特高壓接入對江西電網(wǎng)的影響研究

蘇永春，周 寧，舒 展

（國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

現(xiàn)代社會中，電能的使用與每個(gè)人息息相關(guān)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和文明程度的提高，電力負(fù)荷不斷增加，使得當(dāng)前電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)供電電壓也越來越高。特高壓輸電[1-2]可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量、大區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，可降低輸電成本，因此，美國、日本、意大利、前蘇聯(lián)等國家都曾致力于特高壓輸電技術(shù)的研究。目前，國家電網(wǎng)公司建設(shè)的1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流輸電示范工程成功運(yùn)行已滿6年，另外1 000 kV淮南-上海、浙北-福州交流特高壓工程也已投運(yùn)。這標(biāo)志我國特高壓交流輸電的研究與應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的階段，特高壓輸電成為必然的選擇。

1）我國國土遼闊，能源和負(fù)荷的地理分布極不均衡，我國的能源資源和能源需求呈現(xiàn)逆向分布，能源資源主要分布在北部和西北部，但用電量最多的是東中部。兩者相距甚遠(yuǎn)，這就決定了我國電力系統(tǒng)超大容量、超遠(yuǎn)距離的“西電東送”基本格局，而這種格局使已有的500 kV電壓等級難以支撐，特高壓交直流輸電線路的建設(shè)勢在必行。

2）特高壓輸電，可以大大緩解電煤運(yùn)輸緊張狀況。我國在未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)，以煤為主的能源格局不會發(fā)生根本變化，發(fā)電用煤占煤炭消費(fèi)的比重將不斷上升。2011年，我國的用電量達(dá)到4.7萬億kWh，57.8%的鐵路運(yùn)力“撲”在煤炭運(yùn)輸上；預(yù)計(jì)到2020年，我國的用電量將達(dá)到8.6萬億kWh，如果依然用“煤從地上跑”的運(yùn)輸方式和500 kV輸電，將難以為繼。特高壓輸電，是解決我國能源資源分布不均、緩解煤電運(yùn)緊張現(xiàn)狀的有效措施。

3）2013年以來，我國華北、黃淮、江淮、江南等中東部大部地區(qū)相繼出現(xiàn)大范圍霧霾天氣，而東中部地區(qū)火電裝機(jī)占全國火電的70%，是霧霾產(chǎn)生的重要原因之一。通過將煤炭產(chǎn)區(qū)的能源資源就地轉(zhuǎn)化為電力，能大大減少燃煤污染，減輕霧霾。加大清潔能源的利用也是調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減輕霧霾的有效手段之一。高效消納利用西部的清潔能源，需要發(fā)揮特高壓同步電網(wǎng)平臺的作用。

4）特高壓輸變電技術(shù)符合集約化社會發(fā)展需要。建一條1 000 kV特高壓輸電線路的線路走廊所占用的土地只相當(dāng)于2條500 kV輸電線路，而1 000 kV交流特高壓輸電線路輸送電能的能力是500 kV超高壓輸電線路的5倍，而理論損耗只有四分之一左右。所以相對來說，建特高壓輸電線路能少占土地，這對土地資源稀缺的中東部地區(qū)來說尤其有利。

江西省一次能源資源匱乏，人均占有量僅為全國平均水平的11%，到2015年江西能源缺口折合標(biāo)煤為6 300萬t，自給率僅為28%。隨著促進(jìn)中部地區(qū)崛起、鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)和贛南等原中央蘇區(qū)振興發(fā)展等國家戰(zhàn)略的政策效應(yīng)不斷顯現(xiàn)，為江西發(fā)展提供了重要機(jī)遇和有利條件。

一方面，是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展能源需求的剛性增長，另一方面，是建設(shè)生態(tài)江西、綠色江西節(jié)能環(huán)保的硬指標(biāo)約束，因此，江西迫切需要加快推進(jìn)特高壓電網(wǎng)建設(shè)，架通空中的能源走廊，讓“煤從空中走，電從遠(yuǎn)方來”，變過度依靠輸煤為輸煤與輸電并舉，構(gòu)建能源綜合運(yùn)輸體系。

本文從數(shù)字實(shí)時(shí)仿真的角度，進(jìn)行了特高壓接入江西電網(wǎng)后的影響分析。利用電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置ADPSS，建立特高壓接入江西電網(wǎng)的大電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)模型；基于該系統(tǒng)，研究特高壓輸變電工程接入江西電網(wǎng)后，是否存在低頻振蕩問題；研究當(dāng)特高壓輸電線路故障時(shí)，對江西系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；研究特高壓對短路電流的影響等。

