄—济南4回特高压线路。2018—2019年山东省内及省间将可能建成(济南—潍坊—临沂—枣庄—菏泽—石家庄)的扩大环网,同时扎鲁特—青州、上海庙—山东特高压直流也将建成。这些重大工程的建设在近期内导致山东电网省内和省间的网架变化较大,而且山东断面输电能力的受限因素也有较大变化[2-3]。本文主要介绍山东省间断面的网络演化情况及各阶段输电能力,研究各阶段山东断面输电能力的影响因素,并提出了提高山东断面输电能力的措施。
1 山东断面网络演化情况
2016年以前,山东输电断面由4回500 kV线路(黄骅—滨州、辛安—聊城)组成,如图1所示。
图1 山东断面4回500 kV线路示意图
锡盟—济南特高压工程投产后,新建了锡盟、北京东特高压变电站和承德串补站及济南—北京东—锡盟2段1000 kV线路。山东省间断面由2回特高压线路(北京东—济南)和4回500 kV线路组成,如图2所示。
图2 锡盟—济南特高压工程投产山东断面示意图
蒙西—天津南段特高压工程投产后,新建了蒙西—晋北—北京西—天津南3段双回1000 kV线路,天津南站Π接入北京东—济南段特高压线路。山东断面由2回特高压线路(天津南—济南)和4回500 kV线路,如图3所示。
图3 蒙西—天津南段特高压工程投产山东断面示意图
榆横—潍坊段特高压工程投产后,新建了榆横开关站及晋中、石家庄、潍坊3个1000 kV变电站,扩建济南1000 kV变电站,新建了榆横—晋中—石家庄—泉城—潍坊4段双回1000 kV线路。山东断面由4回500 kV线路4回1000 kV特高压线路(天津南—济南、石家庄—济南)组成,如图4所示。
图4 榆横—潍坊段特高压工程投产山东断面示意图
山东特高压交流大环网及2回特高压直流投产阶段,新建临沂、枣庄、菏泽3个1000 kV变电站,新建潍坊—临沂—枣庄—菏泽—石家庄4段2回1000 kV线路,形成山东特高压大环网。
2018—2019年将要投产的±800 kV上海庙—山东特高压直流工程落点为山东省500 kV智圣换流站和1000 kV临沂换流站;±800 kV扎鲁特—青州特高压直流工程落点为山东省500 kV青州换流站和1000 kV潍坊换流站,都采用了分层接入的方式,如图5所示。
图5 山东大环网及2回特高压直流投产山东断面示意图
2 山东受电断面输电能力
在山东输电断面只有4回500 kV线路阶段[4-5],黄骅—滨州、辛安—聊城2个通道N-1后另一回线承载的原通道功率比例分别为81%(黄骅—滨州)和79%(辛安—聊城),典型方式下断面潮流较偏重于黄骅—滨州通道(如图6所示),在线路暂态N-1稳定的条件下,受到N-1之后线路热稳限制山东断面的输电能力只有4000 MW。
图6 山东断面4回500 kV线路潮流
同时黄骅—滨州线路考虑同塔2回线路N-2之后只剩辛安—聊城2回线路,山东—内蒙机组存在动态稳定问题,如图7所示(黄骅—滨州N-2后山东—内蒙机组等幅振荡),动稳约束下的山东断面输电极限也是4000 MW。
锡盟—济南特高压工程投产后,山东断面在4回500 kV线路的基础上增加了2回特高压线路,“山东—内蒙”振荡模式表现为强阻尼,如图8所示,原有的弱阻尼得到了极大改善(“山东—内蒙”的频率在0.4 Hz附近,阻尼比增大到9%以上)。
山东断面500 kV线路N-1后另一回线承载的原通道功率比例分别为82%(黄骅—滨州)和80%(辛安—聊城)。在线路N-1暂态稳定的条件下,输电能力受限于济南主变N-1故障后另一台主变的热稳定限额或者500 kV线路N-1故障后另一回线路的热稳定限额,2个故障下的极限基本一致,极限能力是10 000 MW,如图9所示。榆横—潍坊特高压工程投产后山东断面暂态稳定能力进一步增强,输电能力仍受限于500 kV线路黄骅—滨州N-1、辛安—聊城N-1热稳约束,极限方式下山东断面输电能力为15 000 MW。
图7 黄骅—滨州线路N-2后山东—内蒙功角变化曲线
图8 锡盟—济南特高压工程投产后山东—内蒙振荡模态
图9 山东断面4回500 kV和2回1000 kV线路潮流
山东特高压交流大环网(济南—潍坊—临沂—枣庄—菏泽—石家庄—济南)建成阶段,扎鲁特—青州特高压直流、上海庙—山东特高压直流已投产。此时如果只考虑山东交流断面的自身稳定特性,整个交流断面的输电能力是18 000 MW,受到500 kV黄骅—滨州线路N-1后另一回的热稳约束,具体线路潮流分布如图10所示。
图10 山东断面4回500 kV和6回1000 kV线路潮流
在山东电网负荷61 200 MW(大负荷)的条件下,如果扎鲁特—青州、上海庙—山东特高压直流同时满送10 000 MW,银东直流送电4000 MW,山东受电断面受天津南—济南N-1后电压稳定约束[6]。如图11所示,交流受电断面功率极限为8500 MW,此时山东交直流受电比例约52%。
