陳 波，熊華強，舒 展，李升健，程思萌

（國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

為滿足清潔能源大規(guī)模送出、負荷中心電力可靠供應的需求，國家電網公司正大力發(fā)展遠距離、大容量特高壓直流輸電技術[1-2]。隨著江西社會經濟快速發(fā)展，全省用電需求不斷增長，為緩解省內電力供需矛盾，雅中—江西特高壓直流輸電工程（以下簡稱雅湖直流）于2019 年9 月正式開工建設，計劃2021 年迎峰度夏前投運。雅湖直流分高低端接入江西電網負荷中心，額定輸電功率800萬kW。

江西電網位于華中電網東南末端，現通過3 回500 kV 鄂贛聯絡線與華中主網相聯。雅湖直流投運后，江西電網電源組成、潮流分布、穩(wěn)定特性等將發(fā)生重大變化。由于華中特高壓交流環(huán)網工程進展緩慢，江西電網在未來較長時間內將處于單直流接入格局，呈現明顯的“強直弱交”特性。一方面，在大直流功率注入方式下江西常規(guī)發(fā)電機組開機規(guī)模減少，動態(tài)無功支撐能力削弱，系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平下降[3]；另一方面，直流換相失敗過程中會從交流系統(tǒng)吸收大量無功，進一步加劇系統(tǒng)動態(tài)無功缺額[4]，從而嚴重影響直流功率的足額消納。

為了提升弱受端電網電壓穩(wěn)定水平，通常在受端換流站配置大型調相機，該措施已在特高壓直流輸電工程中廣泛應用并取得顯著效果[5]。優(yōu)化直流系統(tǒng)控制策略與控制參數，改善直流本體運行特性，可以有效降低換相失敗風險[6]，提高交直流混聯系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性。調整運行方式，使發(fā)電機組留有一定的旋轉備用容量，也能有效提升系統(tǒng)動態(tài)無功支撐能力[7]。在發(fā)生故障系統(tǒng)電壓持續(xù)降低時，采取直流功率速降、低壓減載等緊急控制措施[8-9]也能最大程度降低電網電壓失穩(wěn)風險，但同時也會造成發(fā)電和負荷的損失。

文中從省級電網切實可行的操作層面出發(fā)，提出采用抽水蓄能機組空載調相和網源穩(wěn)態(tài)調壓優(yōu)化的提升措施，充分挖掘電網內已有的動態(tài)無功資源，改善網源穩(wěn)態(tài)無功補償比例，無需增加巨額設備投資，通過預防控制手段，利用較小的調度代價來換取可觀的電壓穩(wěn)定提升收益。

1 直流消納能力計算

文中針對特高壓交流環(huán)網投運前的過渡期，研究江西電網對直流功率的消納能力。以江西電網2021年目標網架、電源規(guī)模和負荷水平為邊界，最大負荷2 800萬kW，平均大負荷和小負荷分別按0.75和0.43倍系統(tǒng)折算，采用50%感應電動機+50%恒定阻抗的負荷模型，考慮靜態(tài)安全和暫態(tài)穩(wěn)定兩類約束開展消納能力計算?；A消納能力不計調相機接入，過渡期間直流最大輸送功率為400 萬kW，2021 年目標網架如圖1所示。

圖1 江西電網2021年目標網架

1.1 靜態(tài)安全分析

雅湖直流投運后，直流功率主要在中部地區(qū)消納，全網潮流特征為中部向南部、東部和西部疏散，其中南部受電較多。北部地區(qū)電力供應基本平衡。在大負荷方式下開展靜態(tài)安全分析，分析內容包括：

1）全省500 kV 交流線或主變N-1、同桿并架和同通道雙回線N-2潮流計算；

2）直流落點近區(qū)主變檢修、直流外送斷面關鍵送出線路檢修方式下N-1潮流計算；

3）直流雙極閉鎖后潮流計算。

在鄂贛聯絡線結零時，全網無熱穩(wěn)定問題。當鄂贛聯絡線受電為210 萬kW，直流滿送400 萬kW 發(fā)生雙極閉鎖，直流功率缺額將轉移至鄂贛聯絡線，此時磁永線過熱穩(wěn)極限。江西電網交直流總受電能力為570萬kW，如圖2所示。

