夏哲輝，饒成誠

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司，長沙　410007；2. 國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，長沙　410004)

酒泉
—湖南±800 kV特高壓直流入湘對湖南電網(wǎng)安全穩(wěn)定性影響淺析

夏哲輝1，饒成誠2

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司，長沙410007；2. 國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，長沙410004)

摘要：落實國家大氣污染防治行動計劃，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，“十二五”期間開工建設(shè)的酒泉—湖南±800 kV特高壓起于甘肅酒泉地區(qū)，落點在湖南湘潭地區(qū)。特高壓直流入湘在緩解用電緊張局面，同時也使得湖南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變成更為復(fù)雜的交直流混聯(lián)系統(tǒng)。確保湖南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，就直流入湘后的電網(wǎng)控制、調(diào)峰、穩(wěn)控方案以及直流偏磁等問題進(jìn)行簡要討論。

關(guān)鍵詞：能源結(jié)構(gòu)；直流工程；特高壓；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)；電網(wǎng)運行

國網(wǎng)公司正在大力實施“一特四大”戰(zhàn)略，著力解決特高壓和配電網(wǎng)“兩頭薄弱”問題，優(yōu)質(zhì)高效建設(shè)好特高壓重點工程[1]，統(tǒng)籌推進(jìn)“三華”同步電網(wǎng)、西南電網(wǎng)構(gòu)建和配電網(wǎng)改造升級，進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，力爭盡快形成東北、西北、西南三送端和“三華”一受端四個同步電網(wǎng)的發(fā)展格局，構(gòu)建更安全、更可靠、更高效、更堅強(qiáng)的國家電網(wǎng)[2]。

國網(wǎng)公司已建成并投運了包括“晉東南—南陽—荊門1 000kV特高壓交流試驗示范工程”以及“向家壩—上?！?00kV特高壓直流輸電示范工程”在內(nèi)的“三交四直”特高壓工程。

目前公司在建的“四交四直”特高壓工程、酒泉—湖南特高壓直流工程以及后續(xù)的“五交八直”特高壓工程對于落實國家大氣污染防治行動計劃，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展遠(yuǎn)距離大容量輸電技術(shù)，促進(jìn)能源跨區(qū)域消納利用[3]，緩解中東部地區(qū)大氣污染防治壓力具有重要戰(zhàn)略意義[4]。

“十二五”期間開工建設(shè)的酒湖±800kV特高壓直流工程起于甘肅酒泉地區(qū)，途經(jīng)甘肅、陜西、重慶、湖北，落點湖南湘潭地區(qū)，線路長度約2 413km，額定電壓為±800kV，額定功率為8 000MW[5]。特高壓直流入湘在緩解用電緊張的局面同時，也使得湖南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變成更為復(fù)雜的交直流混聯(lián)系統(tǒng)[6]。要保障酒湖特高壓接入后湖南電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，需要對電網(wǎng)控制策略、調(diào)峰策略、穩(wěn)控方案以及直流偏磁等問題進(jìn)行分析研究。

1酒湖特高壓對湖南電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性影響及措施

位于國家電網(wǎng)供電區(qū)最南端之一的湖南電網(wǎng)，500kV電網(wǎng)已覆蓋了除張家界和吉首之外的12個地區(qū)，省內(nèi)電源多集中在西部和北部。

1.1酒湖特高壓對鄂湘交流聯(lián)絡(luò)通道的影響及措施

湖南電網(wǎng)通過“葛洲壩—崗市一回”和“孱陵—復(fù)興雙回”三回500kV交流線路與湖北電網(wǎng)相連。如圖1所示。湖南電網(wǎng)接受來自三峽水電站的電能，通常的潮流方向為鄂送湘。按照電網(wǎng)運行既定的穩(wěn)定性要求，目前鄂湘三回500kV交流聯(lián)絡(luò)線總的控制功率為2 600MW。

圖1　湖南電網(wǎng)與西北電網(wǎng)、湖北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)示意圖

(1)影響分析

酒湖特高壓直流工程投運后，其輸送功率較大時，一旦發(fā)生直流閉鎖故障，湖南電網(wǎng)的功率缺額將主要由鄂湘聯(lián)絡(luò)線承擔(dān)，使得鄂湘交流聯(lián)絡(luò)線過載、潮流加重，甚至超過熱穩(wěn)極限控制功率。

