渝鄂柔性直流背靠背联网工程对湖北电网运行特性的影响

蔡德福，周鲲鹏，董 航，刘海光，曹 侃

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

自1990年基于电压源换流器的高压直流输电概念首次提出以来，受到了国内外学术界和工程界的广泛关注。该输电技术以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础，具有有功和无功功率可独立控制、运行控制方式灵活多变、无换相失败风险、不存在无功补偿问题、可向无源网络供电、换流站间无需通信、易于构成多端直流系统及占地面积较少等优势，可应用于相同或不同额定频率交流系统的互联、可再生能源接入、城市负荷中心供电、向偏远地区或孤岛供电等领域[1]。

国际大电网会议和美国电气与电子工程师协会于2004年将其正式命名为“VSC-HVDC”（voltage source converter based high voltage direct current），ABB、Siemens和Alstom公司则将该输电技术分别命名为 HVDC Light、HVDC Plus和 HVDC MaxSine，在中国通常称之为柔性直流输电（HVDC Flexible）[2]。具有代表性的柔性直流输电工程包括[3-5]：1997年第一个VSC-HVDC的工业试验工程—Hellsjon工程投入运行，2010年采用模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的±200 kV/400 MW Trans⁃bay工程投入运行，2011年我国首个MMC示范工程±30 kV/20 MW上海南汇工程投入运行，2014年世界首个五端±200 kV/1 000 MW舟山MMC-HVDC工程投运。柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径，代表着直流输电的未来发展方向，已成为新一代智能电网的关键技术之一[6]。

国家电网公司规划于2018年建成投运渝鄂柔性直流背靠背联网工程（简称柔直工程）。该工程是国内第一个采用500 kV柔性直流联网的工程，总输送功率为5 000 MW，是目前世界范围内电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程。目前重庆电网与湖北电网通过4回500 kV交流线（500 kV九盘至龙泉I、II回线路，500 kV张家坝至恩施I、II回线路）联络，夏季丰水期一般为重庆往湖北输送约2 800 MW电力。柔直工程投运后，湖北电网将受进5 000 MW电力，湖北电网西电东送通道潮流加重，将加重三峡近区潮流疏散压力；此外湖北电网与重庆电网由同步联络变为异步联络，弱化了湖北电网与外部电网的电气联系，且华中东四省的转动惯量下降。该工程投运将对湖北电网的潮流和稳定特性等产生较大影响。研究该工程对湖北电网运行特性的影响，保证湖北电网的安全稳定运行具有重要实际意义。

本文在介绍柔直工程的基本情况基础上，详细分析柔直工程投运对湖北电网的潮流、短路电流、暂态稳定和频率特性的影响。

1 工程基本情况

为实现四川季节性水电的合理消纳，节省火电燃煤费用，充分发挥联络线输电能力，优化交流电网结构，提高电网运行可控性，降低电网安全稳定运行风险，有必要实施西南电网与华中东四省（包括湖北、河南、湖南、江西）电网异步联网。柔直工程的建设可以构建覆盖四川、重庆、西藏负荷中心和水电基地的西南送端同步电网，实现西南电网与华中东四省电网异步联网，如图1所示，还可以降低三峡近区电网短路电流水平。

图1 西南电网与华中东四省电网互联示意图Fig.1 Schematic diagram of the interconnection between southwest power grid and east four provinces power grid

该工程的换流单元采用对称单极接线，每站2个换流单元，每个换流单元1 250 MW，直流电压为±420 kV，均为世界第一。柔性直流换流阀采用半桥式模块化多电平方案，水冷方式，阀塔落地支持式安装，该工程基本情况如下。

1）北通道换流站（龙泉站站址）新建工程

北通道换流站（龙泉站站址）位于宜昌市夷陵区龙泉镇香烟寺村龙泉换流站西南侧。本期建设2个1 250 MW柔性直流背靠背换流单元，本期背靠背总规模为2 500 MW。