圖2 江西電網交直流受電斷面

由此可見，交直流系統(tǒng)受電通道存在耦合關系。僅考慮靜態(tài)安全約束的情況下，制約雅湖直流功率消納能力的主要因素是鄂贛聯絡線受電功率。當鄂贛聯絡線受電小于210 萬kW，江西電網可以足額消納400萬kW直流功率。

1.2 暫態(tài)穩(wěn)定分析

在大負荷、平均大負荷、小負荷三種典型負荷水平下開展暫態(tài)穩(wěn)定校核，設置直流功率400萬kW，校核內容主要包括：

1）全省500 kV 交流線、變壓器N-1 三相永久性故障掃描；

2）同桿并架和同通道雙回線N-2 三相永久性故障掃描；

3）雅湖直流單極、雙極閉鎖故障掃描。

直流輸電400 萬kW，鄂贛斷面結零，直流單、雙極閉鎖無暫態(tài)穩(wěn)定問題，而交流系統(tǒng)三永故障會導致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，失穩(wěn)故障集如表1 所示。由此可見，直流接入后江西電網交流系統(tǒng)故障導致的電壓穩(wěn)定問題將成為直流功率消納的主要瓶頸。

表1 暫態(tài)電壓失穩(wěn)故障集

1.3 調相機接入敏感性分析

南昌換流站兩臺同步調相機分別通過升壓變接入高、低端場的500 kV 交流母線。高、低端場同步建設，同期投運，將分段開關合環(huán)運行，則單直流接入的過渡期間，兩臺調相機具備并列運行條件。以電壓穩(wěn)定問題最為突出的小負荷方式為例，在接入一臺或兩臺調相機的情況下，直流消納能力如表2所示。不難看出，兩臺調相機對直流消納能力的提升效果比較明顯，但是在發(fā)生N-2 嚴重故障時還是無法保障直流400萬kW功率足額消納。

表2 調相機對直流消納能力的影響

2 電壓穩(wěn)定影響因素分析

2.1 直流因素

雅湖直流接入是導致江西電網產生電壓穩(wěn)定問題的直接誘因，其從有功和無功兩個方面對受端電網電壓穩(wěn)定特性產生不利影響。有功方面，直流接入后替代了部分常規(guī)機組，使系統(tǒng)失去了這部分動態(tài)無功電源，在省間交流聯絡線功率一定的情況下，直流輸送功率越多，則系統(tǒng)內常規(guī)機組開機數量越少；無功方面，特高壓直流換流站配置了大量濾波電容進行無功補償，電容器的無功補償量會隨著母線電壓的急劇跌落而大量減少，交流故障擾動期間整個換流站需要從交流系統(tǒng)吸收大量無功功率，不利于受端電網電壓的快速恢復。如果沒有足夠的動態(tài)無功支撐，會導致系統(tǒng)電壓恢復緩慢，直流配套的濾波電容無功補償功率缺額將一直存在，直流會持續(xù)從交流系統(tǒng)吸收無功功率，從而造成系統(tǒng)電壓難以恢復甚至崩潰。

2.2 負荷因素

PSASP 中的負荷由感應電動機和恒定阻抗元件構成。其中感應電動機的電磁轉矩與機端電壓的平方成正比，交流系統(tǒng)電壓跌落將導致電動機電磁轉矩急劇減小，由于負荷機械轉矩不變，則電動機轉速將持續(xù)下降，轉差率逐漸增大，負荷電流也將逐漸增大，電動機轉子漏抗吸收的無功隨之增大，從而加劇系統(tǒng)的無功缺額，不利于電壓的恢復[10]。而恒定阻抗負荷中的無功部分與電壓的平方成正比，故障后吸收的無功功率隨電壓的跌落顯著降低，會減少對交流系統(tǒng)的無功需求，有利于電壓的恢復。因此，感應電動機負荷占比越高，對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定越不利。

2.3 穩(wěn)態(tài)調壓因素

受端交流電網的電壓穩(wěn)定水平與網側和源側穩(wěn)態(tài)無功補償比例直接相關[11]。網側無功補償資源主要包括變電站低容低抗、直流換流站濾波電容等，源側無功補償資源主要包括常規(guī)發(fā)電機、同步調相機等。如圖3 所示，由電容器和發(fā)電機組的無功電壓動態(tài)特性可知，當交流系統(tǒng)故障引起母線電壓急劇跌落時，網側電容器組暫態(tài)無功輸出下降，源側發(fā)電機或調相機暫態(tài)無功輸出上升，如果穩(wěn)態(tài)運行時電容器組無功補償占比大，則故障時系統(tǒng)無功缺額更大，不利于電壓恢復；若發(fā)電機或調相機無功補償占比大，則故障時能夠提供的無功支撐更多，有利于電壓恢復。