图11 山东电网大负荷条件下特高压直流满送时天津南—济南N-1故障后电压稳定曲线
反过来,如果交流断面功率安排到18 000 MW的极限(满足黄骅—滨州N-1和辛安—聊城N-1后另一回线热稳约束),落入山东境内的3回直流则不能满送,受天津南—济南N-1后山东电网电压稳定约束,上海庙—山东、扎鲁特—青州特高压直流和银东直流的功率之和不能超过17 000 MW,如图12所示。此时,山东交直流受电比例约56%。
在山东负荷54 000 MW(小负荷)的条件下,扎鲁特—青州、上海庙—山东特高压直流同时满送功率10 000 MW,银东直流4000 MW,交流受电断面受天津南—济南N-1后山东电网电压稳定约束,极限为5000 MW,山东电网交直流受电比例约53%。
图12 山东电网大负荷方式下天津南—济南N-1故障后电压曲线
如果交流断面功率安排到18 000 MW的极限,上海庙—山东、扎鲁特—青州特高压直流和银东直流的功率之和不能超过15 000 MW,此时受天津南—济南N-1后山东电网电压稳定约束,山东电网交直流受电比例约60%。
在此阶段,山东的交流断面和直流大规模受入的极限存在整体受电比例的约束,极限受电比例范围52%~60%。
3 山东受电断面输电能力影响因素
3.1 线路及变压器热稳极限
从山东输电断面只有4回500 kV线路开始、锡盟—济南、蒙西—天津南、榆横—潍坊特高压工程投产,一直到山东扩大环网建成阶段,山东断面自身的输电能力均是由黄骅—滨州N-1和辛安—聊城N-1后另一回线热稳定限额、济南主变N-1后另一台主变的热稳限额约束的。
变压器热稳限额计算公式[7-8]如下：
PR=PEKSλ (1)
式中：PR为变压器热稳限额;PE为变压器额定容量;KS为变压器过载系数,一般取1.3;λ为功率因数,一般取0.85~0.9。特高压主变的热稳定限额一般取3000 MW×0.85×1.3=3510 MW。
3.2 静态稳定极限及输电能力稳定裕度
两区域互联系统的简化等值模型如图13所示。在实际系统中,电阻值远小于电抗值,图中E1、E2分别为2个等值系统的电压,XS1、XS2分别为2个等值系统的电抗,XL为联络线的并联电抗[9-10]。
图13 两区域互联系统的简化等值模型
联络线上传输的功率为：
(2)
式中：X∑= XS1 +XL +XS2;δ为E1、E2相角差;当δ=90°时,P值即线路或者断面的静态稳定极限。
在山东断面网络演化过程中,随着断面自身的加强及山东省内电网的加强,XL和XS2数值降低,线路的静稳极限不断提高,同时断面的N-1故障没有暂稳问题。
山东断面由4回500 kV线路组成阶段,山东断面的静态稳定极限为13 300 MW;蒙西—天津南段特高压工程投产阶段,山东断面由2回特高压线路和4回500 kV线路组成,山东断面的静态稳定极限增加到17 600 MW;榆横—潍坊特高压工程投产后,山东断面由4回特高压线路和4回500 kV线路组成,山东断面的静态稳定极限为21 300 MW;山东特高压交流大环网建成阶段大负荷方式下,山东断面由6回特高压线路和4回500 kV线路组成,山东断面的静态稳定极限为31 500 MW。采用工程算法的山东断面静态稳定极限如图14所示。
图14 各阶段山东断面静态稳定极限
各阶段的输电能力对应静态稳定极限的稳定裕度见表1。
表1 各阶段下静态稳定裕度
3.3 电压稳定与多馈入短路比
直流系统控制系统对交流电压下降时的响应会促使电压不稳定[11-15],原因有：1)功率控制增大直流电流以恢复传输功率;2)逆变器的γ角可能增大以维持伏-秒换相裕度;3)电压降低时,逆变器需要吸收更多的无功,而并联电容器发出的无功却减少了;4)交流电压下降使上述情况进一步恶化。因此,这一过程可能导致累进式的电压下降[16-17]。
直流逆变器侧的直流电压、直流电流及功率因数公式如下：
(3)
交流电网接地故障后直流在逆变器的γ角达到或者小于γmin(极限关断角) 发生换相失败[18],对于多馈入直流系统,受到各直流落点之间的电气距离、受端交流系统强度和交直流系统间的相互影响等因素的作用,交流系统故障可能引发直流的连续换相失败。例如：在山东电网扎鲁特—青州、上海庙—山东和银东直流满送,山东交流断面超过极限功率的情况下,在天津南—济南、济南—潍坊、潍坊—临沂线路发生N-1故障,3回直流均发生连续换相失败,最后导致山东电网电压崩溃,见图15。
图15 连续换相失败阶段济南特高压站电压曲线
