雁淮直流近區(qū)220 kV電網(wǎng)特性研究及規(guī)劃建議

郭偉東，栗向鑫，衛(wèi)鵬杰

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)華北電力調(diào)控分中心，北京 100053；3.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

±800 kV晉北—江蘇特高壓直流（調(diào)度命名±800 kV雁淮直流，簡稱“雁淮直流”） 已投產(chǎn)，是華北電網(wǎng)第一條外送型特高壓直流。雁淮特高壓直流投產(chǎn)后，山西電網(wǎng)北部窩電問題大幅緩解，北電南送斷面潮流降低，顯著提高晉電外送能力。由于雁淮直流輸送容量大，雁淮直流對華北電網(wǎng)主網(wǎng)及近區(qū)火電、新能源耦合特性復(fù)雜。雁淮特高壓直流投產(chǎn)引起山西電網(wǎng)乃至華北電網(wǎng)潮流分布、功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定特性發(fā)生變化。

按照政府新能源發(fā)展規(guī)劃，未來將大力發(fā)展可再生能源，大力提高可再能能源消費(fèi)占比，山西電網(wǎng)可再生能源以風(fēng)電、光伏新能源為主。為充分發(fā)揮雁淮直流輸送能力，在直流近區(qū)規(guī)劃配套新能源，通過山西與江蘇電力市場交易協(xié)議，實(shí)現(xiàn)新能源電力外送。隨著接入電網(wǎng)直流近區(qū)新能源容量快速增長，會產(chǎn)生以下問題：一是由于新能源整體規(guī)劃與電網(wǎng)可送出能力不匹配，導(dǎo)致部分區(qū)域存在網(wǎng)絡(luò)約束，運(yùn)行中受設(shè)備能力限制需控制新能源出力；二是當(dāng)雁淮直流發(fā)生換相失敗、閉鎖等嚴(yán)重故障，近區(qū)系統(tǒng)電壓升高，可能導(dǎo)致直流近區(qū)新能源大面積脫網(wǎng)，引起電網(wǎng)等級事件，制約直流輸送能力；三是隨著政府核定雁淮直流配套新能源方案的確定，將有大量新能源在雁淮直流近區(qū)220 kV電網(wǎng)接入，勢必會提出對接入間隔資源、通道外送能力的剛性需求[1-4]。

1 直流近區(qū)網(wǎng)源分析

1.1 直流近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

山西電網(wǎng)通過該直流線路與華東電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，與華北主網(wǎng)通過大房三回線、神保雙、陽桂雙、潞辛雙4個(gè)外送通道、9條500 kV線路聯(lián)絡(luò)。220 kV系統(tǒng)分為大同、忻朔、中部、南部4片運(yùn)行，如圖1所示。500 kV雁門關(guān)換流站至明海湖三回線，明海湖至雁同雙回線、明海湖至五寨雙回線。明海湖站220 kV配套工程包括220 kV明海湖至右玉、明海湖至向陽堡、明海湖至水頭、明海湖至臥龍洞風(fēng)電場雙回線，明海湖至白玉山風(fēng)場一回線，共計(jì)九回線。

結(jié)合雁淮直流與山西電網(wǎng)電力電氣聯(lián)系，定義以下兩個(gè)斷面。雁淮直流一級斷面由500 kV湖關(guān)三回線組成；二級斷面由500 kV雁湖雙+湖寨雙+明海湖雙變（2×1000 MW） 構(gòu)成。

圖1 直流近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖（現(xiàn)狀）

1.2 直流近區(qū)電源結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)期直流近區(qū)接入220 kV火電、風(fēng)電、光伏容量超過3000 MW。其中火電廠包括京玉電廠、昱光電廠2座，共計(jì)1260 MW；新能源分為平魯區(qū)域、右玉區(qū)域、向陽堡區(qū)域、水頭區(qū)域4個(gè)區(qū)域，總?cè)萘砍^2000 MW。目前還有可開發(fā)的風(fēng)電、光伏資源，該區(qū)域的電源容量會進(jìn)一步增加。

2 直流近區(qū)220 kV電網(wǎng)特性分析

2.1 靜態(tài)安全分析

500 kV明海湖變電站配置2臺1000 MVA主變壓器，隨著直流送電功率增加，明海湖雙變上送潮流增加，造成設(shè)備重載。正常運(yùn)行方式下發(fā)生N－1，需通過限制該區(qū)域新能源措施保證設(shè)備安全，引起棄風(fēng)、棄光，造成新能源資源的浪費(fèi)，同時(shí)給電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行及設(shè)備安全帶來很大安全壓力。

