電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)江蘇直流落點(diǎn)電網(wǎng)無(wú)功電壓穩(wěn)定性的影響

汪惟源，竇　飛，楊　林，王靜怡，陳國(guó)年，虞　暄，王麗君

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，南京　210024；2.華東電力設(shè)計(jì)院，上海　200001)

江蘇電網(wǎng)將在“十三五”中后期投運(yùn)錫盟、晉北兩回高壓直流輸電線路[1]，與目前已投運(yùn)的政平、錦蘇直流一起，使江蘇電網(wǎng)形成典型的多饋入交直流混聯(lián)電網(wǎng)[2](Multi-infeed Direct Current，簡(jiǎn)稱MIDC)。

直流輸電對(duì)受端系統(tǒng)表現(xiàn)為不利的無(wú)功特性，在為受端系統(tǒng)提供電力的同時(shí)，需要消耗大量無(wú)功功率[2]，給交流系統(tǒng)的電壓支撐能力帶來(lái)了壓力，MIDC將使這個(gè)問題變得更加復(fù)雜。交流系統(tǒng)中直流輸電比重的增大將降低系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性[3]。與之同時(shí)一系列直流落點(diǎn)附近電網(wǎng)的交流網(wǎng)架加強(qiáng)和建設(shè)調(diào)相機(jī)的項(xiàng)目也在研究和建設(shè)中[4]，如期投產(chǎn)將提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，建設(shè)調(diào)相機(jī)所存在的不確定性也將不同程度地對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度和電壓穩(wěn)定性帶來(lái)影響。

短路比方法是判斷多饋入系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。文獻(xiàn)[3]提出了多饋入短路比(Multi-infeed Short Circuit Ratio，簡(jiǎn)稱MSCR)的定義。文獻(xiàn)[4]從理論推導(dǎo)上對(duì)影響MSCR的因素進(jìn)行了分析，提出直流落點(diǎn)間電氣距離、直流落點(diǎn)處交流母線的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、線路阻抗、電源分布，都是多饋入短路比的影響因素。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)WG B4-41直流工作組給出了多饋入有效短路比(Multi-infeed Interactive Effective Short Circuit Ratio，簡(jiǎn)稱MIESCR)的定義[5]，與MSCR定義相比排除了換流站交流濾波器及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的影響。

本文利用多饋入有效短路比指標(biāo)分析江蘇電網(wǎng)在關(guān)鍵電網(wǎng)建設(shè)因素影響下的電網(wǎng)強(qiáng)度，明確各因素對(duì)直流落點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響強(qiáng)弱，并使用BPA程序?qū)χ绷魍懂a(chǎn)后江蘇電網(wǎng)在不同工程建設(shè)進(jìn)度下的無(wú)功電壓穩(wěn)定性進(jìn)行仿真。

1　直流落點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度評(píng)估方法

1.1　有效短路比

在直流工程應(yīng)用中，單饋入交直流系統(tǒng)通常采用有效短路比(Effective Short Circuit Ratio，簡(jiǎn)稱ESCR)來(lái)衡量受端電網(wǎng)的強(qiáng)度，定義為交流系統(tǒng)在直流換流母線處的三相短路容量與該直流配置的濾波電容補(bǔ)償裝置差值再與直流額定輸送功率的比值[5]。

(1)

式中SCCi——交流系統(tǒng)在直流換流母線處的三相短路容量；Qfi——該回直流配置的濾波電容補(bǔ)償容量；Pdci——該回直流額定輸送功率。

江蘇電網(wǎng)在“十三五”中后期將建成4回直流線路，直流落點(diǎn)個(gè)數(shù)多、落點(diǎn)趨于集中，僅用單回直流的短路比不能夠完整地反映多直流交互下落點(diǎn)電網(wǎng)的實(shí)際強(qiáng)弱。

1.2　多饋入短路比

文獻(xiàn)[3]給出的多饋入短路比KMSCRi的定義：

(2)

式中Saci——第i回直流饋入換流母線的短路容量；Pdeqi——第i回直流考慮其他直流回路影響后的等值直流功率；Zeqij——從各直流換流母線看進(jìn)去的等值節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣的第i行、第j列元素；Pdi——第i回直流的額定直流功率。