2）南通道换流站（杉树园站址）新建工程

南通道换流站（杉树园站址）位于恩施州咸丰县高乐山镇杉树园村。本期建设2个1 250 MW柔性直流背靠背换流单元，本期背靠背总规模为2 500 MW。

3）配套交流500 kV线路工程

(1）将500 kV九盘至龙泉I、II回线路π进拟建的北通道换流站（龙泉站站址），新建单回线路4.5 km。

(2）将500 kV张家坝至恩施I、II回线路π进拟建的南通道换流站（杉树园站址），新建同塔双回线路10.4 km。

2 工程投运对湖北电网运行特性影响

2.1 潮流

从丰大、丰小、枯大、枯小等四种典型方式分析柔直工程对湖北500 kV电网潮流分布的影响。

2018年夏季丰水期运行方式下，湖北电网受进西南电网电力由原来的2 800 MW增加到5 000 MW，湖北500 kV电网潮流仍呈现西电东送、三峡水电东、南、北三方向的输送格局，其中西电东送通道的潮流输送压力增大，三峡近区潮流疏散难度增大。冬季枯水期运行方式下，湖北将向西南电网输送3 000 MW电力，可减轻湖北省内西电东送通道的潮流输送压力。

2018年丰大方式，在通过柔直工程受进5 000 MW电力的情况下，500 kV龙斗三回线路输送电力约5 260 MW，越限情况严重；500 kV恩渔三回线路输送电力约3 030 MW，越限情况严重；同时500 kV渔兴三回线路输送电力约4 450 MW、500 kV兴咸三回线路输送电力约4 600 MW，较柔直工程投产前均有显著增加，断面潮流难以控制。受500 kV龙斗线输送功率增加以及鄂西北地区规划大型电源相继投产的影响，丰大方式下500 kV斗孝/斗山断面输送潮流已达2 890 MW，超2 800 MW控制限额。

2018年丰小方式，500 kV龙斗、斗樊、斗孝/斗山断面输送潮流较丰大方式略有提升，其中500 kV龙斗断面输电功率为5 260 MW、500 kV斗孝/斗山断面输电功率为2 990 MW。丰小方式因500 kV恩施变上网功率进一步增加，500 kV恩渔三回线路输送功率增至约3 500 MW，同时500 kV渔兴三回线路输送电力约4 950 MW，500 kV兴咸三回线路输送电力约5 160 MW，断面越限情况严重。应结合规划的500 kV恩施东变电站，新增鄂西南至鄂东的水电输电通道，以减轻三峡近区的潮流疏散压力。

2018年枯大方式，在通过柔直工程送出3 000 MW电力的情况下，湖北电网西电东送断面潮流较轻，其中500 kV斗孝/斗山断面输电功率约2 400 MW、500 kV兴咸断面输电功率为1 120 MW；500 kV龙斗断面、恩渔断面潮流与丰水期反向，分别为斗笠送龙泉250 MW、渔峡送恩施2 040 MW。

2018年枯小方式，湖北电网西电东送断面潮流、鄂东环网北电南送断面潮流均维持在较低水平，但若考虑湖南向湖北反送约1 700 MW电力，则存在500 kV江桃线故障、江兴线易过载的问题，需适当增加水布垭、江坪河电站出力，并控制湖南反送湖北功率。

2.2 短路电流

柔直工程投运后湖北各500 kV变电站500 kV母线短路电流均有不同程度的降低。表1列举了部分500 kV母线在柔直工程投运前后的短路电流。柔直工程投运使得湖北500 kV电网共有8个500 kV母线短路电流降低超过1 kA。湖北各500 kV变电站500 kV母线短路电流平均下降1.29 kA，鄂西片区（兴隆、双河、斗笠以西）各500 kV变电站500 kV母线短路电流平均下降2.17 kA，鄂东片区（咸宁、仙女山、孝感以东）各500 kV变电站500 kV母线短路电流平均下降0.18 kA，三峡近区（龙泉、斗笠、荆门、团林、江陵、仙桃、兴隆、安福、葛换、宜都、渔峡、孱陵）各500 kV变电站500 kV母线短路电流平均下降2.47 kA。

柔直工程投运后，湖北各220 kV母线短路电流均有不同程度的降低，全省各220 kV母线短路电流平均下降0.25 kA。由此可见，柔直工程的投运使西南电网与华中东四省电网呈异步互联格局，因渝鄂间交流通道的开断，西南电网不再向湖北电网贡献短路电流，因此湖北电网交流系统的短路电流水平普遍下降，下降幅度与短路点相对柔直工程落点的电气距离有关。

