云南电网与南方电网纯直流联网及外送方案研究

吴琛,郑杨斌,李玲芳,张玉琼

(1.云南电力调度控制中心,昆明 650011；2.南京南瑞继保电气有限公司,南京 211102)

云南电网与南方电网纯直流联网及外送方案研究

吴琛1,郑杨斌2,李玲芳1,张玉琼1

(1.云南电力调度控制中心,昆明 650011；2.南京南瑞继保电气有限公司,南京 211102)

云南电网2013年除已有楚穗直流外、溪洛渡直流、糯扎渡直流陆续投运,届时将形成多回直流同时运行,同时形成交强直弱的模式交直流混合运行模式。在研究云南多回交直流混联电网送出存在的问题基础上,提出了云南与外网纯直流联网的构想,并通过直流联网和交直混合联网的对比分析计算,讨论了直流联网的可行性。

交直流系统；稳定分析

1 前言

云南省水电资源极其丰富,是重要的电力送出大省。至2012年底,云南电网西电东送通道由±800 kV云广直流特高压工程、4回500 kV交流线路和2回220 kV交流线路组成,送电能力超过950万千瓦。2013年±800 kV糯扎渡直流工程 (5000 MW)、±500 kV溪洛渡双回直流工程 (6400 MW)将陆续投入运行,云南电网将有多回直流同时并列运行。云南电网多回直流同时运行后,电网的稳定特性也将发生较大的改变。从宏观层面上来说,云南电网与南网主网的联网由交直流送电能力基本相当,变为 “强直弱交”的特性。这种变化出现后,交直流之间的相互影响、直流之间的相互影响问题就变得更为突出[1-4]。

对潮流的控制能力差是当今高压交流输电系统的主要问题之一,可能使得输电网络建成后难以适应发电或用电负荷变化引起的新的系统条件。缺乏快速的潮流控制能力要求运行设备留有足够的备用容量,以保证系统的稳定可靠运行,制约输电系统的潜在能力得不到充分利用。

直流输电线路由于对输电电流的快速调节能力,使得电网发生故障时可以很好的保证设备的安全,线路导线的输送电流密度可以大大提高,提升输电能力。

利用直流输电技术交流输电线路进行改造有以下一些优点[5-7]：

1)提高线路输送能力效果明显；

2)不存在系统稳定问题；

3)可以限制短路电流；

4)利用直流输电的快速控制能力,全面地提升系统的安全稳定性,增强系统的阻尼以抑制系统振荡,改善系统的动态稳定性；

5)通过适当的无功功率调节稳定运行电压及故障后恢复电压提高电网电压的控制能力；

6)提高交流输电线路的可控性,尤其是对电磁环网潮流的调控能力,从而可充分发挥输电通道的送电能力,减少过载、窝电现象,降低网损。

以下在研究云南多回交直流混联电网送出存在的问题基础上,提出云南电网通过纯直流与外网联网的构想。首先分析了交流联网改为直流联网的可行性,其次对说云南电网直流联网进行了稳定性分析,结合云南电网现有500 kV外送交流输电线路的实际情况,在理论层面上对现有的云南500 kV实际外送交流输电线路进行直流改造,建立了直流线路及控制系统模型,构建了云南电网与外网纯直流联网后的网架结构。从系统直流闭锁和交流线路N-2故障、小干扰分析、短路电流的角度对云南直流联网和交直流混合联网两种方式进行了对比分析,探讨了直流联网的可行性。

2 交流输电线路改直流的可行性

采用直流输电技术对高压交流线路进行改造[7-9]国内外目前的研究提出的技术方案有三极直流输电方式和传统双极直流输电方式。采用传统双极直流输电方式对高压交流线路进行改造技术上是成熟的,国际上也有成功改造的先例。改造后输送功率却可增至原来线路的约2～3.5倍同时可以降低单位损耗,线路改造工程量很小,费用仅需新建线路的一小部分,其主要工程是建设两端换流站。

以下主要对采用传统双极直流输电的改造方案进行论述。

1)单回交流线路改造成单极大地返回的直流输电线路的方案示意图,原有的三相导线连接在一起组成单极。

图1 单回交流线路改造成单极大地返回的直流输电线路

采用单极大地返回的直流输电方式,直流电压至少可以取原交流线路相对地电压的峰值甚至更高,如取400 kV。出现在直流线路上的操作过电压小于1.7 p.u.,比交流线路小得多,因而提高了线路运行的可靠性。而且同样电压等级情况下输电能力也会得到显著的提升。