圖3 發(fā)電機與電容器的動態(tài)無功輸出特性

3 消納能力提升措施

上文從源、網、荷幾方面分析了江西電網對雅湖直流功率消納能力的影響。對于省級電網公司而言，直流輸送功率大小、直流控制策略及參數整定等屬于外部不可控因素；負荷構成及占比屬于客觀現實因素，只能作為消納能力計算條件；而增加動態(tài)無功電源或者調整系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無功調壓方式等手段具備實施條件，以達到增強動態(tài)無功支撐水平，提升直流功率消納能力的目的。下文將以電壓穩(wěn)定問題突出的小負荷方式為計算背景，分析不同措施的提升效果。

3.1 洪屏抽蓄機組空載調相運行

抽水蓄能機組具備四象限運行能力，可以實現無功出力的快速響應，且空載調相運行時水輪機組損耗小，全部損耗只占其額定容量的1.5%～2.5%[12]，是參與系統(tǒng)電壓動態(tài)調節(jié)的優(yōu)質資源。江西洪屏抽水蓄能電站2016 年建成投運，裝機容量4×300 MW，通過500 kV 夢屏線接入夢山變。上文在計算直流功率消納能力時，抽蓄機組均處于停運狀態(tài)，如果將其運行在空載調相工況下，相當于直接增加了省內的動態(tài)無功電源數量，在故障引起電壓跌落時能夠提供更多的動態(tài)無功支撐，與同步調相機的作用類似。

洪屏抽蓄機組空載調相運行的臺數不同，則對直流消納能力的提升效果也不相同。在小負荷水平下，不考慮同步調相機接入，不同臺數機組空載調相運行對直流功率消納能力的提升效果如表3所示。

表3 抽蓄機組調相運行對直流消納能力的影響

由表3 可知，抽蓄機組調相運行對于提升直流消納能力能夠起到一定的效果，當兩臺機組調相運行時，考慮N-1 制約直流消納能力可提升至140 萬kW，相當于一臺同步調相機的效果；但隨著機組調相運行臺數的增加，提升收益逐漸減小，四臺機組調相運行直流消納能力最多提升至160 萬kW。

抽蓄機組的動態(tài)無功支撐能力與機組本體設計參數、勵磁控制系統(tǒng)、電網接入位置密切相關，由于抽蓄機組暫態(tài)、次暫態(tài)電抗相比同步調相機較大，且洪屏抽蓄電站離南昌換流站電氣距離較遠，因此抽蓄機組調相運行的難以達到同步調相機的提升效果。發(fā)生交流故障時，抽蓄機組與同步調相機的動態(tài)無功特性曲線如圖4所示。

圖4 調相機與抽蓄機組的動態(tài)無功輸出曲線

3.2 改善網源穩(wěn)態(tài)調壓方式

由同步發(fā)電機和電容器/電抗器的動態(tài)無功輸出特性可知，當交流系統(tǒng)故障引起母線電壓急劇跌落時，發(fā)電機暫態(tài)無功輸出上升，電容器暫態(tài)無功輸出下降，電抗器暫態(tài)無功損耗下降。因此，對于發(fā)電廠和500 kV 變電站來說，發(fā)電機穩(wěn)態(tài)無功補償越多，電容器無功補償越少，電抗器投入組數越多的情況下，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性越好。文中通過改變500 kV 變電站低容抵抗投切方式，分析網源穩(wěn)態(tài)調壓對直流消納能力的影響。

直流輸電功率100 萬kW，江西電網500 kV 母線電壓普遍在525 kV 左右時，500 kV 變電站低容抵抗投切方式如表4 中的方式1 所示（表中“|”右側數值為低容抵抗配置組數，左側數值為低容抵抗投入組數）。表中方式2在方式1基礎上減少1組低容、增加9組低抗；方式3 在方式2 基礎上增加5 組低抗。三種方式下低容抵抗投切方式相同的500 kV 變電站不在表4中列出。

