基于多端柔性直流的電網供電能力提升研究

竇 飛，汪惟源，楊 林，錢 康，李 桃，王靜怡，陳國年

(1.國網江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

基于多端柔性直流的電網供電能力提升研究

竇 飛1，汪惟源1，楊 林1，錢 康2，李 桃2，王靜怡1，陳國年1

(1.國網江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

如何提升電網供電能力是電網規劃中亟須解決的問題。結合了實際工程設計經驗和最新理論研究成果，對基于多端柔性直流的電網供電能力提升進行了研究，提出了該方法在江蘇電網中應用方案設想，并進行了仿真分析。仿真表明該方法在提升電網供電能力方面效果顯著，具有良好的應用前景。

電網；供電能力；多端柔性直流

近年來，隨著電網規模的不斷增大，電網分層分區運行是電網發展的必然趨勢[1-2]。由于電網負荷迅速發展，新電源的不斷接入以及500 kV變電容量的不斷增加，使得電網短路電流水平逐年增長，原分層分區結構中某些分區的220 kV節點或500 kV節點短路容量接近限值，需要不斷調整電網分層分區結構以滿足電網安全穩定運行需要，電網分區供電范圍呈現越來越小趨勢，但電網分區規模變小后將無法發揮電網的規模效益，且供電可靠性有所降低。因此，有必要對供電分區、供電能力提升方法進行研究，在保證分區供電可靠性的基礎上，使系統短路水平控制在合理范圍內，提升分區的供電能力。

傳統的解決方法即采取一次建設增強電網網架，投資巨大，且在負荷密集的中心城區實施難度較大。故可考慮其他新技術、新設備的應用，如柔性直流輸電技術，可利用其靈活、快速、高效的有功和無功控制能力，提高現有網架的輸電能力，均衡電網潮流。國內外對電網中應用柔性直流輸電技術已有一定的研究。文獻[3-5]討論了多端柔性直流輸配電系統的特點、模型及控制策略；文獻[6]從柔性直流輸電的優點出發，定性的討論了其在電網運用的可行性；文獻[7-8]對電網柔性直流輸電進行了仿真分析。

本文分析了當前江蘇電網分層分區面臨的問題和多端柔性直流輸電的原理及技術優勢，提出了該方法在江蘇電網中應用方案設想，并利用PSASP進行了仿真分析。仿真表明該方法在提升電網供電能力方面效果顯著，具有良好的應用前景。

1 江蘇電網分區供電能力現狀及遠景展望

江蘇電網分區供電范圍呈現越來越小趨勢、220 kV分區數量也快速增長：2010年，江蘇電網220 kV電網僅分成12個分區運行，但截止2015年，江蘇電網220 kV分區數量已達25個分區(較2010年增加了13個片區，見圖1)，其中武南、宜興、江陰西部和錫西南、梅里、常熟、石牌分區每個分區內只有一座500 kV變電站。

根據江蘇電網規劃，至2030年江蘇省的220 kV電網將分為38個片區運行(見圖2)，較2015年又增加了13個片區)。其中武北、梅里、惠泉、江陰東分區每個分區內只有1座500 kV變電站，其余片區均至少有2座500 kV變電站。可見，隨著電網的發展，電網分區數量越來越多，分區規模越來越小，無法充分發揮電網的規模效益，且供電可靠性有所降低。因此，針對500/220 kV供電分區、供電能力提升的相關研究是十分必要的。

圖2 2030年江蘇省220 kV電網分片結構示意圖(38片)

2 分區供電能力的影響因素分析

500/220kV分區最大供電能力(total supply capability,TSC)指500/220 kV分區內500 kV主變、220 kV及以下電廠在滿足N-1準則下，考慮實際運行約束下所能供給的最大負荷之和[9]。分區內500 kV變電容量越大、220 kV及以下電源裝機容量越大，分區供電能力就越高，但同時分區短路電流水平也越高。

500/220 kV分區應在保證分區內各節點短路電流不越限的前提下，充分發揮分區內500 kV主變和電源的供電能力。

供電能力和供電能力提升指標公式如下：

(1)

式中TTSC——最大供電能力；

Snj——節點j的實際負荷；

N——節點總數。

(2)

針對電網分區供電能力的影響因素已有一定研究[10-11]，認為可從以下兩個主要影響因素進行分析。

2.1 分區內短路電流水平

每個220 kV分區內，500 kV主變容量越大，接入的電源越多，則供電能力越強、分區規模越大。但是隨著電源點和500 kV主變容量的增加，分區內短路電流水平也會迅速攀升，成為制約分區結構和規模的關鍵因素。

2.2 分區內潮流分布及聯絡通道通流容量

受負荷分布、電源分布、多級電磁環網等因素影響，可能會導致同一個片區內500 kV主變降壓不均衡；當分區負荷增長時，部分變電站降壓功率到達穩定限額，而其余變電站降壓功率仍有較大的提升空間，造成供電能力無法充分發揮。