式(2)由等值節(jié)點(diǎn)阻抗元素及其他直流的額定功率表示了各回直流間相互作用的部分，但沒有排除換流站交流濾波器及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)結(jié)果的影響，同時(shí)計(jì)算需要通過(guò)戴維南等值將系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

1.3　多饋入有效短路比

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)WG B4-41直流工作組給出的多饋入有效短路比MIESCR的定義[5]：

(3)

(4)

多饋入交互因子(Multi Infeed Interaction Factor，MIIF)表示當(dāng)直流以額定功率運(yùn)行時(shí)，由于無(wú)功投切或擾動(dòng)原因，其他直流換流母線電壓的下降率與本回直流換流母線電壓下降率的比值，用來(lái)衡量其他直流對(duì)特定直流的影響大小。

文獻(xiàn)[6]基于多饋入臨界短路比和傳統(tǒng)單饋入短路比衡量交直流受端系統(tǒng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，給出了利用多饋入有效短路比劃分多饋入交直流受端系統(tǒng)強(qiáng)弱的指標(biāo)：極弱系統(tǒng)，MIESCRi<1.5；弱系統(tǒng)，1.52.5。

本文將采用MIESCR指標(biāo)評(píng)估直流逆變站的電網(wǎng)強(qiáng)度情況，并使用文獻(xiàn)[6]提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2　江蘇直流落點(diǎn)地區(qū)電網(wǎng)強(qiáng)度分析

MIESCR將受到諸多因素的影響，如落點(diǎn)電網(wǎng)的三相短路容量、落點(diǎn)電網(wǎng)的網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、落點(diǎn)電網(wǎng)的無(wú)功充裕度配置等，這些都與受端電網(wǎng)的特性息息相關(guān)。在直流投產(chǎn)增加、占比增大的背景下，利用MIESCR指標(biāo)分析網(wǎng)架拓?fù)涓淖兒团渲谜{(diào)相機(jī)對(duì)江蘇直流落點(diǎn)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響力[7-8]。

2.1　網(wǎng)架拓?fù)浜驼{(diào)相機(jī)規(guī)劃

(1)泰州-蘇州特高壓GIL過(guò)江通道。泰州至蘇州特高壓是特高壓交流來(lái)電南送的通道，特高壓GIL過(guò)江通道是泰州至蘇州特高壓通道的必要途徑。特高壓GIL過(guò)江通道投產(chǎn)難度較大，工程上存在滯后于錫盟直流雙極投產(chǎn)的可能，將對(duì)直流周邊網(wǎng)架拓?fù)鋷?lái)影響[9-10]。

(2)江蘇電網(wǎng)直流站安裝調(diào)相機(jī)。江蘇電網(wǎng)規(guī)劃于2018年在政平、錦蘇、晉北和錫盟直流站加裝一定容量的調(diào)相機(jī)。

(3)泰州特高壓站500 kV送出加強(qiáng)。為釋放特高壓泰州站的降壓送出能力，規(guī)劃于泰州第二臺(tái)主變投產(chǎn)時(shí)配套擴(kuò)建2回500 kV線路，屆時(shí)泰州站將建成4回500 kV降壓線路。泰州站送出加強(qiáng)將對(duì)直流周邊網(wǎng)架拓?fù)鋷?lái)影響。

2.2　泰州—蘇州特高壓線路配合直流投產(chǎn)的情況

泰州—蘇州特高壓線路若能配合錫盟直流雙極投產(chǎn)，饋入江蘇電網(wǎng)的各直流逆變站的多饋入交互因子MIIF見表1。其中，錫盟直流分層接入1 000 kV和500 kV電網(wǎng)，按照兩回直流分別計(jì)算MIIF因子。

表1　特高壓泰蘇線建成情況下饋入江蘇電網(wǎng)的各直流逆變站的多饋入交互因子

表1中，計(jì)入了截至2018年華東電網(wǎng)投產(chǎn)的全部±500 kV及以上的高壓直流工程，但僅列出了江蘇省內(nèi)直流的計(jì)算結(jié)果。錫盟500 kV、錫盟1 000 kV和晉北直流之間的無(wú)功電壓相互影響最強(qiáng)，表征了江蘇新增直流落點(diǎn)之間的電氣距離是比較近的，其他直流對(duì)新增直流落點(diǎn)的無(wú)功電壓影響相對(duì)較弱。