(2)應(yīng)對措施

1)若鄂湘交流聯(lián)絡(luò)線功率由鄂送湘(南送)，可采取預(yù)控使酒湖特高壓直流和鄂湘交流聯(lián)絡(luò)線送湘的功率之和不超過4 000MW。當(dāng)酒泉特高壓直流系統(tǒng)發(fā)生雙極閉鎖故障時，保證鄂湘交流聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定需切除湖南電網(wǎng)1 390MW負(fù)荷。

2)若鄂湘交流聯(lián)絡(luò)線功率由湘送鄂(北送)，可適量提高酒湖特高壓直流送湘的功率，但不利于三峽水電站電能外送。

3)加強(qiáng)湖南電網(wǎng)與華中主網(wǎng)交流聯(lián)絡(luò)措施—加快建設(shè)荊門至長沙交流特高壓工程，也是湖南電網(wǎng)更好地消納酒湖特高壓電能的舉措。

1.2酒湖特高壓對省內(nèi)500 kV網(wǎng)絡(luò)的影響及措施

酒湖直流受端湘潭換流站500kV規(guī)劃出線7回，其中2回至鶴嶺變，2回至云田變，2回至古亭變，1回至船山變。

酒湖直流投運后，大量電力一方面通過湘潭換—船山送往衡郴永地區(qū)消納；另一方面通過湘潭換—鶴嶺雙回、湘潭換—云田雙回以及湘潭換—古亭雙回送往長株潭地區(qū)消納。

(1)影響分析

酒湖直流送湘功率較大時，若換流站近區(qū)500kV交流線路發(fā)生N-1或N-2故障，將可能導(dǎo)致部分線路過載，過載線路集中在導(dǎo)線截面積較小的湘潭換—鶴嶺雙回以及星城—云田線路。

(2)應(yīng)對措施

將原鶴嶺—云田雙回線改造成大截面導(dǎo)線，新建瀏陽500kV變電站，增加云田—瀏陽線路以及古亭—星城第二回線路，以滿足特高壓直流潮流疏散的需要。

1.3酒湖特高壓對湖南電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響及措施

直流系統(tǒng)在換相過程中需要吸收無功功率。直流系統(tǒng)輸送功率越大，吸收無功越多，母線電壓下降也越大。因此酒湖直流送電后，湘南電網(wǎng)固有的電壓穩(wěn)定問題和特高壓直流投運帶來的電壓穩(wěn)定問題相互作用，使得湖南電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題趨于復(fù)雜化。

(1)影響分析

直流系統(tǒng)故障時，交流系統(tǒng)將產(chǎn)生暫態(tài)電壓波動。如果交流系統(tǒng)不能支撐直流系統(tǒng)動態(tài)無功變化，交流系統(tǒng)將出現(xiàn)電壓失穩(wěn)。

此外，若鄂湘聯(lián)絡(luò)線和酒湖直流送湘功率之和較大，長株潭地區(qū)500kV艾家沖—鶴嶺線路鶴嶺側(cè)三相短路故障仍然會導(dǎo)致湘南電壓失穩(wěn)，對懷吉電源送出產(chǎn)生不利影響。

(2)應(yīng)對措施

湖南電網(wǎng)小負(fù)荷時期對鄂湘聯(lián)絡(luò)線和酒湖直流送湘功率之和進(jìn)行管控，在豐水期和枯水期科學(xué)合理地安排水火電機(jī)組運行方式。

1.4交流系統(tǒng)故障對特高壓直流的影響及措施

酒湖直流投運后，湖南電網(wǎng)成為交直流混聯(lián)電網(wǎng)。交流系統(tǒng)故障可能引起直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗。若直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗之后能迅速恢復(fù)正常運行，則對電網(wǎng)運行影響不大；若直流系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)換相失敗，則可能導(dǎo)致直流保護(hù)動作閉鎖直流，從而直接沖擊交流系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

