晋北—南京直流特高压工程安全稳定性分析研究

郑惠萍，刘新元，曲 莹

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

晋北—南京直流特高压工程安全稳定性分析研究

郑惠萍，刘新元，曲 莹

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

晋北—南京直流特高压工程投产后，山西电网结构发生了重大变化，从电网静态安全、短路比、暂态安全稳定及暂态过电压等方面分析了交直流系统相互作用下山西电网的稳定特性，为山西电网的稳定运行提供了理论依据。配套电源投产后，晋北直流特高压送电8 000MW，晋北换流站运行设备无过载现象，满足运行控制要求。

静态安全；短路比；暂态安全；过电压

0 引言

随着国民经济的稳步增长和工业水平的不断提高，由于能源分布与电力需求的不平衡，我国电力系统进入大规模远距离高压输电的新时代[1-2]。与交流输电相比，高压直流输电技术具有大容量远距离输电、传输功率快速可控等特点，因此，世界各国电力系统广泛应用。作为“西电东送、北电南供”的重要工程，山西晋北—南京±800 kV特高压直流输电工程将促进山西能源基地开发与能源外送，扩大新能源消纳范围，满足华东地区的用电需求[3]。山西电网作为直流送端，保障其安全稳定运行对整个电网的重要性不言而喻。

1 山西电网分析基础网络

山西电网通过1 000 kV长治—南阳—荆门特高压线路与华中电网联络，与华北电网通过九回500 kV线路连接。晋北交流特高压、晋中交流特高压、晋北直流特高压建成后，晋北、晋中交流特高压不落地，晋北直流特高压通过三回500 kV线路与平鲁500 kV变电站相连。考虑晋北地区电源送出需求，晋北—南京直流满送8000MW，直流配套电源安太堡、木瓜界、神泉二期机组装机容量4 020 MW，平鲁—晋北换流站三回 500 kV线路输送功率4 160 MW，平鲁地区风电上网1 460 MW。

2 山西电网晋北直流近区500 kV静态安全分析

对晋北—南京直流晋北换流站近区500 kV线路进行静态安全N-1分析，分析结果如表1所示。静态安全晋北换—平鲁单回线路热稳极限按4 100MW考虑，其余单回线路热稳极限按2 600MW考虑。

由表1可知，晋北换流站近区500 kV线路发生N-1故障后，运行线路无过载现象，满足运行控制要求。

对晋北换流站附近500 kV变压器进行静态N-1安全分析，分析结果如表2所示。

由表2可知，晋北换流站近区500 kV五寨变压器发生N-1故障后，另1台变压器无过载现象；500 kV平鲁和雁同变压器发生N-1故障后，另1台变压器满载运行；均满足运行控制要求。

表1 晋北换流站附近500 kV线路静态N-1安全分析结果

表2 晋北换流站附近500 kV变压器静态安全分析结果

3 直流投运下短路比分析

直流满送8 000 MW，考虑全接线方式、近区500 kV线路检修方式及近区部分电源未配套投产，晋北换流站有效短路比计算结果如表3所示。

表3 不同网架结构下晋北换流站有效短路比

全接线、机组全投产方式，晋北换流站短路比4.19，有效短路比3.69，满足运行控制要求；平鲁—雁同一回线检修、机组全投产方式，晋北换流站有效短路比为3.12，满足运行控制要求；平鲁—雁同一回线检修、机组投产3 670MW方式，晋北换流站有效短路比为3.01，满足运行控制要求；平鲁—雁同一回线检修、机组投产3 320MW方式，晋北换流站有效短路比为2.93，不满足运行控制要求。

表4 不同电源投产下晋北换流站有效短路比

由表4可知，安太堡投产方式下晋北换流站短路比3.20，有效短路比2.70，不满足运行控制要求；木瓜界投产方式下晋北换流站短路比3.35，有效短路比2.85，不满足运行控制要求；神泉二期投产方式下晋北换流站短路比3.59，有效短路比3.09，满足运行控制要求；安太堡与木瓜界投产方式下晋北换流站短路比3.52，有效短路比3.02，满足运行控制要求；配套电源全投方式下晋北换流站短路比4.19，有效短路比3.69，满足运行控制要求。

4 直流投运下近区电网暂态安全稳定性分析

考虑长治—南阳特高压线（以下简称“长南线”）不同南送功率、近区配套电源全投情况下严重故障稳定性，长南线考虑工况：南送5 800 MW、南送4 000 MW、南送2 000 MW。

4.1 长南线南送5 800 MW下晋北直流近区电网安全稳定分析

直流满送8 000 MW、近区机组全开正常方式下，直流近区交流线路单一故障均能保持稳定。该方式下严重故障稳定计算结果如表5所示。

表5 直流满送8 000 MW、近区机组全开正常方式下严重故障稳定计算

由表5可以看出，除直流闭锁故障不能保持稳定外，其余故障均能保持稳定。直流单极闭锁，系统稳定破坏，联切1 660 MW机组（神泉二期+木瓜各1台），系统稳定。

4.2 长南线南送4 000 MW下晋北直流近区电网安全稳定分析

直流满送8 000 MW方式下，直流近区配套电源大开机安排电源，即神泉二期、木瓜、安太机组全开，共计4 020 MW，长南线南送4 000 MW，直流双极闭锁故障，系统稳定破坏，华北相对华中暂态失稳，振荡中心在长南特高压线上；切除晋北换流站近区电源3 320 MW，系统能保持稳定。