局部電網薄弱、輸電通道潮流不均使得分區內線路輸電能力得不到發揮或超出輸電能力，也會限制分區供電能力。例如南京500 kV龍王山變向西環網的220 kV輸電通道出現“卡脖子”問題，曉莊—下關/曉莊—中央斷面潮流過重，曉莊—下關/曉莊—中央的輸電能力限制了南京西環網的供電能力。江蘇省電力公司已建成投運了國際領先的示范工程南京220 kV西環網統一潮流控制器(UPFC)，成功地解決了此問題[12]。

3 柔性直流輸電的原理及技術優勢

隨著電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)的快速發展，基于其的直流輸電系統已成為了直流輸電系統發展的主流趨勢。多端柔性直流輸電系統(Multi-terminal HVDC)是在同一直流網架下，含2個以上VSC換流站的柔性直流系統，其顯著的特點在于能夠實現多電源供電、多落點受電，從而為保證系統全局穩定性和潮流優化配置提供了良好的技術實現手段[13]。

目前的多端直流輸電系統主回路拓撲主要有串聯型、并聯型和混聯型三種方式(如圖3所示)，目前研究和采用較多的主要是并聯型拓撲結構，其中并聯型又包含放射狀和環網狀兩種拓撲(如圖4所示)。

本文所用的多端柔性直流合環裝置換流器選用先進模塊化多電平(Modular Multilevel Converter，MMC)拓撲結構，單端拓撲形式及其輸出波形如圖5所示，相對于傳統兩電平和三電平拓撲方案，具備如下技術優勢。

(1)從根本上解決了兩電平或三電平對于依賴器件串聯升壓帶來的均壓問題；

(2)IGBT開關頻率很低，減小了系統電磁噪聲，提高了系統整體傳輸效率；

(3)由于電平數的大量提高，使得換流系統并網點諧波含量很少，無需交流側高頻濾波器，節省了投資成本和占地面積；

(4)模塊化的結構使得容量拓展和冗余設計更為容易。

圖5 柔性直流輸電技術原理圖

4 供電能力提升方案設想及仿真分析

目前，無錫的梅里和江陰西部及惠泉片區均只有一座500 kV變電站，因短路電流問題無法與附近分區合環運行，供電可靠性較低。考慮在聯絡通道蠡湖—揚名采用柔性直流輸電技術(見圖6)，可在不增加短路電流的前提下，將梅里和江陰西部及惠泉電網合環運行。

圖6 梅里和江陰西及惠泉片區220 kV電網分片結構框圖

四端口柔性直流接口站的主接線方案如圖7所示。每回220 kV線路通過交流斷路器連接到柔性直流換流器，柔性直流換流器的直流側通過直流負荷開關連接到直流母線。

圖7 四端口柔性直流接口站主接線原理圖

220 kV分區供電能力仿真結果見表1。在采取措施前、梅里3×1 000 MVA主變及片區內望亭電廠供電能力3 450 MW，江陰西部及惠泉片3×1 000 MVA主變及片區內利港電廠供電能力4 150 MW，這兩個片區供電能力合計7 600 MW。采用柔性直流互聯后，整個梅里和江陰西部及惠泉電網供電能力合計約為8 000 MW，提高了約400 MW，供電能力提升率為5%。

表1 220 kV分區供電能力仿真結果

若將該項技術進行推廣，可實現整個錫澄電網合環運行，可大大提高無錫電網的供電可靠性和供電能力。

5 結語

本文開展了多端柔性直流輸電在江蘇電網中提升供電能力的應用方案設想和仿真分析。仿真結果表明，該方法在提升電網供電能力方面效果顯著。建議該方法可應用于電網中某個示范項目，以便于進一步驗證其可行性和有效性。

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(本文編輯：趙艷粉)

Study of Power Grid Supply Capability Advance Based on Multi-terminal HVDC

DOU Fei1, WANG Wei-yuan1, YANG Lin1, QIAN Kang2, LI Tao2, WANG Jing-yi1, CHEN Guo-nian1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024,China;2. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102,China)

How to improve supply capability is the problem which it is urgent for micro-grid planning to solve. In this paper, combined with practical engineering design experience and the latest theoretical research results, we research the power supply capacity that is based on multi-terminal HVDC Flexible, propose the suggestionthat applying the approach to Jiangsu Power Grid, and complete the simulation analysis. The simulation results demonstrate that the method has remarkable effect in strengthening supply capability and good application prospect.

power Grid，supply capability，multi-terminal HVDC

10.11973/dlyny201701003

竇 飛(1979-)，男，高級工程師，從事電網規劃及研究工作。

TM46；TM721.1

A

2095-1256(2017)01-0012-04

2016-12-23