±800 kV雁淮特高壓直流輸電能力分析研究

張 穎，郝 捷，何彩紅

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001；2.國網(wǎng)朔州供電公司，山西朔州 036002）

0 引言

截至2018年底，全省總裝機(jī)達(dá)到69 000 MW，負(fù)荷只有3 000 MW，電力大量盈余。因此，全面建設(shè)特高壓電網(wǎng)成為拓寬晉電外送通道的必由之路，也是山西省輸煤輸電并舉戰(zhàn)略的具體實(shí)踐。當(dāng)前，山西電網(wǎng)通過1 000 kV長治—南陽特高壓交流向華中送電，通過北岳、洪善交流特高壓匯集電力向京津唐地區(qū)輸送，通過±800 kV雁淮特高壓直流向華中電網(wǎng)送電，已形成“三交一直”特高壓混聯(lián)送端電網(wǎng)。特高壓輸電具有大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗的優(yōu)勢，將加快實(shí)現(xiàn)山西電網(wǎng)“煤從空中走，電送全中國”的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)山西省資源能源優(yōu)勢向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢轉(zhuǎn)變[1-2]。

1 直流工程

±800 kV雁淮特高壓直流工程北起山西雁門關(guān)換流站，南至江蘇淮安換流站，于2017年6月底投運(yùn)，額定輸送功率為8 000 MW，額定電壓±800 kV，輸電距離1 095 km[3-4]。2018年，雁淮直流的送電能力最大只有4 700 MW，實(shí)際輸送能力達(dá)不到8 000 MW。

2019年初，為提高直流送電能力，神泉電廠通過500 kV線路改接入特高壓雁門關(guān)換流站，共計(jì)匯入電源1 200 MW。雁淮直流外送潮流通過500kV神泉電廠、500 kV雁同—明海湖雙回線、500 kV五寨—明海湖雙回線、500 kV明海湖站1號、4號主變4個(gè)通道匯集。此時(shí)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 雁淮直流2019年近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖

雁淮直流一級匯集斷面由500 kV雁門關(guān)—明海湖三回線構(gòu)成，二級匯集斷面由500 kV雁同—明海湖雙回線+500 kV五寨—明海湖雙回線+明海湖500 kV 1號、4號主變構(gòu)成。2020年，雁淮直流近區(qū)新建明海湖—雁門關(guān)第四回線路以及明海湖—五寨第三回線路。一級匯集斷面由500 kV雁門關(guān)—明海湖四回線構(gòu)成，二級匯集斷面由500 kV雁同—明海湖雙回線+500 kV五寨—明海湖三回線+500 kV新榮—明海湖雙回線+明海湖500 kV主變構(gòu)成。

2 制約直流送電能力的因素分析

雁淮特高壓直流輸電能力主要受直流近區(qū)配套電源、明海湖近區(qū)風(fēng)電出力、京玉電廠開機(jī)方式、明海湖—雁門關(guān)N-1、明海湖主變N-1、右湖雙N-1熱穩(wěn)等因素制約。主要從以下幾個(gè)因素來分析雁門關(guān)直流的輸電能力。

2.1 熱穩(wěn)約束

考慮雁淮直流近區(qū)機(jī)組均勻開機(jī)方式、神泉電廠機(jī)組全開，風(fēng)電同時(shí)率40%，直流最大可速降功率為1 800 MW。雁淮直流一級匯集斷面500 kV雁門關(guān)—明海湖三回線的單回25℃熱穩(wěn)極限為3 200 MW；二級匯集斷面中500 kV雁同—明海湖雙回線和500 kV五寨—明海湖雙回線的單回25℃熱穩(wěn)極限為2 300 MW。受雁門關(guān)—明海湖3回線路N-1故障后剩余2回?zé)岱€(wěn)限制，雁淮直流最大輸送功率6 200 MW。

2020年，雁淮直流送端一級斷面增加雁門關(guān)—明海湖第四回線，二級斷面增加五寨—明海湖第三回線，直流近區(qū)網(wǎng)架進(jìn)一步得到加強(qiáng)，雁淮直流不再受熱穩(wěn)制約，最大送電能力可達(dá)8 000 MW。