4.3 长南线南送2 000 MW下晋北直流近区电网安全稳定分析

直流满送8 000 MW方式下，直流近区配套电源大开机安排电源，即神泉二期、木瓜、安太机组全开，共计4 020 MW，长南线南送2 000 MW，直流双极闭锁故障，系统能保持稳定。

5 直流投运下近区电网暂态过电压分析

5.1 直流近区大开机方式

当直流系统发生双极故障下，直流换流站滤波器若不能及时切除，系统将产生大量冗余无功导致其过电压问题，因此需校核直流故障下不切除滤波器时系统暂态过电压情况，直流满送8 000 MW方式下，直流近区配套电源大开机安排电源，即神泉二期、木瓜、安太机组全开，共计4 020 MW，分析直流直流双极故障暂态过程中晋北换流站母线电压、平鲁母线电压、风机机端电压变化情况，评估其暂态过电压风险。

晋北直流输送功率8 000 MW时，发生双极闭锁故障，华北相对华中暂态失稳，振荡中心在长南特高压线上，切除晋北换流站近区电源5 220 MW，系统能保持稳定。仿真采用晋北直流0周波发生双极闭锁故障，15周波切机，考虑滤波器投切两种方式：不切除滤波器和5周波切滤波器，大开机方式直流双极闭锁故障后，晋北换流站电压最高。若滤波器未及时切除，晋北换流站由于冗余的无功导致其暂时过电压标幺值达到1.18，稳态电压标幺值达到1.15；若滤波器及时切除，稳态电压标幺值为1.0。

5.2 直流近区小开机方式

当直流系统发生单极/双极故障下，直流换流站滤波器若不能及时切除，系统将产生大量冗余无功导致其过电压问题，因此，需校核直流故障下不切除滤波器时系统暂态过电压情况，直流满送8 000 MW方式下，为考虑暂态过电压最严重工况，直流近区配套电源按最小开机安排电源，即神泉二期、木瓜、安太各开一台机组，共约2 000 MW、平鲁风电开少量下，分析直流直流双极故障暂态过程中晋北换流站母线电压、平鲁母线电压、风机机端电压变化情况，评估其暂态过电压风险。

晋北直流输送功率8 000 MW时，发生双极闭锁故障，华北相对华中暂态失稳，振荡中心在长南特高压线上，切除晋北换流站近区电源5 480 MW，系统能保持稳定。仿真采用晋北直流0周波发生双极闭锁故障（不切除滤波器），15周波切机，小开机方式，直流双极闭锁故障后，晋北换流站电压最高。若滤波器未及时切除，晋北换流站由于冗余的无功导致其暂时过电压标幺值达到1.21，稳态电压标幺值达到1.17；若滤波器及时切除，稳态电压标幺值为1.0。

综上所述：直流双极故障下，晋北换流站电压最高，近区厂站过电压保护均不会动作。

6 结论

a)配套电源投产后，晋北直流特高压送电8 000MW，晋北换流站近区500 kV线路及变压器发生N-1故障，运行设备无过载现象，满足运行控制要求。

b)晋北直流特高压送电8 000 MW，受晋北换流站短路比的制约，近区配套电源需至少投产3 670 MW；受平鲁—晋北500 kV线路N-1热稳限制，平鲁—晋北一回线路检修方式，近区配套电源4 020 MW需全部投产。

c)晋北直流送电8 000 MW，长南线南送5 800 MW，直流发生双极闭锁故障，系统失稳，需联切直流近区5 820 MW机组，系统保持稳定；长南线南送功率下降至2 000 MW，直流发生双极闭锁故障后，系统可保持稳定。

d)晋北直流送电8 000 MW，直流发生双极闭锁故障，晋北换流站电压最高；若滤波器未及时切除，稳态电压标幺值最高为1.17；若滤波器及时切除，稳态电压标幺值为1.0；近区厂站过电压保护均不会动作。

[1]M.Ponnavaikko，K.S.Praka sa Rao.Optimal Di stribution System Planning[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and System，1981，10(6)：2969-2977.

[2]孙洪波.电力网络规划 [M].重庆大学出版社，1996：9-11.

[3]王锡凡.电力系统优化规划 [M].水利电力出版社，1990：78-95.

Safety and Stability Analysis of Jinbei-Nanjing DC UHV Project

ZHENG Huiping,LIU Xinyuan,QU Ying

（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

After Jinbei-Nanjing DCUHV project is put into operation,Shanxipower grid structure has changed significantly.This paperanalyzes the stability ofShanxipowergrid under the interaction ofACand DC systems from thegrid static security,shortcircuit ratio, transient safety and transient overvoltage,which provides a theoretical basis for the stable operation of Shanxi Power Grid.After the matching power source is put into operation,the transmission of power load from JinbeiDCUHV has reached 8 000MW and no overload phenomenon occurred atconverterstation.

static safety;shortcircuit ratio;transientsafety;overvoltage

TM71

A

1671-0320（2016）06-0001-04

2016-05-13，

2016-07-22

郑惠萍（1972），女，湖北当阳人，1993年毕业于太原理工大学电力系统自动化专业，高级工程师，从事电力系统分析研究工作；

刘新元（1986），男，山西汾阳人，2011年毕业于华北电力大学电力系统自动化专业，工程师，从事电力系统分析研究工作；

曲 莹（1988），女，山西侯马人，2012年毕业于太原理工大学电力系统自动化专业，工程师，从事电力系统分析研究工作。