2)单回交流线路改造成双极直流输电线路的方案示意图,原有的三相导线分别作为正极、金属回线、负极。

图2 单回交流线路改造成双极直流输电线路

此方案不需要专门的接地极,而利用一相导线作为回线；双极可以平衡运行,也可以独立运行。

由于导线截面保持不变,可以通过提高导线的输送电流密度,提高线路输送能力。

此方案中出现在直流线路上的操作过电压小于1.7 p.u.,比交流线路小得多,因而提高了线路运行的可靠性。另外,双极直流改造方案具有更高的可靠性。而且同样电压等级情况下,直流输电能力相比交流线路有所提高。

3)双回交流线路改造成双极直流线路的方案示意图。

如果每回的三相导线连接在一起组成一极,用新的直流横担代替原来三相交流线路横担,从而有较大的空间间隙为直流的升压提供有利的条件。

出现在直流线路上的操作过电压小于1.7 p.u.,比交流线路小得多,因而提高了线路运行的可靠性。

以上几个方案,改造直流线路对原来线路的导线都不需要更换,塔身和塔基可保持不变,无需增加中间塔,仅需对塔头横担、绝缘子、金具和导线布置等进行改造,线路工程较小。

从控制潮流、提高输电容量的角度,将交流线路改造为直流输电是最有效的手段,并且除了大幅度的提高输送容量外,还有许多其它方面的优点。

3 系统建模及分析

3.1 网架结构

结合云南电网现有500 kV外送交流输电线路的实际情况,在理论层面上对现有的云南500 kV实际外送交流输电线路进行直流改造,建立直流线路及控制系统模型,构建云南电网与外网纯直流联网后的网架结构。

在2015年丰大运行方式上,将罗平-百色500 kV双线改造为直流输电线路 (或者采用直流背靠背的方式),将罗平-马窝、砚山-崇左500 kV线路断开,调整潮流,生成云南电网与外网纯直流联网后的电网运行方式,如下图所示。

从表1可以看出,纯直流联网方式与交直流混联方式下云南电网内部主要断面的潮流基本相同,可以用于稳定计算对比分析。

图4 2015云南直流联网外送通道

图5 2015云南交直流混合联网外送通道

表1 两种方式断面潮流对比表

3.2 直流闭锁故障稳定计算及对比分析

分别对云南纯直流联网方式下发生楚穗直流双极闭锁、糯扎渡直流双极闭锁、溪洛渡直流双极、四极闭锁故障进行仿真计算,计算结果如表2所示：

表2 云南纯直流联网下直流闭锁故障

云南交直流混联网式下发生上述故障,计算结果如表3所示：

表3 云南交直混合流联网下直流闭锁故障

由以上对比可以看出：交直流混合联网方式下,发生直流双极闭锁故障时,过剩功率部分可通过云南送出的交流通道转移出去,其稳定问题主要为功角失稳问题。直流联网方式下,考虑到云南电网与南网仅通过直流联网,无其他的交流送电通道,且接入直流送端换流站的均为配置外送的电源,直流闭锁后外送电源无其他通道送出,需采取措施解决高频问题。

3.3 交流N-2故障稳定计算及对比

对云南500 kV线路进行N-2故障仿真计算,结果汇总如表4所示：

表4 云南500kV线路N-2稳定计算结果

由表4对比结果可以看出：在纯直流方式中,云南电网和南网无交流联系,发生交流线路N-2故障出现暂态稳定问题,采取稳控切机措施产生功率缺额时,外网无法对提供补偿调节,仅能通过网内其它机组调频来补偿。滇西北地区发生交流线路N-2故障产生功角稳定问题时,同样的断面条件下,直流联网方式切机量比交直流混联方式要小。

3.4 纯直流联网方式下小干扰稳定分析

两种方式下相似振荡频率和阻尼比的模式对比见表5。

表5 纯直流联网下小干扰稳定计算结果

从对比结果可以看出：两种方式下省区内振荡模式,多数和怒江机组有关。最小阻尼比的振荡模式均为频率为0.7 Hz左右的模式,阻尼比为0.05。最大阻尼比的振荡模式均为频率为0.6Hz的振荡模式。直流联网方式下,因云南和外网无交流联网通道,因此振荡模式均为省内机群间振荡。混合联网方式下存在和云南相关的省区间振荡模式,即广西对云南、广东对云南两种模式。两种方式下主要相似频率振荡模式下,阻尼无明显差别。