220 kV明海湖—右玉雙回線導(dǎo)線型號為LGJ-2×300，220 kV右玉變電站接入京玉火電廠及大量風(fēng)電、光伏，220 kV翠微變電站接入昱光火電廠，且京玉、昱光電廠為供熱機(jī)組，冬季新能源大發(fā)期間，造成220 kV明海湖—右玉雙回線重載，冬季大風(fēng)期不滿足N－1，不滿足電力外送需求[5-7]。

220 kV明海湖—臥龍洞雙回線導(dǎo)線型號為2×JL3/G1A-400/35導(dǎo)線。臥龍洞風(fēng)電場匯集包括臥龍洞、蔣家坪、大山臺等風(fēng)電場，將來規(guī)劃容量超過1000 MW。全部風(fēng)電場電力通過220 kV明海湖—臥龍洞雙回線聯(lián)合送出，當(dāng)風(fēng)電同時(shí)率高于80%，220 kV明海湖—臥龍洞雙回線不滿足N－1?？紤]臥湖雙位同塔雙回架設(shè)線路，發(fā)生N－2，脫網(wǎng)容量超過500 MW，造成電網(wǎng)五級事件。

2.2 短路電流計(jì)算分析

考慮山西電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，外網(wǎng)東北電網(wǎng)、華中電網(wǎng)、華東電網(wǎng)以等值機(jī)接入。短路電流計(jì)算結(jié)果如表1、表2、表3所示。

表1 直流近區(qū)站點(diǎn)220 kV母線短路電流計(jì)算kA

表2 明海湖站220 kV母線單相短路分支電流

表3 明海湖站220 kV母線三相短路電流分支電流

分析表1、表2、表3可知，明海湖220 kV母線單相短路電流為45.619 kA，三相短路電流為41.061 kA。220 kV斷路器額定遮斷容量為50 kV。因此，單相短路電流安全裕度僅有8.8%，且單相短路電流大于三相短路電流，超過三相短路電流11.1%。建議在明海湖主變壓器增加中性點(diǎn)小電抗，可顯著降低單相短路電流，提高設(shè)備安全裕度。

相對更高的牌照價(jià)值，商業(yè)銀行理財(cái)子公司的準(zhǔn)入門檻也相應(yīng)被抬高。根據(jù)《管理辦法》，理財(cái)子公司的最低注冊資本為10億元人民幣。同時(shí)，還要求股東入股資金為自有資金，不得以債務(wù)資金和委托資金等非自有資金入股，避免虛假注資、循環(huán)注資。此外，股東在銀行理財(cái)子公司章程中承諾5年內(nèi)不轉(zhuǎn)讓所持有的股權(quán)，不將所持有的股權(quán)進(jìn)行質(zhì)押或設(shè)立信托。

從表2、表3分支短路電流分析可知，明海湖220 kV短路電流分支短路電流中，500 kV側(cè)占比在20%以上，其他220 kV分支短路電流占比10%以下，可以考慮在220 kV側(cè)增加通道及布點(diǎn)[8-10]。

2.3 風(fēng)電場高電壓穿越分析

雁淮直流分別發(fā)生雙極閉鎖、連續(xù)2次換相失敗、雙極2次再啟動等故障，暫態(tài)過程中，有功功率下降為50%或?yàn)榱?，濾波器及電容器無功補(bǔ)償裝置未切除，造成交流系統(tǒng)暫態(tài)電壓升高。若暫態(tài)壓升高于風(fēng)電場耐受水平，可能造成風(fēng)電場脫網(wǎng)。經(jīng)校核對比，直流換相失敗造成的暫態(tài)壓升最高。

考慮直流輸送大功率方式，風(fēng)電同時(shí)率60%情況下，明海湖近區(qū)4個(gè)風(fēng)場出力100%。計(jì)算直流發(fā)生換相失敗對風(fēng)電場母線電壓影響。雁淮直流6000 MW，風(fēng)電80%，連續(xù)3次換相失敗，換流站近區(qū)風(fēng)電機(jī)端風(fēng)電暫態(tài)壓升如表4所示。

表4 風(fēng)電暫態(tài)壓升 標(biāo)幺值

為進(jìn)一步校核嚴(yán)重方式，考慮長南線南送5800 MW、雁淮直流功率6000 MW方式下，對比雁淮直流分別發(fā)生雙極閉鎖、連續(xù)2次換相失敗、雙極2次再啟動等故障，直流換相失敗造成的暫態(tài)壓升最高[11]。