2.2 換流站母線低電壓約束

雁淮直流近區(qū)500 kV交流線路發(fā)生N-2故障，500 kV主網(wǎng)對換流站母線電壓支撐變?nèi)?，若雁同—明海湖和五寨—明海湖斷面潮流較重（一般對應(yīng)雁淮直流高功率運(yùn)行方式），雁門關(guān)換流站母線電壓可能長期低于0.9p.u.無法恢復(fù)。針對低電壓問題，影響雁淮直流送電能力的主要因素為：換流站與主網(wǎng)無功功率交換量、換流站近區(qū)220 kV線路檢修及換流站近區(qū)機(jī)組開機(jī)數(shù)量[6]。

2.2.1 限制雁淮直流送電能力的制約故障分析

分析雁淮直流近區(qū)不同500 kV交流線路N-2故障時(shí)雁淮直流的最大輸電能力，從而確定限制雁淮直流送電能力的制約故障。

a） 500 kV雁同—明海湖雙N-2故障（雁同側(cè)）?？紤]雁同近區(qū)機(jī)組全開；五寨近區(qū)除神泉、河曲電廠，其余電廠機(jī)組全關(guān)；明海湖近區(qū)220 kV電網(wǎng)的火電機(jī)組全停。在此方式下，發(fā)生雁同—明海湖雙N-2故障后主網(wǎng)對換流母線電壓支撐較弱。將換流站母線電壓的初始值設(shè)置為510 kV，為保證雁同—明海湖雙N-2故障后換流站母線電壓不低于0.9p.u.，雁淮直流的最大輸電能力為6 700 MW。

b)500 kV五寨—明海湖雙N-2故障。考慮五寨近區(qū)機(jī)組全開；雁同近區(qū)機(jī)組全關(guān)；明海湖近區(qū)220 kV電網(wǎng)的火電機(jī)組全停。在此方式下，發(fā)生五寨—明海湖雙N-2故障后主網(wǎng)對換流母線電壓支撐較弱。將換流站母線電壓的初始值設(shè)置為510 kV，為保證五寨—明海湖雙N-2故障后換流站母線電壓不低于0.9p.u.，雁淮直流的最大輸電能力為6 900 MW。

c)500 kV雁門關(guān)—明海湖三回N-2故障。雁同、五寨近區(qū)均勻開機(jī)；明海湖近區(qū)220 kV電網(wǎng)的火電機(jī)組全停。將換流站母線電壓的初始值設(shè)置為510 kV，為保證雁門關(guān)—明海湖三回N-2故障后換流站母線電壓不低于0.9p.u.，雁淮直流的最大輸電能力為8 000 MW。

綜上所述，在惡劣開機(jī)方式下，雁同—明海湖雙N-2為限制雁淮直流送電能力的制約故障。

2.2.2 交直流無功交換及機(jī)組對雁淮直流送電能力的靈敏度分析

考慮雁淮直流交直流系統(tǒng)不同無功功率交換情況，在近區(qū)開機(jī)方式相同的情況下，分析受雁同—明海湖雙N-2故障換流母線低電壓約束的雁淮直流最大送電能力。直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)交換無功功率±300 kvar之內(nèi)均為合理范圍，在分析雁淮直流送電能力時(shí)，需考慮無功功率交換最惡劣情況，即雁門關(guān)換流站交流系統(tǒng)向直流系統(tǒng)送300 kvar無功功率（見圖2）。

將換流站母線電壓的初始值設(shè)置為510 kV，考慮500 kV神泉、河曲全停；雁同近區(qū)機(jī)組全開；五寨近區(qū)機(jī)組500 kV朔南、神二3號、4號全停，220 kV京玉、平朔、樓子營、神東全停，在雁淮直流交直流系統(tǒng)無功交換功率為0 kvar情況下，雁淮直流最大送電能力為4 300 MW；在交流系統(tǒng)送直流系統(tǒng)無功功率300 kvar（系統(tǒng)送換流站時(shí)方向?yàn)檎┣闆r下，雁淮直流最大送電能力為4 100 MW。