在計(jì)算MIIF的基礎(chǔ)上計(jì)算江蘇直流落點(diǎn)各逆變站的多饋入有效短路比MIESCR，結(jié)果見表2。

表2　泰蘇線建成情況下饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIESCR

泰州—蘇州特高壓建成情況下，江蘇電網(wǎng)各直流落點(diǎn)的多饋入短路比均在2.5以上，屬于強(qiáng)系統(tǒng)；僅有錫盟500 kV直流落點(diǎn)電網(wǎng)稍弱。從整體來(lái)看，泰州—蘇州特高壓建成后，江蘇電網(wǎng)作為受端系統(tǒng)屬?gòu)?qiáng)系統(tǒng)，其對(duì)多饋入直流輸電系統(tǒng)的無(wú)功電壓支撐能力較大。

2.3　泰州—蘇州特高壓滯后直流投產(chǎn)對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響

特高壓1 000 kV泰州—蘇州線路包含技術(shù)難度很高的GIL長(zhǎng)江大跨越工程，從目前工程進(jìn)度上來(lái)看，存在滯后于錫盟直流投產(chǎn)的可能性[11-13]。特高壓線路推遲投產(chǎn)將顯著地影響到錫盟直流落點(diǎn)的網(wǎng)架拓?fù)?，有必要?duì)特高壓線路推遲投產(chǎn)情況下江蘇新增直流落點(diǎn)的MIIF和MIESCR進(jìn)行分析，其數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3　特高壓泰蘇線滯后于錫盟直流投產(chǎn)，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIIF

表4　特高壓泰蘇線滯后于錫盟直流投產(chǎn)，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIESCR

特高壓泰州—蘇州線路推遲投產(chǎn)，政平、同里直流對(duì)錫盟1 000 kV母線的交互因子由于網(wǎng)絡(luò)減弱而明顯降低，導(dǎo)致錫盟1 000 kV直流等值功率下降，但網(wǎng)絡(luò)減弱的同時(shí)也降低了母線短路容量，這些因素共同引起了錫盟直流1 000 kV落點(diǎn)的MIESCR下降至僅有2.15，成為弱系統(tǒng)，其周邊電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性明顯降低[14]。

2.4　建設(shè)調(diào)相機(jī)對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響

在地區(qū)無(wú)功平衡已經(jīng)確定的條件下，不新增無(wú)功容量，考慮建設(shè)一定數(shù)量的調(diào)相機(jī)，計(jì)算得到江蘇各直流落點(diǎn)MIIF和MIESCR變化如表5和表6所示。

調(diào)相機(jī)建設(shè)后，對(duì)各直流落點(diǎn)的MIIF影響較小，但對(duì)提高短路容量效果明顯，也提高了各直流落點(diǎn)的MIESCR。錫盟直流1 000 kV落點(diǎn)的MIESCR從2.15回升至2.31，錫盟500 kV落點(diǎn)的MIESCR從2.35回升至2.62。

表5　特高壓泰蘇線滯后于錫盟直流投產(chǎn)，調(diào)相機(jī)建成情況下，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIIF

表6　特高壓泰蘇線滯后于錫盟直流投產(chǎn)，調(diào)相機(jī)建成情況下，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIESCR

2.5　泰州特高壓站500 kV送出加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)強(qiáng)度的影響

考慮從加強(qiáng)泰州特高壓站500 kV送出能力的角度提高錫盟直流落點(diǎn)電網(wǎng)的MIESCR，在泰州擴(kuò)建第二臺(tái)主變投產(chǎn)時(shí)配套擴(kuò)建2回500 kV線路，計(jì)算得到江蘇各直流落點(diǎn)的MIIF和MIESCR變化如表7和表8所示。

泰州站送出加強(qiáng)選取了500 kV層面，計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)各直流落點(diǎn)的MIIF影響不一，錫盟1 000 kV對(duì)錫盟500 kV之間相互影響因子均減小、錫盟對(duì)晉北的影響因子減小，而距離較遠(yuǎn)的政平、同里直流基本無(wú)影響。與之同時(shí)，500 kV網(wǎng)架加強(qiáng)抬高了錫盟直流落點(diǎn)的短路容量，有助于提高M(jìn)IESCR。錫盟直流1 000 kV落點(diǎn)的MIESCR從2.15回升至2.76，錫盟500 kV落點(diǎn)的MIESCR從2.35回升至2.90。此工程建成后提高錫盟直流落點(diǎn)的電網(wǎng)強(qiáng)度效果明顯。

