陜北-武漢特高壓直流接入對湖北電網影響分析

王 瑩，蔡德福，董 航，劉海光，曹 侃，余笑東

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

為提高陜北地區煤電基地外送能力及新能源消納能力，提高資源開發效率，促進陜北革命老區的經濟健康持續發展，同時滿足華中地區日益增長的負荷需求，基于國家電網公司特高壓發展戰略[1]，湖北省電網“十三五”規劃2020年建成陜北-武漢特高壓直流輸電工程。特高壓接入省級電網后，會給受端電網短路電流、潮流、穩定等帶來一系列影響[2-4]。陜北特高壓直流采用分層接入方式，交直流系統間、兩層受端系統間的交互影響更為突出[5]。因此，陜北-武漢特高壓直流接入湖北電網的適應性有待評估。

本文介紹陜北-武漢特高壓直流工程的基本情況，在此基礎上，分析了工程投運對湖北電網的短路電流、潮流、暫態穩定的影響。

1 工程簡介

陜北-武漢特高壓直流輸電工程規劃于2020年建成投產，直流輸電電壓等級為±800 kV，輸電規模為10000 MW。直流工程送電起點為陜西省榆林市陜北換流站，途徑陜西、山西、河南、湖北4省，落點武漢換流站。直流線路長度約為1109 km。陜北—武漢特高壓直流系統逆變站高、低端換流器通過換流變壓器接入不同電壓等級的受端電網[6]。受端武漢換流站接入系統方案為：武漢換流站擬采用1000 kV、500 kV分層接入湖北電網，其中1000 kV換流站與武漢1000 kV交流特高壓合并建設；500 kV換流站通道4回線路接入湖北電網，分別為換流站至木蘭2回、至大吉2回。武漢換流站1000 kV母線無功補償總容量3360 Mvar；換流站500 kV母線無功補償總容量為3360 Mvar。500 kV換流站主變低壓側加裝6×60 Mvar低壓電抗器；1000 kV變電站低壓側加裝2組240 Mvar低壓電抗器。

圖1 陜北特高壓直流受端換流站接入方案示意圖Fig.1 The system transmission program of connecting Shanbei UHVDC converter station

2 短路電流分析

2.1 短路電流變化

在湖北全開機、全接線條件下，在PSASP中采用基于網絡的方法進行500 kV母線三相金屬性短路電流計算。

表1 特高壓直流接入前后鄂東500 kV站點短路電流Tab.1 Short-circuit current of 500 kV stations in East Hubei when considering UHVDC connected to grid or not

由表1可知：在不采取任何短路電流控制措施的前提下，±1000 kV陜北-武漢特高壓直流受端換流站高低端同時投產后，道觀河、孝感、木蘭、武漢4站的500 kV母線短路電流均超出開關遮斷容量（63 kA）。其中500 kV木蘭站具體支路電流變化如表2所示。

由表2可知，木蘭站新增兩條500 kV出線至武漢換流站，約提供9 kA的短路電流。武漢換流站1000 kV和500 kV母線各配置3360 Mvar無功補償容量，同時特高壓站接入電網后引起的鄂東500 kV電網結構進一步緊密是導致受端近區站點短路電流增長的主要原因。

表2 木蘭500 kV支路短路電流變化Tab.2 Branch short-circuit current branch current of Mulan 500 kV Station

2.2 短路比

交直流系統間的相互影響作用的大小和相關穩定問題，很大程度上取決于交流系統短路容量與所連直流系統容量的相對大小，即短路比指標[7]。2020年豐大、豐小、枯大、枯小4個典型方式下，在PSASP短路計算模塊中采用基于潮流的算法得到交流系統短路容量，高、低端換流器的直流輸送功率均為5000 MW，計算得到的陜北～武漢直流高端及低端短路比均大于3，滿足短路比要求。

表3 不同運行方式下陜北直流短路比Tab.3 Short circuit ratios in under different operating modes

表4 不同開機方式下陜北直流功率流向（單位：MW）Tab.4 Power flow of Shanbei UHVDC under different operation conditions of generators（Unit：MW）

3 潮流分析

3.1 典型方式潮流分析

陜北～武漢直流接入受入功率主要有以下3個流向：

（1）送往特高壓荊門站；

（2）送往特高壓南昌站；

（3）通過特高壓主變下網和武漢換流站500 kV出線進入鄂東地區。

鄂東江北片區220 kV機組全開，鄂贛交換功率為0，鄂東機組500 kV全開機和全停機方式下，陜北直流功率流向如表4所示。

由表4可知，鄂贛交換功率為0，不同開機方式下，受入的特高壓直流功率約有75%～88%進入鄂東地區。

3.2 第一、二級斷面潮流疏散問題

陜北直流接入湖北電網直流功率疏散通道如圖2所示。第一級疏散斷面為武漢換流站的8回500 kV出線：至柏泉2回、至道觀河2回、至木蘭2回和至大吉2回。陜北-武漢特高壓直流高、低端同時投運后，雖然需疏散功率增加到10 GW，但由于增加了特高壓疏散通道，同時武漢換流站新建了2回接入500 kV大吉變，8回出線均采用4×630導線，第一斷面無疏散壓力。考慮大別山電廠、陽邏電廠滿出力方式。對武漢特高壓站近區線路進行N-1及同通道N-2校核，無潮流越限風險。