1 特高壓接入江西電網(wǎng)規(guī)劃

根據(jù)國家電網(wǎng)特高壓電網(wǎng)規(guī)劃，“十三五”期間，特高壓電網(wǎng)建設(shè)步伐將逐步加快。至2020年，國家電網(wǎng)將建成以“三華”特高壓同步電網(wǎng)為中心，東北特高壓電網(wǎng)、西北750 kV電網(wǎng)為送端，聯(lián)結(jié)各大煤電基地、大水電基地、大核電基地、大可再生能源基地，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)?！叭A”特高壓同步電網(wǎng)形成“五縱五橫”主網(wǎng)架，并與南方電網(wǎng)形成特高壓交流同步相連格局。

圖1 國家電網(wǎng)公司2020年特高壓網(wǎng)架

目前，江西電網(wǎng)分別通過磁湖-永修、咸寧-夢山Ⅰ、Ⅱ線共3回500 kV線路與華中電網(wǎng)相連，最大受電規(guī)模3 000 MW。隨著國家支持原中央蘇區(qū)振興發(fā)展政策的落地，為江西發(fā)展提供了重要機(jī)遇和有利條件。預(yù)計(jì)到2020年用電負(fù)荷將達(dá)到3 400萬kW，電力缺口將超過1 200萬kW，電力供需緊張局勢呈逐年加劇之勢。

為解決江西電網(wǎng)受電問題，促進(jìn)江西經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，特高壓將會在“十三五”期間落點(diǎn)江西。國家電網(wǎng)規(guī)劃2017年建成武漢-南昌交流特高壓輸變電工程。在江西建設(shè)南昌1 000 kV特高壓變電站，特高壓出線2回至武漢，500 kV出線共4回，至進(jìn)賢和撫州各2回。

由于特高壓輸送容量大，特高壓接入后將對受端電網(wǎng)產(chǎn)生重大影響[3-7]。為保證江西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須對特高壓輸變電工程接入江西電網(wǎng)后的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

2 特高壓接入江西電網(wǎng)建模

參考1 000 kV特高壓晉長治-豫南陽-鄂荊門示范工程，武漢至南昌特高壓線路選線采用LGJ-630×8導(dǎo)線，導(dǎo)線參數(shù)詳見表1。考慮到特高壓線路全長310 km，若每回特高壓線路采用單段集中參數(shù)式線路模型，則會忽略長距離線路的波傳輸過程，從而降低了仿真準(zhǔn)確度。因此應(yīng)采用分段線路模擬更為準(zhǔn)確，故而本研究中采用了三分段線路模型。

表1 LGJ-630×8導(dǎo)線參數(shù)

南昌特高壓站主變?nèi)萘繛?×3000MVA，變壓器參數(shù)參考特高壓示范工程，具體參數(shù)詳見表2。

表2 特高壓主變參數(shù)

線路并聯(lián)電抗器的設(shè)置同樣參考特高壓示范工程，按鄂贛特高壓甲線首末端各分擔(dān)40%和60%的補(bǔ)償容量，特高壓乙線首末端各分擔(dān)60%和40%的補(bǔ)償容量，將并聯(lián)電抗分掛在線路兩端。綜合考慮穩(wěn)態(tài)電壓水平和經(jīng)濟(jì)角度，特高壓線路并聯(lián)電抗器補(bǔ)償度取70%為佳。

除特高壓相關(guān)元件的建模外，其余元件采用華中華北經(jīng)特高壓聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃及方式數(shù)據(jù)建模，以此建立特高壓接入江西電網(wǎng)的大電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)模型。模型涵蓋華北和華中特高壓、500 kV及220 kV各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

3 特高壓接入對江西電網(wǎng)的影響研究

3.1 潮流分析

南昌特高壓交流變電站投運(yùn)后，江西電網(wǎng)分別通過1 000 kV武漢-南昌雙回特高壓線路、500 kV磁湖-永修及咸寧-夢山Ⅰ、Ⅱ線3回線路，共計(jì)5回線路與華中電網(wǎng)相聯(lián)。全網(wǎng)潮流分布如下：網(wǎng)供受電428萬kW，通過特高壓主變下網(wǎng)257萬kW，通過鄂贛3回聯(lián)網(wǎng)線受電171萬kW。特高壓下網(wǎng)潮流在消化南昌供電區(qū)負(fù)荷之后向西南輸送至贛西及贛南電網(wǎng)，鄂贛500 kV聯(lián)網(wǎng)線受電電力向中部及北部電網(wǎng)電網(wǎng)輸送。北部電網(wǎng)主要通過500 kV永修-馬廻嶺雙回線受電20萬kW。

3.2 小干擾穩(wěn)定分析

應(yīng)用ADPSS仿真系統(tǒng)中的小干擾穩(wěn)定分析模塊，對包含特高壓落點(diǎn)的江西電網(wǎng)進(jìn)行分析。在表3中列出了與江西電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)組相關(guān)的阻尼比小于5%的幾組振蕩模式。