2.2.3 近區(qū)220 kV線路檢修對雁淮直流送電能力的影響

分析換流站近區(qū)220 kV線路湖玉雙、湖向雙檢修對雁淮直流送電能力的影響。在近區(qū)開機(jī)方式相同的情況下，考慮500 kV神泉、河曲全停；雁同近區(qū)機(jī)組500 kV塔山開3臺，恒北、陽高全開，220 kV同煤、云峰、云岡、大能全開；五寨近區(qū)機(jī)組500 kV朔南、神二3號、4號全停；220 kV京玉、平朔、樓子營、神東全停。雁門關(guān)換流站交流系統(tǒng)向直流系統(tǒng)送300 kvar無功功率，分析受雁同—明海湖雙N-2故障換流母線低電壓約束，雁淮直流的送電能力（見圖2）。

從表1可以看出，在換流站近區(qū)220 kV線路湖向雙檢修方式下，雁淮直流送電能力功率最小。

圖2 雁淮直流近區(qū)湖玉、湖向接續(xù)圖

表1 近區(qū)220 kV線路檢修方式雁淮直流送電能力

2.2.4 不同開機(jī)方式下，雁淮直流送電能力分析

考慮考慮雁同近區(qū)機(jī)組全開、五寨近區(qū)除神泉和河曲電廠，其余電廠機(jī)組全關(guān)、明海湖近區(qū)220 kV電網(wǎng)的火電機(jī)組全停、雁門關(guān)換流站交流系統(tǒng)向直流系統(tǒng)送300 kvar無功功率、湖向雙檢修方式下，針對神泉、河曲電廠不同開機(jī)方式，分析雁同—明海湖雙N-2，雁淮直流送電能力，見表2。

表2 神泉、河曲電廠不同開機(jī)方式下雁淮直流送電能力

受制于近區(qū)線路交流故障雁門關(guān)換流站母線低電壓問題約束，在神泉、河曲電廠都不開機(jī)時(shí)，雁淮直流輸電能力為3 900 MW；隨著神泉、河曲電廠開機(jī)數(shù)量的增加，雁淮直流最大輸電能力為6 700 MW。從表2可以看出，山西電網(wǎng)雁門關(guān)換流站近區(qū)500 kV神泉電廠開機(jī)1臺，可替換河曲電廠4臺。進(jìn)一步研究500 kV明海湖站近區(qū)220 kV電廠對直流送電能力的敏感性分析，計(jì)算可知京玉電廠開1機(jī)，直流送電能力可增加100 MW，朔南電廠、神二電廠、樓子營電廠、神泉電廠、平朔電廠開機(jī)每增加1臺，直流送電能力可增加50 MW。

3 不同運(yùn)行方式下直流送電能力分析

3.1 正常方式

綜合各方面因素，神泉電廠改接后，雁淮直流送電能力受熱穩(wěn)和低電壓問題共同約束。在神泉、河曲電廠開機(jī)數(shù)量較少時(shí)，雁淮直流送電能力受制于雁同—明海湖雙N-2故障后換流母線低電壓約束，隨著神泉、河曲電廠開機(jī)數(shù)量的增加，電壓支撐能力變強(qiáng)，雁淮直流最大送電能力由低電壓約束轉(zhuǎn)變?yōu)檠汩T關(guān)—明海湖三回線N-2剩余一回線過熱穩(wěn)約束。因此，當(dāng)神泉、河曲電廠需滿足一定的開機(jī)要求時(shí)，雁淮直流的最大送電能力可提升至6 200 MW。2020年，由于雁淮直流送端一級斷面增加雁門關(guān)—明海湖第四回線，二級斷面增加五寨—明海湖第三回線，直流近區(qū)網(wǎng)架進(jìn)一步得到加強(qiáng)，雁淮直流不再受熱穩(wěn)制約，最大送電能力可達(dá)8 000 MW。

3.2 N-1檢修方式

N-1檢修方式雁淮直流送電能力主要分為500 kV雁門關(guān)—明海湖一回線檢修方式、500 kV雁同—明海湖一回線檢修方式、500 kV五寨—明海湖一回線檢修方式、明海湖1條500 kV母線檢修方式及明海湖1臺500 kV主變檢修方式，并對各檢修方式下具體限額進(jìn)行交直流故障后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析。

3.2.1 雁門關(guān)—明海湖一回線檢修方式

500 kV雁門關(guān)—明海湖一回線檢修方式，受制于雁門關(guān)—明海湖一回線發(fā)生N-1，另一回線達(dá)到其允許載流能力，雁淮直流計(jì)算限額為3 200 MW；若神泉開1機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為3 800 MW；神泉開2機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為4 400 MW；交直流故障后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