3.5 纯直流联网方式下短路电流计算分析

对2015年丰大交直流混联运行方式和纯直流联网方式进行短路电流计算和对比分析。

1)云南电网各节点三相短路电流计算对比分析：分析2015年丰大交直流混联运行方式和纯直流联网方式下云南电网各节点三相短路电流,列出电流差最大的10个节点,按降序排列,结果如表6所示：

表6 纯直流联网方式下电流差最大的前10个节点短路电流计算结果

从表6对比结果可以看出,纯直流联网方式下,云南和广西无交流联系,云南地区发生短路时,南网不会贡献短路电流,尤其是和广西联系密切的滇东地区,短路电流降低明显。

2)天生桥地区各节点三相短路电流计算对比分析：分别对2015年丰大交直流混联运行方式和纯直流联网方式计算天生桥地区以及直流方式下罗平直流换流站两端短路电流,结果如表7所示：

表7 两种联网方式及罗平短路电流计算结果

从以上短路电流计算对比分析可以看出,两种联网方式下,云南内部的短路电流对比最明显：纯直流联网方式下的短路电流明显小于交直流混合联网方式,尤其是罗平附近地区,其中罗平的短路电流差达到16 kA。

4 结束语

本文以2015年为研究水平年,通过对比分析云南直流联网和交直流混合联网方案,总结如下：

1)交流输电网改成直流输电网在技术上是可行的,而且可以提高输电能力,降低传输损耗。

2)2015年云南电网交直流混联电网中发生直流闭锁主要是要功角稳定问题,改为直流联网时,主要问题变为高频问题。

3)对于交流线路N-2故障,直流联网模式下,滇西北地区切机量小于交直流混合联网模式。

4)直流联网方式下,小干扰分析,均为省区内部震荡模式,混合联网方式下含云南与相邻省之间震荡模式。

5)短路电力结果显示,在直流联网方式下,滇东地区短路电流和混合联网方式比,明显下降。

[1]张勇,徐光虎,余畅,等.云广±800 kV直流安全稳定控制方案研究 [J].南方电网技术,2010,4(004)：32-36.

[2]周保荣,金小明,吴小辰,等.溪洛渡,糯扎渡直流输电规模对南方电网安全稳定影响 [J].南方电网技术,2009,3(1)：7-11.

[3]吴俊,周剑,苏寅生,等.云广±800 kV直流双极运行模式研究 [J].南方电网技术,2010,4(004)：28-31.

[4]毛晓明,张尧,管霖,等.南方交直流混合电网区域振荡的协调控制策略 [J].电力系统自动化,2005,29(20)：55-59.

[5]詹奕,尹项根.高压直流输电与特高压交流输电的比较研究[J].高电压技术,2001,27(4)：44-46.

[6]李立浧.特高压直流输电的技术特点与工程应用 [J].电力设备,2006,7(3)：1-4.

[7]曾南超.高压直流输电在我国电网发展中的作用 [J].高电压技术,2004,30(11)：11-12.

[8]熊一权.直流输电的优点及交-直流改造的节能效果 [J].节能,2004,1：006.

[9]熊一权.高压交流输电线路改造为直流输电线路 [J].黑龙江电力技术,1993,15(4)：248-250.

[10]吴建坤,曹炜,杨文清.交流输电线路改造为直流输电线路的技术综述 [J].华东电力,2013(004)：737-740.

The Preliminary Reseach on the Possibility of Yunan Power System Interconnection by DC Transmission System

WU Chen1,ZHENG Yangbin2,LI Lingfang1,ZHANG Yuqiong1

(1.Yunnan Power Dispatching Control Center,Kunming 650011；2.Nanjing NR Electric Co.,Ltd.,Nanjing 211102)

In Yunnan power system,the xiluodu DC system and nuozhadu ultral DC transimission system is going to be on operated, in addition with the chusui ultral DC transimission system.At that time,there will be multi-DC system being operated at the same time.Strong DC system and weak AC system situation will be formed.It is a new challenge for the dispatch and operation of yunnan power system.This paper propose a DC transmission connected with external system mode,based on the AC-DC hybrid power system transmission problem.The possibility of interconnection with external system by DC transmission system is discussed through the comparison between DC system interconnection and AC-DC hybrid interconnection.

AC/DC hybrid system；stability analyze

TM73

B

1006-7345(2014)02-0015-05

2013-11-26

吴琛 (1974),女,硕士,高级工程师,云南电力调度控制中心,从事电网调度运行及管理工作 (e-mail)elfwu@21cn.com。