(1)影響分析

直流系統(tǒng)換相失敗將造成交直流電氣量發(fā)生劇烈波動，送端酒泉電網(wǎng)暫時失去部分直流負(fù)荷，頻率和電壓升高。受端湖南電網(wǎng)暫時失去直流電源，對受端交流電網(wǎng)造成沖擊，頻率電壓降低。

(2)應(yīng)對措施

減少逆變器換相風(fēng)險及其影響可以采取交直流電網(wǎng)元件參數(shù)調(diào)整；改變直流系統(tǒng)運行方式；直流輸電控制保護(hù)功能優(yōu)化等措施。

2酒湖特高壓安全穩(wěn)定控制策略專題分析

湖南電網(wǎng)現(xiàn)有的500kV廠站全部配置了雙套微機(jī)型綜合穩(wěn)控裝置，所有的220kV變電站均配置了聯(lián)切/遠(yuǎn)切負(fù)荷裝置。

(1)影響分析

酒湖直流投運后的輸送功率主要受制于兩個方面：1)從華中電網(wǎng)層面考慮，酒湖直流閉鎖后大量功率轉(zhuǎn)移到1 000kV特高壓交流長南線，可能導(dǎo)致長南線超暫穩(wěn)極限與系統(tǒng)解列。2)從湖南電網(wǎng)層面考慮，酒湖直流閉鎖后大量功率轉(zhuǎn)移到500kV鄂湘交流聯(lián)絡(luò)線，可能導(dǎo)致鄂湘聯(lián)絡(luò)線超過其控制功率。

(2)應(yīng)對措施

針對第1方面問題可以采取切華中電網(wǎng)負(fù)荷以及調(diào)制降低三峽直流送出功率的措施；針對第2方面問題只能采取直流閉鎖切湖南電網(wǎng)負(fù)荷的措施。

根據(jù)國務(wù)院“599號令”規(guī)定，特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖可切湖南電網(wǎng)負(fù)荷總計約1 390MW，切負(fù)荷點分布在長株潭、常益張以及衡郴永地區(qū)，其中長沙地區(qū)切除負(fù)荷不超過該市負(fù)荷總量的5%，其他地區(qū)切除負(fù)荷不超過當(dāng)?shù)刎?fù)荷總量的20%。根據(jù)“湘潭±800kV換流站工程受端安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)初步設(shè)計”，配置包含鶴嶺、云田500kV變在內(nèi)的湖南切負(fù)荷主站、切負(fù)荷區(qū)域主站、切負(fù)荷執(zhí)行站、1個抽水蓄能切負(fù)荷執(zhí)行站。

3酒湖特高壓對湖南電網(wǎng)調(diào)峰能力的影響及措施

湖南電網(wǎng)年負(fù)荷曲線呈現(xiàn)夏季(7～8月)和冬季(12月)雙高峰特征，而在春節(jié)期間的1月或2月出現(xiàn)全年最小負(fù)荷。截至2015年4月底，湖南電網(wǎng)最大負(fù)荷為230 100MW，2015年2月2日，湖南電網(wǎng)最大峰谷差達(dá)到創(chuàng)歷史新高的120 200MW。

(1)影響分析

預(yù)計至2017年，湖南省內(nèi)的并網(wǎng)風(fēng)電規(guī)模由938MW(2015年4月)增加至2 500～2 800MW。風(fēng)電具有反調(diào)峰特性，加大了湖南電網(wǎng)調(diào)峰難度。

在峰谷差不斷加大的背景下，為保證高峰時負(fù)荷需求，同時從系統(tǒng)安全角度，需加大火電的開機(jī)，這將造成負(fù)荷低谷時的調(diào)峰困難，酒湖特高壓直流的投運也將進(jìn)一步加大湖南電網(wǎng)調(diào)峰難度。

(2)應(yīng)對措施

特高壓直流不能像常規(guī)電源頻繁參與調(diào)峰，一方面需要結(jié)合湖南電網(wǎng)典型日負(fù)荷曲線，研究水—火—風(fēng)—抽—聯(lián)絡(luò)線以及特高壓直流參與的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)峰控制策略，另一方面需要評估實施峰谷差電價對于減小峰谷差的影響。