圖3 湖關(guān)一回線檢修方式下雁淮直流近區(qū)潮流圖（MW）

3.2.2 500 kV雁同—明海湖一回線檢修方式

500 kV雁同—明海湖一回線檢修方式，雁淮直流的二級斷面為500 kV五寨—明海湖雙線和500 kV雁同—明海湖單線。受制于五寨—明海湖雙回線發(fā)生N-2，雁同—明海湖另一回線達(dá)到允許載流能力的限制2 300 MW，雁淮直流計(jì)算限額3 400 MW；若神泉開1機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為4 000 MW；神泉開2機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為4 600 MW；交直流故障后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

3.2.3 500 kV五寨—明海湖一回線檢修方式

500 kV五寨—明海湖一回線檢修方式，雁淮直流的二級斷面為500 kV雁同—明海湖雙線和500 kV五寨—明海湖單線。受制于雁同—明海湖雙回線發(fā)生N-2，雁門關(guān)換流站母線低電壓問題，雁淮直流計(jì)算限額為2 800 MW；若神泉開1機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為4 000 MW；神泉開2機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為4 800 MW；交直流故障后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

圖5 湖寨一回線檢修方式下雁淮直流近區(qū)潮流圖（MW）

3.2.4 明海湖1條500 kV母線檢修方式

500 kV明海湖1條母線檢修方式，發(fā)生另一條500 kV母線跳閘，雁同—明海湖一線與五寨—明海湖二線相連。雁同—明海湖二線帶明海湖1號主變，雁門關(guān)—明海湖一線帶明海湖4號主變，受制于明海湖4號主變熱穩(wěn)限制，雁淮直流計(jì)算限額為900 MW；若神泉開1機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為1 500 MW；神泉開2機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為2 100 MW；交直流故障后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

3.2.5 明海湖1臺500 kV主變檢修方式

考慮雁淮直流3 900 MW，風(fēng)電同時(shí)率40%，基礎(chǔ)方式明海湖運(yùn)行主變上送潮流為700 MW?？紤]主變30 min 1.3倍過載能力，滿足運(yùn)行要求。雁同近區(qū)惡劣開機(jī)，雁同—明海湖雙發(fā)生N-2，明海湖運(yùn)行主變潮流為1 040 MW，滿足運(yùn)行要求；五寨近區(qū)惡劣開機(jī)，五寨—明海湖雙線發(fā)生N-2，明海湖運(yùn)行主變潮流為1 090 MW，滿足運(yùn)行要求；交直流故障后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

綜合各項(xiàng)因素，明海湖1臺主變檢修方式，雁淮直流限額為3 900 MW；若神泉開1機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為5 000 MW；神泉開2機(jī)，雁淮直流計(jì)算限額為5 900 MW。

4 總結(jié)

a)±800 kV雁淮特高壓直流的額定輸送功率是8 000 MW，但是受熱穩(wěn)定約束與電壓穩(wěn)定約束，直流實(shí)際輸送能力達(dá)不到8 000 MW。神泉電廠改接前，雁淮直流的送電能力只有4 700 MW。神泉電廠改接后，在神泉、河曲電廠開機(jī)數(shù)量較少時(shí)，雁淮直流送電能力受制于雁同—明海湖雙N-2故障后換流母線低電壓約束，隨著神泉、河曲電廠開機(jī)數(shù)量的增加，電壓支撐能力變強(qiáng)，雁淮直流最大送電能力由低電壓約束轉(zhuǎn)變?yōu)檠汩T關(guān)—明海湖三回線N-2剩余一回線過熱穩(wěn)約束。因此，當(dāng)神泉、河曲電廠需滿足一定的開機(jī)要求時(shí)，雁淮直流的最大送電能力可提升至6 200 MW。2020年網(wǎng)架加強(qiáng)后，雁淮直流可滿送8 000 MW。

b)分析雁淮直流近區(qū)不同N-1檢修方式雁淮直流送電能力，在500 kV雁門關(guān)—明海湖一回線檢修方式下,雁淮直流送電能力功率最小。在惡劣開機(jī)方式下，雁淮直流送電能力只有3 200 MW，受限于雁門關(guān)—明海湖單線跳閘后，剩余一回線路達(dá)到其允許載流能力。