表4 江西電網部分500 kV變電站低容低抗投切情況

上述三種方式下，江西電網500 kV 母線電壓和機組穩(wěn)態(tài)無功出力分別如圖5、圖6所示。

圖5 三種方式下廠站500 kV母線電壓對比

圖6 三種方式下發(fā)電機初始無功出力對比

由圖5、圖6 可知，方式1 系統(tǒng)電壓水平最高，方式2系統(tǒng)電壓水平次之，方式3系統(tǒng)電壓水平最低，發(fā)電機初始無功出力則相反。

直流輸電100 萬kW，咸夢I 線夢側發(fā)生三永故障，南昌站500 kV母線電壓和新昌電廠1號機組無功功率分別如圖7、圖8 所示。由圖7 可知，相同故障情況下，方式1 電壓失穩(wěn)，方式2和方式3 均能保持電壓穩(wěn)定，且方式3 下系統(tǒng)電壓恢復速度更快，穩(wěn)定性更好。

圖7 三種方式下南昌站500 kV母線電壓對比

圖8 三種方式下新昌1號機組無功出力對比

上述三種方式系統(tǒng)均穩(wěn)定在各自的無功電壓平衡點下，電抗投入越多，可以理解為恒定阻抗的無功負荷比重越大，在電壓跌落時系統(tǒng)無功缺額會更少，而由此增加的無功負荷由發(fā)電機增發(fā)穩(wěn)態(tài)無功來補償，不會像電容器惡化暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平，從而更有利于系統(tǒng)電壓恢復。

上述三種500 kV 變電站低容低抗投切方式下，不考慮同步調相機接入，江西電網對雅湖直流功率的消納能力如表5所示。

表5 網源穩(wěn)態(tài)調壓方式對直流消納能力的影響

由表5 可知，僅通過改變網源穩(wěn)態(tài)調壓方式對于提升直流消納能力能起到一定效果，但對N-2故障很難提供足夠的動態(tài)無功支撐。

3.3 組合措施

同步調相機作為特高壓直流配套工程，其作用至關重要，系統(tǒng)正常運行時應該保證至少有一臺調相機接入。由表3可知，小負荷方式下一臺調相機接入時發(fā)生N-1故障或兩臺調相機接入時發(fā)生N-2故障，均不能保證400萬kW直流功率足額消納。若在投運調相機的基礎上，進一步采取洪屏抽蓄機組空載調相運行或網源穩(wěn)態(tài)調壓優(yōu)化，直流消納能力的提升效果如表6所示。

表6 組合措施對直流消納能力的影響

不難看出，將上述提升措施與調相機組合使用，可以起到更好的提升效果。雅湖直流輸電400萬kW，在兩臺調相機投運的情況下，配合兩臺抽蓄機組空載調相或者網源穩(wěn)態(tài)調壓優(yōu)化，消納能力不受N-2故障制約；即使只有一臺調相機投運，相同的組合措施下，消納能力也能不受N-1故障制約。

4 結語

1）江西電網對雅湖直流功率的消納能力主要受電壓穩(wěn)定制約。全網負荷水平越高，省內開機數量越多，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性越好。直流輸電400萬kW，大負荷方式下無電壓穩(wěn)定問題；平均大負荷方式下存在N-2 故障失穩(wěn)；小負荷方式下電壓穩(wěn)定裕度進一步降低，會出現N-1失穩(wěn)問題。

2）同步調相機對于提升直流消納能力效果明顯，宜作為主要提升措施；洪屏抽蓄機組空載調相運行、網源穩(wěn)態(tài)調壓優(yōu)化等手段也能起到一定的提升作用，宜作為輔助提升措施。主輔措施組合使用能起到更好的提升效果，兩臺調相機接入時能夠有效應對N-2嚴重故障風險，保障400萬kW直流功率足額消納。

3）在電壓穩(wěn)定裕度相對低的峰值負荷時段，如果洪屏抽蓄機組處于閑置狀態(tài)，建議調度部門指揮電廠開出至少2 臺抽蓄機組使其處于空載調相運行狀態(tài)，增加江西電網內的動態(tài)無功電源支撐點，提升電網暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平。

4）網源穩(wěn)態(tài)調壓優(yōu)化只需調整運行方式，無需新增硬件投資成本，后續(xù)將進一步開展江西電網AVC系統(tǒng)調壓策略優(yōu)化研究，在合理范圍內優(yōu)先使用發(fā)電機無功補償容量，并努力實現提升措施的落地應用。

5）負荷模型會直接影響暫穩(wěn)計算結果，建議加快開展江西電網負荷特性普查與建模工作，對于準確評估直流消納能力及提升措施研究十分重要。