表1 湖北500 kV电网短路电流（单位：kA）Tab.1 Short-circuit current of Hubei 500 kV power grid(unit:kA)

2.3 暂态稳定

柔直工程投运前，湖北500 kV线路发生单一元件三相金属性接地短路故障时，本侧0.09 s对侧0.1 s切除故障能保持暂态稳定。在三峡电站、湖北境内水电大发的情况下，对湖北500 kV网架进行N-2扫描（包括同杆并架和同通道线路），除部分三峡电站外送线路、十樊双回线路故障外，其余500 kV线路N-2故障后系统均能保持稳定运行。三峡电站外送线路发生N-2故障时，系统失稳且相应线路严重过载，采取现有的切机措施可以解决。十樊双回线路同跳后系统失稳，采取现有的稳控措施切除部分水电机组后系统恢复稳定。

柔直工程投运后，湖北电网与重庆电网的交流通道开断，降低了华中东四省系统等值转动惯量，同时增加了湖北西电东送通道电力输送，湖北500 kV电网暂态稳定水平降低。500 kV渔兴通道、宜兴通道、兴咸通道、江兴线、渔宜线及龙斗通道任一回线路三相金属性接地短路故障时，系统暂态失稳。500 kV恩渔、咸凤、斗樊、荆斗、斗山通道任一回线路三相金属性接地短路故障时，三峡及鄂西机组功角摆动幅度大、衰减慢，母线电压波动大。图2为渔兴I回线路发生三相金属性接地短路故障跳单回线路时的发电机功角和母线电压曲线。

2.4 频率特性

柔直工程投运后，西南电网与华中东四省电网呈异步互联格局，渝鄂间交流通道的开断使得华中电网系统等值转动惯量降低，且对华中电网的负荷频率调节效应系数亦有影响。

图2 渔兴I回N-1故障时的发电机功角和母线电压曲线Fig.2 Generator power curve and bus voltage curve at Yuxing I line N-1 fault

柔直工程投产前，华中五省一市某典型方式的负荷水平如表2所示，总负荷为114 850 MW。不考虑发电机组的旋转备用，华中电网功率缺额4 150 MW时，华中电网频率最低为49 Hz；华中电网功率缺额3 820 MW时，华中电网频率最低为49.25 Hz。考虑发电机组的旋转备用，华中电网功率缺额5 970 MW时，华中电网频率最低为49 Hz；华中电网功率缺额4 950 MW时，华中电网频率最低为49.25 Hz。

表2 某典型方式下华中电网负荷水平（单位：MW）Tab.2 Load level of central China power grid at one typical operational mode(Unit:MW)

柔直工程投产后，华中东四省某典型方式的负荷水平如表3所示，总负荷为94 830 MW。不考虑发电机组的旋转备用，华中电网功率缺额3 150 MW时，华中电网频率最低为49 Hz；华中电网功率缺额2 650 MW时，华中电网频率最低为49.25 Hz。考虑发电机组的旋转备用，华中电网功率缺额5 100 MW时，华中电网频率最低为49 Hz；华中电网功率缺额4 500 MW时，华中电网频率最低为49.25 Hz。

表3 某典型方式下华中电网负荷水平（单位：MW）Tab.3 Load level of central China power grid at one typical operational mode(Unit:MW)

3 结语

渝鄂柔性直流背靠背联网工程投运对湖北电网运行特性产生了重要影响。该工程投运后，加重了丰水期湖北电网西电东送通道的潮流输送压力和三峡近区潮流疏散难度，容易导致500 kV龙斗三回线路、恩渔三回线路越限，渔兴三回线路、兴咸三回线路断面潮流难以控制。该工程使得湖北电网与重庆电网的交流通道开断，湖北电网交流系统的短路电流水平普遍下降，下降幅度与短路点相对柔直工程落点的电气距离有关。同时，该工程投运降低了湖北500 kV电网暂态稳定水平，部分500 kV通道发生N-1故障时存在发电机组失稳且缺少相应的稳定控制措施。华中电网由原来的五省一市同步电网变为华中东四省同步电网，系统总负荷和转动惯量有所下降，增加了小负荷情况下湖北电网低频动作风险。针对渝鄂柔性直流背靠背联网工程投运引起的湖北电网热稳定和暂态稳定问题，建议尽快研究相应的网架补强措施。

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