上海廟—山東±800 kV直流受端換流站落點分析

張友泉，劉威，楊朋朋

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南250001；2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013）

上海廟—山東±800 kV直流受端換流站落點分析

張友泉1，劉威2，楊朋朋2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南250001；2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013）

依據(jù)全國特高壓電網(wǎng)及山東電網(wǎng)規(guī)劃，通過分析山東省分區(qū)電力平衡，提出了上海廟—山東±800kV直流系統(tǒng)的供電區(qū)域、推薦接入系統(tǒng)方案，并應用有效短路比指標和時域仿真分析論證其合理性。可為上海廟—山東直流工程和山東電網(wǎng)的建設提供有益借鑒。

特高壓；直流系統(tǒng)；規(guī)劃；落點方案

0 引言

高壓直流在遠距離、大容量輸電時具有快速控制響應特性、可隔斷交流系統(tǒng)間的故障傳遞以及較好經(jīng)濟效益等特點，在我國“西電東送”工程中發(fā)揮著重要作用［1］。根據(jù)國家電網(wǎng)及山東電網(wǎng)總體規(guī)劃，“十三五”中期將建成內(nèi)蒙古上海廟—山東的±800 kV直流輸電工程，電力輸送容量達1 000萬kW，輸電距離約1 200 km。

由于上海廟—山東直流輸送容量占山東電網(wǎng)負荷的比例相對較大，直流工程接入山東電網(wǎng)后對系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行將會帶來一定挑戰(zhàn)。例如，全網(wǎng)的潮流分布是否能保持相對經(jīng)濟合理、直流受端是否足夠堅強以保證不發(fā)生連續(xù)換相失敗、交流通道是否能承擔直流系統(tǒng)故障期間引起的功率轉(zhuǎn)移并保持穩(wěn)定等［2-5］。因此，根據(jù)山東電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，科學選擇上海廟—山東直流受端換流站落點尤為重要。

直流落點選擇屬于復雜的多目標規(guī)劃問題，必須同時考慮決策目標、系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟性、工程實施可行性等各種因素，在規(guī)劃設計階段需要對眾多直流落點方案進行安全經(jīng)濟評估，工作量巨大。根據(jù)工程實際，在分析山東電網(wǎng)主要受電區(qū)域和相關接入點有效短路比的基礎上，對上海廟—山東受端換流站落點接入點進行優(yōu)選，并通過時域仿真分析對推薦方案進行論證，所用方法和結(jié)論可大幅提高上海廟—山東落點選擇的工作效率，對山東電網(wǎng)的科學規(guī)劃和建設提供有益的借鑒。

1 “外電入魯”發(fā)展概況

山東省煤炭資源探明地質(zhì)儲量331億噸，約占全國的3%，人均儲量不足全國平均水平的一半，一次能源短缺，80%以上的電煤需要從省外調(diào)入，煤炭對外依存度高，環(huán)境空間有限，運輸壓力大，僅靠省內(nèi)電源難以保障山東經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的需要。大力實施“外電入魯”戰(zhàn)略，對山東能源安全和電力供應具有重要意義。截至2014年底，山東電網(wǎng)已建成500 kV辛安—聊城雙線、黃驊—濱州雙線與華北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，建成±660 kV寧東直流（銀川東—膠東）與西北電網(wǎng)相連，接受外電能力達750萬kW，有力保障了山東經(jīng)濟社會發(fā)展用電需求。

根據(jù)國家電網(wǎng)規(guī)劃，結(jié)合國能電力〔2014〕212號文下發(fā)《關于加快推進大氣污染防治行動計劃12條重點輸電通道建設的通知》和特高壓相關輸變電工程及各工程前期工作開展情況，為滿足山東地區(qū)負荷發(fā)展，及錫盟、靖邊、上海廟等地能源外送的需求，2016—2017年山東省內(nèi)將建成濟南、濰坊特高壓交流變電站，同時建成±800 kV上海廟—山東直流工程。到2020年，還將建成濟南—棗莊—臨沂—濰坊特高壓交流工程以及呼盟—山東直流輸電工程。

2 上海廟—山東直流在山東電網(wǎng)中的定位

2.1 在山東電網(wǎng)中的作用

特高壓直流輸電優(yōu)勢明顯，但也需要依托堅強的交流電網(wǎng)才能發(fā)揮作用，構建交、直混合的堅強輸電網(wǎng)絡，相互補充和支撐，可以充分發(fā)揮交、直流系統(tǒng)各自的功能和優(yōu)勢。上海廟—山東直流輸電工程將進一步滿足構建山東堅強、高效輸電系統(tǒng)的需要。

