浙江特高壓交直流混合電網系統穩定性研究

毛雪雁，孫黎瀅， 徐 政， 翁 華， 華 文

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；2.浙江大學，杭州 310027）

隨著社會經濟的發展，電力的需求量越來越大。浙江省地域面積小，一次能源缺乏，僅靠本省能源發電難以滿足電力需求。根據國家電網公司的規劃，從“十二五”開始，將陸續有大容量的電力通過特高壓直流輸電方式送達浙江，以保障浙江的電力需求。

特高壓直流輸電為遠距離大容量輸電提供了很好的解決方案。但是大規模交直流混合輸電系統安全穩定運行的技術難點較多[1-4]，特別是1 000 kV特高壓交流輸電工程和±800 kV特高壓直流輸電工程同時處在一個區域電網中運行，除我國之外尚無先例。因此，對浙江電網交直流混合系統進行具體分析，深入研究交直流混合輸電系統中直流與交流的相互影響，掌握交直流混合輸電系統的安全運行規律，對于保證浙江電網安全穩定運行具有重要意義。

1 研究方法及內容

在電磁暫態環境下，可以精確模擬換流器及其控制系統，但難以對大規模電力系統進行模擬。本文的研究重點是交直流系統分別故障后彼此之間的互相影響以及特高壓系統與超高壓系統之間穩定性的互相影響，因此，選擇國內較為常用的機電暫態仿真程序PSS/E和BPA程序作為研究工具。在研究中所使用的直流輸電模型為準穩態模型[5]。

基于全國特高壓交直流混合互聯的規劃電網，采用PSS/E和BPA對浙江5種電網結構和2個水平年進行系統穩定性分析，評估不同直流落點對系統穩定性的影響。具體研究內容如下：

（1）針對典型運行方式和網絡結構，對浙江電網1 000 kV網架和500 kV主干網架N-1故障時進行暫態功角穩定、暫態頻率穩定、暫態電壓穩定作掃描分析，著重研究浙江電網單一故障時直流輸電系統的響應特性。

（2）重點考察嚴重故障情況下浙江電網的承受能力，包括暫態功角穩定、暫態電壓穩定和暫態頻率穩定。

（3）分析直流輸電線路單極閉鎖和雙極閉鎖時浙江電網的暫態功角穩定、暫態電壓穩定和頻率響應特性。

2 所研究電網結構

2007年以來，國家電網公司對特高壓交直流工程進行了滾動規劃和調整。根據國家電網公司的特高壓電網規劃及有關文件，對浙江電網作為特高壓單直流輸電饋入系統和多饋入直流輸電系統（MIDC）兩類方式進行了深入研究，而后者的穩定問題比較復雜[6-8]。一方面，交流系統發生故障有可能引起多個直流系統的換流站同時換相失敗，而換相失敗的沖擊可能會進一步引起交流系統暫態失穩；另一方面，隨著直流輸電規模的擴大，有可能會導致當直流系統發生故障時交流系統無法彌補大功率缺額，從而使系統失穩。

為發現浙江電網單直流落點（單饋入）和雙直流落點（多饋入）兩種情況的共性和特性問題，研究提高電網穩定水平的可行方案，根據浙江電網“十二五”規劃設計報告和“十二五”發展規劃，采用以下5種模式進行研究：

（1）2015年的浙江電網，特高壓直流輸電為單饋入，特高壓交流變電站3座。

（2）2020年的浙江電網，特高壓直流輸電為單饋入，特高壓交流變電站3座，其中1座有電源接入。

（3）2015年的浙江電網，特高壓直流輸電為多饋入（2個直流輸電落點），特高壓交流系統同（1），超高壓電網較（1）略有調整。

（4）2020年的浙江電網，特高壓直流輸電為多饋入（2個直流輸電落點），特高壓交流同（2），超高壓電網較（2）略有調整。

（5）2015年的浙江電網，特高壓交直流系統同（3），超高壓電網進行大規模調整。

3 特高壓交直流混合電網（單饋入）穩定性研究

當浙江電網只有1個特高壓直流落點（±800 kV溪洛渡—武義）時，對2015年、2020年交直流混合電網穩定性研究的結論如下：

（1）特高壓交流系統故障對電網穩定性的影響。不論是2015或2020水平年，浙江境內特高壓交流輸電通道上，任一點發生三相故障后0.1 s內切除故障線路，均不會導致系統失穩，某些故障會造成直流系統換相失敗，但一旦交流系統故障切除，直流系統即可恢復。

（2）特高壓直流故障對電網穩定性的影響。浙江境內特高壓直流系統發生單極閉鎖時，電網能夠保持穩定運行；若直流系統發生雙極閉鎖，2015水平年需切除送端4 200 MW機組方能保持電網穩定運行，2020水平年不需切機即可保持穩定。