表7　特高壓泰蘇線滯后于錫盟直流投產(chǎn)，泰州特高壓站500 kV送出加強(qiáng)情況下，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIIF

實(shí)施加強(qiáng)網(wǎng)架和建設(shè)調(diào)相機(jī)這兩類措施后可以得到以下結(jié)論。

表8　特高壓泰蘇線滯后于錫盟直流投產(chǎn)，泰州特高壓站500 kV送出加強(qiáng)情況下，饋入江蘇電網(wǎng)的直流逆變站的MIESCR

(1)加強(qiáng)特高壓網(wǎng)架和加強(qiáng)500 kV網(wǎng)架對(duì)直流落點(diǎn)MIIF因子影響力不同，加強(qiáng)1 000 kV網(wǎng)架的影響范圍廣，加強(qiáng)500 kV網(wǎng)架將僅影響到附近直流的MIIF因子。

(2)建設(shè)調(diào)相機(jī)對(duì)各直流落點(diǎn)的MIIF因子影響微弱。

(3)兩類措施均能夠增加電網(wǎng)的短路容量，從而提高周邊直流落點(diǎn)電網(wǎng)的MIESCR。

3　直流落點(diǎn)地區(qū)無(wú)功電壓仿真

采用中國(guó)電科院BPA仿真工具，發(fā)電機(jī)采用含阻尼繞組的雙軸模型(次暫態(tài)模型)計(jì)及勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)新增直流落點(diǎn)在關(guān)鍵工程不同進(jìn)度下的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，選取的故障為，特高壓南京—泰州線路“N-2”三永故障。不同方式下計(jì)算結(jié)果見圖1至圖3。

圖1　泰蘇線未建成，故障下錫盟電壓曲線

圖2　泰蘇線未建成，泰州站送出加強(qiáng)前后，故障下錫盟電壓曲線

圖3　泰蘇線建成，調(diào)相機(jī)建成與否，故障下錫盟電壓曲線

由仿真計(jì)算結(jié)果表明，過(guò)江大跨越若推遲投產(chǎn)將減弱泰州直流落點(diǎn)周邊電網(wǎng)事故支援能力，南京—泰州特高壓線路“N-2”故障下，泰州單極容量將全部由泰州特高壓主變降壓后轉(zhuǎn)供，泰州1 000 kV換流站交流母線出現(xiàn)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象。若泰州站500 kV送出加強(qiáng)或特高壓泰蘇線建成，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。調(diào)相機(jī)能夠改善故障后的電壓恢復(fù)曲線，但對(duì)無(wú)功電壓穩(wěn)定性的改善能力弱于泰州站送出加強(qiáng)措施。此結(jié)果一定程度上驗(yàn)證了多饋入有效短路比計(jì)算中的相應(yīng)結(jié)論。

4　結(jié)語(yǔ)

特高壓1 000 kV泰州—蘇州線路的投產(chǎn)進(jìn)度將明顯影響到錫盟直流落點(diǎn)電網(wǎng)的MIESCR。對(duì)于特高壓1 000 kV泰州—蘇州線路滯后于直流投產(chǎn)的情況，本文從增加調(diào)相機(jī)和加強(qiáng)網(wǎng)架兩個(gè)思路研究了對(duì)直流落點(diǎn)MIESCR的提高效果。建設(shè)調(diào)相機(jī)的措施將主要影響到接入點(diǎn)的短路容量，加強(qiáng)網(wǎng)架能夠同時(shí)起作用于MIIF因子和短路容量。在算例所涉及的情況下，網(wǎng)架加強(qiáng)對(duì)于提高電網(wǎng)強(qiáng)度的效果相對(duì)顯著。通過(guò)合理加強(qiáng)網(wǎng)架并安裝調(diào)相機(jī)，江蘇直流落點(diǎn)電網(wǎng)均屬于多饋入有效短路比定義下的強(qiáng)系統(tǒng)。

下一步的工作中可系統(tǒng)地研究提升多饋入電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)處的MIESCR的有效方式，并在工程實(shí)際中注重直流系統(tǒng)MIESCR的校驗(yàn)，以期合理提高多饋入交直流混聯(lián)電網(wǎng)的無(wú)功電壓穩(wěn)定性，保障系統(tǒng)無(wú)功電壓安全運(yùn)行。

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