隨著直流近區(qū)風(fēng)電場接入，雁淮直流換相失敗造成近區(qū)風(fēng)電場脫網(wǎng)容量增加。臥龍洞風(fēng)電場匯集風(fēng)電容量1097 MW，考慮70%同時(shí)率為767.9 MW，若該區(qū)域風(fēng)電場全部脫網(wǎng)，超過規(guī)定容量500 MW，構(gòu)成電網(wǎng)五級事件，因而會制約雁淮直流送電能力。

目前，直流配套電源相對滯后，直流輸送功率較小。隨著配套電源逐步投產(chǎn)，直流輸送功率提升，因直流故障引起的風(fēng)電場大面積脫網(wǎng)事故也會凸現(xiàn)，可能成為限制直流輸送功率的一個(gè)重要因素。隨著直流功率提升，風(fēng)電場涉網(wǎng)設(shè)備的高穿問題日益突出，需按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求合理規(guī)劃容量，脫網(wǎng)容量不超過不平衡量。

3 電網(wǎng)規(guī)劃建議

b）明海湖擴(kuò)建3號主變壓器。在規(guī)劃中，存在神泉電廠改接接入雁門關(guān)換流站及其他配套電源陸續(xù)投產(chǎn)，可提高直流近區(qū)有效短路比，增加送電能力?？紤]擴(kuò)建明海湖3號主變壓器，有效提升二級斷面潮流匯集能力。經(jīng)校核，明海湖220 kV母線單相短路電流增加6.267 kA，三相短路電流增加4.1 kA。

c）增加明海湖主變壓器中性點(diǎn)電抗?？紤]在明海湖雙變分別加裝10 Ω小電抗，單相短路電流由45.619 kA降低至37.302 kA，顯著提高了明海湖區(qū)域的安全裕度。

d）直流近區(qū)增加220 kV變電站布點(diǎn)。新建一個(gè)上送通道，解決220 kV明海湖—右玉雙回線重載。措施a） 中，隨著風(fēng)電接入，出線三回線滿載，考慮在該處增加布點(diǎn)。新建220 kV匯集站，新建220 kV匯集站至明海湖雙回、至右玉單回。朔州西北部新投產(chǎn)風(fēng)電可接入?yún)R集站。經(jīng)校核，明海湖220 kV母線單相短路電流增加1.637 kA，三相短路電流增加1.489 kA，均在合理范圍。220 kV匯集站投產(chǎn)后，新增一個(gè)上送通道，湖右雙基礎(chǔ)潮流明顯降低，發(fā)生N－1轉(zhuǎn)移比減小，運(yùn)行控制極限功率同比提高。有效增加近區(qū)系能源、火電的開機(jī)靈活性及電力匯集能力。

e）風(fēng)電容量規(guī)劃。為規(guī)避因發(fā)生臥龍洞至明海湖雙回線N－2、直流故障造成風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)容量超過500 MW，造成電網(wǎng)五級事件。建議規(guī)劃部門專題研究該區(qū)域風(fēng)電最大并網(wǎng)容量。集中考慮，統(tǒng)一匯集，風(fēng)電高穿容量1.3%，提高高電壓耐受能力。

f）對最終目標(biāo)網(wǎng)架短路電流進(jìn)行計(jì)算分析。明海湖站擴(kuò)建3號主變壓器，同步在33臺主變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗，新建220 kV匯集站，明海湖220 kV母線單相短路電流為46.124 kA，三相短路電流為47.043 kA，均在50 kA以內(nèi)目標(biāo)網(wǎng)架如圖2所示。

圖2 直流近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖（目標(biāo)網(wǎng)架）

4 結(jié)論

雁淮直流投產(chǎn)后，交直流電網(wǎng)存在復(fù)雜耦合特性，220 kV電網(wǎng)存在潮流、短路、電壓問題。建議增加明海湖中性點(diǎn)電抗限制短路電流；規(guī)劃新建明海湖3號主變壓器、220 kV匯集站及送出通道，消除直流輸送功率與220 kV電網(wǎng)開機(jī)耦合關(guān)系；合理規(guī)劃明海湖區(qū)域風(fēng)電容量，規(guī)避電網(wǎng)等級事件，降低對直流輸送容量限制。

后續(xù)，還需研究雙饋風(fēng)機(jī)、直驅(qū)風(fēng)機(jī)對直流近區(qū)暫態(tài)電壓升高的敏感性，進(jìn)一步指導(dǎo)直流近區(qū)風(fēng)電場設(shè)備選型，做好網(wǎng)源協(xié)調(diào)工作。