（3）超高壓系統故障對電網穩定性的影響。對浙江電網超高壓系統主干通道進行穩定分析，發現無論2015或2020水平年，系統穩定的薄弱點為強蛟電廠—蒼巖輸電通道。在強蛟電廠6臺機組通過3回500 kV線路接至蒼巖變的情況下，強蛟電廠滿出力時，該通道上發生三相故障且0.1 s切除將會導致系統失穩。除此之外，其他超高壓線路故障時，浙江電網均可保持穩定。

4 特高壓交直流混合電網（多饋入）穩定性研究

研究結果表明，與單饋入系統相比，增加了1個直流落點后，浙江電網的穩定水平沒有發生大的變化，特高壓交流輸電、直流輸電和超高壓電網故障對穩定的影響基本與前相同。

（1）交流系統故障對穩定性的影響。浙江境內特高壓電網和超高壓電網的許多交流母線發生故障都會導致2條直流同時換相失敗，但交流系統故障切除后各條直流均能可靠恢復。

（2）直流系統故障對穩定性的影響。溪洛渡—武義直流發生閉鎖時，系統穩定性與單饋入系統相同。寧東—浙北直流閉鎖時，無論單極閉鎖還是雙極閉鎖，系統均能保持穩定。

事實上，溪洛渡—武義直流和寧東—浙北直流是兩種不同的直流接入方式，前者是“嵌入”同一交流系統的直流輸電線路，送端還有三回交流送出線路，且兩端的換流站所連接的交流電網同步運行；當溪洛渡—武義直流雙極閉鎖時會導致功率大規模轉移，從而引起送端交流送出線路過載，整個系統失穩。而后者連接在兩個異步交流電網之間，寧東直流雙極閉鎖時，其過剩功率由雙回750 kV線路送至西北電網消納，不會引起系統失穩；即使西北電網失穩，也不會擴大到三華電網。

若溪洛渡—武義和寧東—浙北兩個直流系統同時發生雙極閉鎖，浙江電網將失去14 400 MW左右的電力輸入，占2015年全省統調負荷的24%～28%、2020年全省統調負荷的17%～21%。這部分功率缺額主要由特高壓交流通道補充輸入，同時減少向省外輸出的電力。由于溪洛渡直流輸電的影響，2015水平年需大量切除送端機組才可保持系統穩定，2020水平年則不需切機即可保持系統穩定。

5 系統穩定性關鍵節點和區域

為直觀、清晰地表達交流系統故障引起直流系統換相失敗的頻度、關鍵節點和區域，可將各種方式下引起直流輸電換相失敗的交流變電站標示于圖。以2015年為例，浙江電網特高壓交直流（多饋入）混合系統暫態穩定關鍵節點和區域分布如圖1所示。可見，寧波地區500 kV電網故障對直流的影響較小，很少導致直流換相失敗，而浙北、浙西電網故障引起直流換相失敗甚至2個直流系統同時換相失敗的情況較多。這是由于寧波電網與直流系統之間的電氣距離相對較大所致。電網結構越緊密，交、直流系統彼此之間的影響也越大。因此，在電網規劃設計中，需從保持電網結構的合理性出發，避免網架結構過于緊密，從而既控制短路電流水平，也減少交直流系統耦合過大和事故時影響范圍擴大的可能性。

圖1 浙江電網2015年特高壓交直流混合系統暫態穩定關鍵節點和區域分布圖

6 結論與建議

（1）溪洛渡—武義直流落點浙江后，初期需送端大量切機才能保持該直流雙極閉鎖時的系統穩定性。需配置系統穩定裝置。

（2）強蛟電廠集中送出的方式使該廠成為系統穩定的薄弱點。建議在電網規劃中繼續進行深入研究。

（3）對多個水平年和多種網絡結構的研究表明，交流系統故障引起直流系統換相失敗的關鍵節點和區域分布呈現出一定的規律，對于因故障引起不穩定的局部電網應研究系統改進方案，對引起直流換相失敗多發、特別是2個直流系統同時換相失敗較多的電網結構應注意避免。

[1]劉振亞.特高壓電網[M].北京：中國經濟出版社，2005.

[2]浙江大學發電教研組直流輸電科研組.直流輸電[M].北京：電力工業出版社，1982.

[3]徐政.交直流電力系統動態行為分析[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4]PRAVHA KUNDUR.Power System Stability and Control，電力系統穩定與控制（影印版）.北京：中國電力出版社，2002.

[5]黃瑩，徐政，賀輝.電力系統仿真軟件PSS/E的直流系統模型及其仿真研究[J].電網技術.2004，28（5）:25-29.

[6]蔡澤祥，朱浩駿，白雪峰，等.多饋入直流輸電系統的動態特性及穩定控制與分析[J].華北電力大學學報.2004，31（5）:1-8.

[7]中國南方電網公司.交直流電力系統仿真技術[M].北京：中國電力出版社，2007.

[8]中國南方電網公司.±800 kV直流輸電技術研究[M].北京：中國電力出版社，2006.