为衡量受入了多回直流的山东电网强度,可以采用多馈入短路比来衡量,在交直流互联系统,短路比越大,交流系统越强,直流故障对交流系统的影响越小。在多馈入的交直流系统中,交流故障可能引起多回直流同时换相失败,进而影响交流系统关键断面的输电能力。CIGRE WG B4-41工作组基于多馈入交互作用因子(multi-infeed interaction fact-ors,MIIF)将逆变站i的多馈入短路比[19-20]定义为：
(4)
式中：Saci为第i回直流换流母线处的短路容量;PdNi为第i回直流的额定传输功率;PdNj为直流j(j=1,2,˙˙˙,n,j≠i)的额定传输功率;MIIFji为多馈入交互作用因子,0≤MIIFji≤1。
多馈入有效短路比定义为：
(5)
式中SRPCi为换流站i无功补偿容量。
在山东特高压交流大环网及2回特高压直流投产阶段,选择4个系统运行方式,如表2所示。山东交流受电断面各回线潮流较轻,潮流分布偏重于天津南—济南特高压2回交流线路。
表2 山东电网计算多馈入短路比的4种运行方式
计算直流受端各换流站的多馈入短路比和多馈入有效短路比,如表3所示。其中青州、智圣和青岛站是500 kV换流站,潍坊、临沂站是1000 kV换流站。
表3 4种方式下换流站短路比及有效短路比统计结果
由表2中数据可知,直流受端500 kV和1000 kV换流站的多馈入短路比和有效短路比均表现出受端交流系统为较弱的系统,其中保持直流功率不变的情况下,降低交流受电断面可以提高多馈入短路比。
4 提高山东受电断面输电能力的措施
4.1 利用移相器改善潮流分布
在山东断面上增设移相器(也称为相角调节器)可以通过调节电压相角实现合理分配线路潮流,提高断面输电能力[21]。
如3.1节中的计算结果,山东断面的输电能力受到线路或者主变N-1故障之后热稳限额的约束,存在电磁环网的断面上,如果使得1000 kV线路及500 kV线路上的潮流不偏重于某一个通道,更加均匀地分布,能够增加整个断面输电能力。例如在山东受电断面2回特高压和4回500 kV线路的情况下,其中受到济南主变N-1故障后另一台主变热稳的限制,断面极限为10 000 MW。其中辛安—聊城并未达到极限,设定天津南—济南的潮流到4300 MW后受到济南主变N-1的限制并不能再增加,而辛安—聊城的功率可以调整得更大。在辛安—聊城上装设移相器,移相角度为-5°时,能增加山东受电断面能力1000 MW,如图16所示。
图16 山东受电断面增加移相器之后潮流
4.2 利用调相机加强电网无功动态支撑能力
调相机在系统电压较大幅度降低时,能够利用短时强励能力(强励电压为2倍额定励磁电压,强励允许时间为10 s)提供大量动态无功支撑,有助于系统电压恢复,提高系统电压稳定性。可在在潍坊、临沂特高压换流站近区及青州换、智圣换近区分别加装调相机(如图17所示)。
在3.3节中提到的山东电网连续换相失败并导致电压崩溃的例子中。在潍坊、临沂特高压环流站分别加900 Mvar的调相机后,在天津南—济南、济南—潍坊、潍坊—临沂线路发生N-1故障后电网能够保持稳定,如图18所示。根据计算结果,调相机可以增强直流受端的动态无功支撑能力,加装1800 Mvar的调相机可以提高山东受电断面或直流受入输电能力2000 MW。
5 结论
本文介绍了锡盟—济南、蒙西—天津南、榆横—潍坊、山东环网特高压交流工程和上海庙—山东、扎鲁特—青州特高压直流工程投产带来的山东断面网络演化。山东交流断面在4回500 kV线路的基础上得到了不断加强,最多将新增6回1000 kV线路,交流断面自身输电能力由4000 MW提高到18 000 MW,而且最终山东交直流受电的整体能力达到50%以上。
图17 山东电网增加调相机后网架
图18 加调相机后济南特高压站的电压曲线
在演化过程中,山东断面输电能力的影响因素有：1)断面自身线路及变压器的热稳约束,2)断面静态稳定极限,3)山东电网电压稳定特性,
4)山东电网多馈入短路比。
本文提出了提高山东受电断面输电能力的具体措施：1)可利用移相器使潮流分布更加均匀,提高山东断面的输电能力;2)可利用调相机加强电网无功动态支撑能力,提高系统的电压稳定性,并举例证明了可行性。
作者简介：
（贺庆 张宝家 马士聪 易俊 张健 贾俊川）
贺庆(1980),男,博士,高级工程师,主要从事电力系统运行与控制、电力系统复杂性理论、特高压电网的调试工作,
张宝家(1990),男,硕士研究生,研究方向为电力系统安全性稳定性分析。
致 谢
本文的研究工作获得了中国电力科学研究院科技项目(XT83-17-002)的资助,谨此致谢!
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