表3 特高壓接入后江西電網(wǎng)震蕩模式

由表3中可以看出，特高壓接入后的江西電網(wǎng)中不存在負(fù)阻尼的振蕩模式。其中與江西電網(wǎng)相關(guān)的弱阻尼模式均為小水電相對江西主網(wǎng)或者小水電之間的振蕩模式，屬于區(qū)域內(nèi)振蕩模式；而特高壓線路為區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線，其引入的振蕩模式必然為區(qū)域間振蕩模式，其對應(yīng)的頻率一般均在1 Hz以下，因此表3中的震蕩模式與特高壓的接入無關(guān)，即特高壓接入江西電網(wǎng)不會產(chǎn)生新的低頻震蕩問題。

3.3 暫態(tài)穩(wěn)定分析

在研究特高壓輸電線路故障對江西系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響時(shí)，考察武漢至南昌特高壓雙回線N-1和N-2兩種故障形式，故障類型選取對系統(tǒng)穩(wěn)定最不利的三相故障，故障地點(diǎn)選在南昌特高壓站線路出口點(diǎn)。當(dāng)特高壓線路發(fā)生N-1故障時(shí)，故障前后系統(tǒng)的電壓及功角變化情況如圖2及圖3所示。

圖2 N-1故障時(shí)系統(tǒng)電壓波動

圖3 N-1故障時(shí)系統(tǒng)功角波動

從圖2及圖3中可看出，故障切除后，各母線電壓迅速恢復(fù)至0.85 p.u.以上，并于1 s后恢復(fù)到0.95 p.u.以上，10 s時(shí)功角的振蕩基本平息，系統(tǒng)保持功角穩(wěn)定。

特高壓雙回線路N-2故障：南昌側(cè)異名相單相永久性短路，雙回線單相跳閘，重合失敗后N-2跳線。故障前后系統(tǒng)的電壓及功角變化情況如圖4及圖5所示。

圖4 N-2故障時(shí)系統(tǒng)電壓波動

圖5 N-2故障時(shí)系統(tǒng)功角波動

由圖4及圖5可看出，故障第一次切除后，各母線電壓迅速恢復(fù)至0.9 p.u.以上；重合并第二次切除故障后，各母線電壓迅速恢復(fù)至0.85 p.u.以上，并于3 s后恢復(fù)到0.95 p.u.以上，10s時(shí)功角的振蕩基本平息，系統(tǒng)保持功角穩(wěn)定。

綜合以上2種情況可知，武漢至南昌特高壓雙回線發(fā)生N-1或N-2故障不會導(dǎo)致江西電網(wǎng)系統(tǒng)失穩(wěn)。

3.4 短路電流計(jì)算

特高壓線路接入江西電網(wǎng)以后，將使得網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系更加緊密，從而增加系統(tǒng)的短路電流水平。在本文中分析了特高壓輸電線路接入江西電網(wǎng)時(shí)，對江西系統(tǒng)短路電流的影響。分別研究了特高壓輸變電工程接入前后500 kV系統(tǒng)及220 kV系統(tǒng)母線短路電流水平的變化情況。

表4 500 k V母線短路電流變化k A

表5 200 k V母線短路電流變化k A

從表4及表5中可以看出，特高壓接入對江西電網(wǎng)短路電流水平影響嚴(yán)重，500 kV系統(tǒng)母線短路電流增加幅度高于220 kV系統(tǒng)。在特高壓變電站500 kV接入點(diǎn)撫州變及進(jìn)賢變母線短路電流分別增加了17.9 kA及13.6 kA，其余500 kV母線短路電流按照與特高壓接入點(diǎn)的電氣距離遠(yuǎn)近也有不同程度增加。因而在特高壓落點(diǎn)江西以后，需要根據(jù)各變電站母線短路電流水平及開關(guān)遮斷容量情況進(jìn)行具體分析，在短路電流超過開關(guān)遮斷容量時(shí)需要采取電磁解環(huán)、線路出串、分母運(yùn)行等限流措施。

4 結(jié)語

特高壓輸電以其輸送距離遠(yuǎn)、輸送功率大等優(yōu)勢在我國逐步得到推廣應(yīng)用，江西作為一次能源匱乏省份，采用特高壓接受來自遠(yuǎn)方的清潔電力供應(yīng)迫在眉睫。本文分析了特高壓接入江西電網(wǎng)后可能產(chǎn)生的問題，表明特高壓輸電不會給江西電網(wǎng)帶來新的小干擾及暫態(tài)穩(wěn)定問題，但特高壓接入后的短路電流增加問題需要采取相應(yīng)措施加以控制。

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