根據(jù)山東省用電需求預測和電源規(guī)劃方案，若不考慮通過特高壓交、直流電網(wǎng)受電，僅考慮現(xiàn)有750萬kW外電，2017年和2020年電力缺口將分別達到2 210萬kW和3 360萬kW。上海廟—山東直流工程的建設也能滿足山東電網(wǎng)負荷不斷增長的需要。山東省電力平衡情況如表1所示。

表1 山東電網(wǎng)電力平衡情況萬kW

2.2 在山東電網(wǎng)中的供電范圍

上海廟—山東直流輸電工程規(guī)模大、供電范圍廣，明確其在未來電網(wǎng)中的功能定位對確定受端換流站的位置及接入方案至關重要。上海廟—山東直流供電范圍主要考慮2個因素。

1）山東電網(wǎng)的分區(qū)域電力平衡。

山東省電源主要分布在電網(wǎng)的西部、西南部，而負荷中心在電網(wǎng)中部、南部和東部。“十三五”中期，山東省內(nèi)除煙臺、濟寧、聊城3個市域電力盈余外，其他地區(qū)均不同程度地存在電力缺額，主要受電區(qū)一是中部的濟南、淄博和濰坊，電力缺額約880萬kW；二是南部的臨沂、日照，電力缺額約600萬kW；三是北部的東營、德州和濱州，電力缺額約425萬kW。2017年山東省分區(qū)電力平衡如圖1所示。

圖1 2017年山東省分區(qū)電力平衡圖

到“十三五”末，煙臺、威海、濟寧和棗莊因機組投產(chǎn)較多，正常方式下有部分電力盈余，其他各電源基地外送電力明顯減小，屆時山東省主要3大受電區(qū)域仍基本保持不變，且電力缺額均有較大增長，達到800～1200萬kW左右。

2）山東電網(wǎng)的交流特高壓及電源建設。

“十三五”中期，根據(jù)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，山東將建成濟南、濰坊2座特高壓交流變電站。其中，濟南特高壓站一期500kV出線4回：聞韶2回、高青2回；供電范圍為濟南北部、淄博北部和東營南部；濰坊特高壓站主要向濰坊南部及青島地區(qū)供電。而南部的棗莊、臨沂、日照地區(qū)仍缺少外電或大型電源的建設。

“十三五”末，隨著核電機組的投運，膠東地區(qū)將成為山東電網(wǎng)的電源基地，將首先向毗鄰的煙臺、青島及濰坊東部送電。考慮區(qū)外直流800萬kW容量落點濰坊西部，2020年山東電網(wǎng)電力缺口較大的地區(qū)仍為南部的臨沂、日照。另外，根據(jù)國家電網(wǎng)規(guī)劃，棗莊特高壓變電站規(guī)劃“十三五”末期間建成投產(chǎn)，屆時能兼顧棗莊及南部周邊地區(qū)的負荷發(fā)展需求。

綜上，上海廟—山東直流輸電工程的主要供電范圍應該為一直有較大電力缺額的山東南部臨沂、日照等地區(qū)。因此，受端換流站落點宜選擇在臨沂東部并且靠近日照的區(qū)域內(nèi)。

3 受端換流站落點適應性分析

3.1 接入變電站的初步優(yōu)選

由于交流系統(tǒng)的電氣特性直接影響交、直流混合電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定，因此直流換流站落點區(qū)域選擇時應考慮以下條件［6-9］。

1）直流輸電工程落點通常選擇電力市場空間較大，靠近負荷中心的位置，避免正常運行情況下潮流大幅轉(zhuǎn)移，減少功率傳輸?shù)膿p耗。

2）直流輸電落點應選擇電網(wǎng)結(jié)構堅強，具有一定規(guī)模短路容量的位置，以應對直流故障對電網(wǎng)的沖擊，同時避免交流系統(tǒng)故障對直流系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。

3）直流落點處地理環(huán)境、地址條件也是需要考慮的重要因素，線路走廊、換流站、接地極等的建設與此密切相關。

換流站在臨沂東部靠近日照地區(qū)選址基本滿足電力的就近消納，避免了外送電力在山東電網(wǎng)內(nèi)的較大穿越。對于上海廟—山東直流系統(tǒng)接入站點，可采用式（1）表示的有效短路比（ESCR，Effective Short Circuit Ratio）指標［10］來進行優(yōu)選。

式中：S為換流站交流母線的短路容量；Q為當換流站交流母線電壓取額定電壓時，由交流濾波器、同步調(diào)相機、并聯(lián)電容器等設備產(chǎn)生的無功功率；P為直流系統(tǒng)的額定輸送容量。

這一指標在一定程度上反映了交流系統(tǒng)相對于直流輸電容量的強弱程度，IESCR越大，則對應的直流落點越理想。表2給出了臨沂及日照地區(qū)“十三五”中期相關500 kV變電站的IESCR指標值。