圖2 陜北直流接入湖北電網后潮流疏散示意圖Fig.2 Structure diagram of power flow evacuation when Shanbei UHVDC connected to Hubei grid

第二級疏散斷面為軍夏雙回、吉鄂雙回構成的過江斷面。目前大負荷方式下過江斷面常壓極限運行。陜北直流投入后，過江斷面由原來的“軍夏雙回+道吉雙回”變成“軍夏雙回+吉鄂雙回”。直流受入10000 MW，進入鄂東江北地區的功率最大可達8600 MW，其中約20～60%功率轉移至過江斷面，過江斷面潮流易過載。由于過江斷面跨越城區，很難建設新的輸電通道，當鄂東江北500 kV全開機、鄂贛交換功率為0時，受過江斷面制約，陜北直流受入能力為8000 MW。

陜北直流替代湖北不同地區1000 MW開機對過江斷面潮流轉移靈敏度如表5所示。

表5 陜北直流替代湖北不同地區1000 MW開機對過江斷面潮流轉移靈敏度（單位：MW）Tab.5 Flow transferring sensitivity of Shanbei UHVDC replacing of 1000 MW generators in Hubei（Unit：MW）

江北機組開機極小，若增加鄂東江北開機，雖然不同區域開機略有差異，但幾乎都將100%甚至超過100%地擠占陜北直流的送出空間。

湖北受入陜北直流電力后，在湖北、湖南、江西開機降低的情況下，將在不同程度上加重過江斷面的輸電壓力，斷面壓力有增無減。

3.3 電磁環網潮流穿越分析

（1）武漢～南昌、大吉-磁湖、亮城～石板路1000 kV/500 kV/220 kV電磁環網

武漢～南昌、大吉-磁湖、亮城～石板路1000 kV/500 kV/220 kV電磁環網結構示意圖如圖3所示。

500 kV大吉～鄂州N-2后，15%潮流轉移至220 kV亮板線，亮板線易過載。

圖3 吉鄂雙回N-2后潮流轉移示意圖Fig.3 Power transferring diagram of Daji-Ezhou double-circuit lines N-2

為滿足主變下網不越限，在黃石黃岡地區220 kV機組全開的情況下：鄂東江北500 kV機組全開時，受制于吉鄂N-2后亮板線過載，需控制陜武直流功率不超過4300 MW，若要滿足陜北直流受入10000 MW的要求，鄂東江北500 kV機組需全停。

（2）玉賢～柏泉西500 kV/220 kV電磁環網

玉賢～柏泉西500 kV/220 kV電磁環網結構示意圖如圖4所示。500 kV玉孝雙回N-2故障后，20%潮流轉移至柏泉西主變下網，17%轉移至泉舵雙回，8%轉移至鍋舵線，泉舵線、鍋舵線易過載。

圖4 吉鄂雙回N-2后潮流轉移示意圖Fig.4 Power transferring diagram of Xiaogan-Yuxian double-circuit lines N-2

由于玉賢～柏泉西電磁環網初始潮流與漢川三期機組開機方式密切相關，表6是漢川三期不同開機方式下受制于玉孝雙回N-2故障后220 kV線路過載的陜北直流最大受電能力。

表6 陜北直流受電能力與玉賢～柏泉西電磁環網制約關系Tab.6 Accommodation capacity of Shanbei DC power constrained by Yuxian-Boquanxi electromagnetic loop

4 暫態穩定分析

特高壓直流輸電功率大，一旦發生故障，大量功率將轉移至薄弱的特高壓交流聯絡通道，易導致交流通道超過穩定極限引發連鎖故障。湖北電網通過陜北直流受入大功率時，直流雙極閉鎖故障后不采取任何安控措施，由于華中電網大量功率缺額，可能造成長南線解列以及華中地區頻率穩定和功角穩定問題。需綜合考慮交直流系統輸送功率安排，避免上述事故發生。圖5是長南線南送5800 MW、陜武直流10000 MW的運行方式下陜北直流發生雙極閉鎖后不采取任何安控措施時的系統暫態響應。

圖5 陜北直流雙極閉鎖仿真結果Fig.5 Simulation results of double pole block of Shanbei UHVDC

鑒于陜北直流功率與長南線輸送功率存在耦合關系，經過仿真分析得到：在不考慮緊急控制措施的前提下，陜北直流功率5000 MW以下時，長南線南送功率與陜北—武漢直流功率之和不超過7600 MW；陜北直流功率5000-10000 MW時，長南線南送功率與陜北—武漢直流功率之和不超過6500 MW。

5 總結

陜北-武漢特高壓直流輸電工程投運對湖北電網運行特性產生了重要影響。短路電流方面，該工程投運后鄂東換流站近區500 kV短路電流水平增長難以控制；潮流方面，受制于湖北電網過江斷面及電磁環網潮流穿越，無法滿足直流滿功率輸送要求；暫態穩定方面，陜北直流輸送功率與長南線輸送功率耦合，直流大功率運行時直流雙極閉鎖可能引起功角及頻率穩定問題。針對陜北-武漢特高壓直流工程投運引起的湖北電網短路電流、潮流及穩定問題，建議盡快開展短路電流抑制措施、網架補強方案及安穩控制措施的研究。

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