4酒湖特高壓對湖南電網(wǎng)變電設(shè)備直流偏磁的影響及措施

直流偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態(tài)，即變壓器繞組的勵磁電流中出現(xiàn)直流分量。直流接地極流過較大電流是導(dǎo)致中性點接地變壓器產(chǎn)生直流偏磁的主要原因。

(1)影響分析

1)直流偏磁會使變壓器的機(jī)械性能、抗短路能力下降，在變壓器遭受外部突發(fā)短路故障時，可能引發(fā)更大的電網(wǎng)事故。

2)直流電流流經(jīng)交流電網(wǎng)可能導(dǎo)致電流互感器傳變特性發(fā)生變化，對交流保護(hù)的動作產(chǎn)生影響，使得保護(hù)裝置拒動或誤動。此外直流偏磁可能造成變壓器差流的二次諧波含量增大，變壓器差動保護(hù)存在二次諧波誤閉鎖的風(fēng)險。

3)變壓器因直流偏磁造成振動、噪聲加劇，會嚴(yán)重影響周圍居民的正常工作和生活。

因此酒湖特高壓工程投運后將面臨酒湖特高壓直流單極大地回線運行工況，需要開展直流偏磁治理工作。

(2)應(yīng)對措施

目前國內(nèi)直流偏磁治理方面有電容隔直和電阻限流2種方案。電容隔直裝置隔離直流電流的效果徹底，對繼電保護(hù)的影響較小，但電容隔直裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電阻限流裝置結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，限流裝置限流效果可能會受到電網(wǎng)網(wǎng)架變化的影響。

酒湖特高壓直流偏磁治理思路應(yīng)以電阻限流為主、電容隔直為輔，即在個別變電站電阻參數(shù)選取困難或不能滿足限流要求時則采用電容隔直裝置。并從設(shè)備入網(wǎng)、調(diào)試、運行多個環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)督，提高設(shè)備可靠性，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

5結(jié)語

(1)湖南電網(wǎng)前期已開展了鵝城換流站控制保護(hù)系統(tǒng)建模以及年度檢修工作，為后期提高酒湖特高壓控制保護(hù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平有一定的借鑒作用。酒湖特高壓接入后對湖南電網(wǎng)控制策略、調(diào)峰策略、穩(wěn)控方案以及直流偏磁等問題進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控是湖南電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的必要條件。

(2)研究酒湖特高壓直流送電與500kV鄂湘聯(lián)絡(luò)線送電的合理比例，以實現(xiàn)電網(wǎng)運行安全穩(wěn)定、節(jié)能減排以及經(jīng)濟(jì)效益的最佳結(jié)合。

(3)建立遠(yuǎn)距離、大容量的電力輸送通道實現(xiàn)“煤從空中走，電送全中國”是國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對能源電力增長的需求所決定的，湖南省正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時期，對能源需求急速增長，能源缺口還很大[7]，電力的供需矛盾日益突出。酒泉特高壓直流入湘將成為突破能源“瓶頸”的制勝法寶。

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(本文編輯：嚴(yán)加)

Analysis of Jiuquan-Hunan ±800kV DC Project and Its Impact on the Stability of Hunan Power Grid

XIA Zhe-hui1, RAO Cheng-cheng2

(1.StateGridHunanElectricPowerCompany,Changsha410007,China;2.StateGridMaintenanceCompany,HunanElectricPowerCompany,Changsha410004,China)

Abstract:For the target of implementing National Air Pollution Control Action Plan and optimizing energy structure, the Jiuquan-Hunan ±800kV DC project has been constructed during the Twelfth Five Year Plan. The EHV DC project could relieve the power supply tension, while the Hunan power grid would convert into AC/DC hybrid system. To ensure the safe and stable operation of Hunan power grid, the issues of grid control, electrical peak shaving, stability control scheme and DC bias are discussed briefly in this paper.

Key words:energy structure；DC project；EHV；grid structure；power grid operation

DOI：10.11973/dlyny201603006

作者簡介：夏哲輝(1977)，男，碩士，從事電網(wǎng)運營管理類相關(guān)工作。

中圖分類號：TM723；TK01+9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0291-04

收稿日期：2016-02-23