表2 部分變電站IESCR指標

根據(jù)表2的計算結(jié)果，在初選的4座500 kV變電站中，按文獻［2］劃分交流系統(tǒng)強度的方法，智圣、臨沂和蘭陵3座500 kV變電站均為直流系統(tǒng)中等強度接入點，而莒南500 kV變電站則屬于低等強度。另外，雖然沂蒙站IESCR值最大，但“十三五”末將以500 kV電壓等級接入沂蒙抽水蓄能電廠，考慮到直流落點若接入沂蒙站，容易造成電廠與換流站間的相互干擾，給系統(tǒng)的安全運行帶來風險。因此，上海廟—山東直流換流站可考慮接入臨沂與日照交界處的智圣變電站，并考慮變電站與換流站合建的方案。2017年上海廟—山東直流落點位置示意見圖2。

圖2 上海廟—山東直流落點位置示意

3.2 交、直流系統(tǒng)的潮流及穩(wěn)定分析

1）仿真模型。發(fā)電機模型采用考慮次暫態(tài)電勢變化，計及勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器作用的六階模型。負荷模型采用恒功率與恒阻抗組合的靜態(tài)負荷模型。

直流系統(tǒng)采用整流側(cè)定電流控制、逆變側(cè)定熄弧角控制、含直流電壓與直流電流測量環(huán)節(jié)、低壓限流環(huán)節(jié)與觸發(fā)控制環(huán)節(jié)的直流準穩(wěn)態(tài)模型。

2）穩(wěn)定判據(jù)。仿真分析過程中，只有功角、電壓和頻率均保持穩(wěn)定，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。其中，電壓穩(wěn)定判據(jù)為樞紐母線電壓低于0.75 pu，持續(xù)時間0.8 s以內(nèi)；頻率穩(wěn)定的判據(jù)為不發(fā)生系統(tǒng)頻率崩潰，能夠恢復到正常范圍內(nèi)并且不影響發(fā)電機組的安全運行；功角穩(wěn)定的判據(jù)為系統(tǒng)故障后，在同一交流系統(tǒng)中的任意2臺發(fā)電機組的相對角度搖擺曲線呈同步減幅振蕩，不超過180°。

3）結(jié)果分析。上海廟直流落點臨沂地區(qū)，整個電網(wǎng)送電潮流分布較為均衡。周邊500 kV電網(wǎng)各主要送電線路潮流在120萬kW范圍內(nèi)。網(wǎng)內(nèi)潮流分布合理，線路“N-1”方式下，無線路過流。

上海廟—山東直流輸電工程發(fā)生單極閉鎖故障，受端換流站交流母線任一出線線路發(fā)生三相故障或同桿異名相故障，系統(tǒng)不需要采取穩(wěn)定控制措施；直流發(fā)生雙極閉鎖故障，送端采取切機措施后，受端不需要采取措施，系統(tǒng)能維持暫態(tài)穩(wěn)定。圖3、4給出了上海廟—山東直流單極、雙極閉鎖方式下山東電網(wǎng)發(fā)電機最大功角差和換流站交流母線電壓的計算曲線。

圖3 單極閉鎖發(fā)電機最大功角差及換流站交流母線電壓

圖4 雙極閉鎖發(fā)電機最大功角差及換流站交流母線電壓

4 結(jié)語

根據(jù)山東電網(wǎng)分區(qū)電力平衡分析，臨沂、日照地區(qū)到“十三五”末一直存在較大電力缺額，亟須外電和大型電源的建設。上海廟—山東直流輸電工程落點應選擇臨沂東部并靠近日照的區(qū)域。

通過應用有效短路比指標分析，臨沂東部地區(qū)智圣500 kV變電站適宜作為上海廟—山東直流輸電工程的接入點。交、直流系統(tǒng)的時域仿真研究表明，提出的直流系統(tǒng)接入系統(tǒng)方案滿足電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的要求。

所采用的上海廟—山東直流受端換流站落點分析方法可以為后續(xù)的工程實踐提供有益的指導和借鑒。

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Location Scheme of Shanghaimiao-Shandong±800 kV DC Converter Substation

ZHANG Youquan1，LIU Wei2，YANG Pengpeng2
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute co.，Ltd，Jinan 250013，China）

On the basis of national UHV power grid planning and Shandong power grid developing program，the power supply area and recommended connection project of Shanghaimiao-Shandong±800 kV DC system is proposed by analyzing power balance of different areas.Feasibility of the project is also demonstrated through ESCR（effective short circuit ratio）index and time-domain simulation.The proposed method and conclusions can be of considerable value of reference for the construction of Shanghaimiao-Shandong±800 kV DC project.

UHV；DC system；planning；location scheme

TM721

A

1007－9904（2015）06－0012－04

2015-04-02

張友泉（1967），男，高級工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃、輸變電工程管理工作；

劉威（1981），男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃工作；

楊朋朋（1981），男，博士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃工作。