陕北-武汉特高压直流接入对湖北电网影响分析

王 莹，蔡德福，董 航，刘海光，曹 侃，余笑东

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

为提高陕北地区煤电基地外送能力及新能源消纳能力，提高资源开发效率，促进陕北革命老区的经济健康持续发展，同时满足华中地区日益增长的负荷需求，基于国家电网公司特高压发展战略[1]，湖北省电网“十三五”规划2020年建成陕北-武汉特高压直流输电工程。特高压接入省级电网后，会给受端电网短路电流、潮流、稳定等带来一系列影响[2-4]。陕北特高压直流采用分层接入方式，交直流系统间、两层受端系统间的交互影响更为突出[5]。因此，陕北-武汉特高压直流接入湖北电网的适应性有待评估。

本文介绍陕北-武汉特高压直流工程的基本情况，在此基础上，分析了工程投运对湖北电网的短路电流、潮流、暂态稳定的影响。

1 工程简介

陕北-武汉特高压直流输电工程规划于2020年建成投产，直流输电电压等级为±800 kV，输电规模为10000 MW。直流工程送电起点为陕西省榆林市陕北换流站，途径陕西、山西、河南、湖北4省，落点武汉换流站。直流线路长度约为1109 km。陕北—武汉特高压直流系统逆变站高、低端换流器通过换流变压器接入不同电压等级的受端电网[6]。受端武汉换流站接入系统方案为：武汉换流站拟采用1000 kV、500 kV分层接入湖北电网，其中1000 kV换流站与武汉1000 kV交流特高压合并建设；500 kV换流站通道4回线路接入湖北电网，分别为换流站至木兰2回、至大吉2回。武汉换流站1000 kV母线无功补偿总容量3360 Mvar；换流站500 kV母线无功补偿总容量为3360 Mvar。500 kV换流站主变低压侧加装6×60 Mvar低压电抗器；1000 kV变电站低压侧加装2组240 Mvar低压电抗器。

图1 陕北特高压直流受端换流站接入方案示意图Fig.1 The system transmission program of connecting Shanbei UHVDC converter station

2 短路电流分析

2.1 短路电流变化

在湖北全开机、全接线条件下，在PSASP中采用基于网络的方法进行500 kV母线三相金属性短路电流计算。

表1 特高压直流接入前后鄂东500 kV站点短路电流Tab.1 Short-circuit current of 500 kV stations in East Hubei when considering UHVDC connected to grid or not

由表1可知：在不采取任何短路电流控制措施的前提下，±1000 kV陕北-武汉特高压直流受端换流站高低端同时投产后，道观河、孝感、木兰、武汉4站的500 kV母线短路电流均超出开关遮断容量（63 kA）。其中500 kV木兰站具体支路电流变化如表2所示。

由表2可知，木兰站新增两条500 kV出线至武汉换流站，约提供9 kA的短路电流。武汉换流站1000 kV和500 kV母线各配置3360 Mvar无功补偿容量，同时特高压站接入电网后引起的鄂东500 kV电网结构进一步紧密是导致受端近区站点短路电流增长的主要原因。

表2 木兰500 kV支路短路电流变化Tab.2 Branch short-circuit current branch current of Mulan 500 kV Station

2.2 短路比

交直流系统间的相互影响作用的大小和相关稳定问题，很大程度上取决于交流系统短路容量与所连直流系统容量的相对大小，即短路比指标[7]。2020年丰大、丰小、枯大、枯小4个典型方式下，在PSASP短路计算模块中采用基于潮流的算法得到交流系统短路容量，高、低端换流器的直流输送功率均为5000 MW，计算得到的陕北～武汉直流高端及低端短路比均大于3，满足短路比要求。

表3 不同运行方式下陕北直流短路比Tab.3 Short circuit ratios in under different operating modes

表4 不同开机方式下陕北直流功率流向（单位：MW）Tab.4 Power flow of Shanbei UHVDC under different operation conditions of generators（Unit：MW）

3 潮流分析

3.1 典型方式潮流分析

陕北～武汉直流接入受入功率主要有以下3个流向：

（1）送往特高压荆门站；

（2）送往特高压南昌站；

（3）通过特高压主变下网和武汉换流站500 kV出线进入鄂东地区。

鄂东江北片区220 kV机组全开，鄂赣交换功率为0，鄂东机组500 kV全开机和全停机方式下，陕北直流功率流向如表4所示。

由表4可知，鄂赣交换功率为0，不同开机方式下，受入的特高压直流功率约有75%～88%进入鄂东地区。

3.2 第一、二级断面潮流疏散问题

陕北直流接入湖北电网直流功率疏散通道如图2所示。第一级疏散断面为武汉换流站的8回500 kV出线：至柏泉2回、至道观河2回、至木兰2回和至大吉2回。陕北-武汉特高压直流高、低端同时投运后，虽然需疏散功率增加到10 GW，但由于增加了特高压疏散通道，同时武汉换流站新建了2回接入500 kV大吉变，8回出线均采用4×630导线，第一断面无疏散压力。考虑大别山电厂、阳逻电厂满出力方式。对武汉特高压站近区线路进行N-1及同通道N-2校核，无潮流越限风险。

图2 陕北直流接入湖北电网后潮流疏散示意图Fig.2 Structure diagram of power flow evacuation when Shanbei UHVDC connected to Hubei grid

第二级疏散断面为军夏双回、吉鄂双回构成的过江断面。目前大负荷方式下过江断面常压极限运行。陕北直流投入后，过江断面由原来的“军夏双回+道吉双回”变成“军夏双回+吉鄂双回”。直流受入10000 MW，进入鄂东江北地区的功率最大可达8600 MW，其中约20～60%功率转移至过江断面，过江断面潮流易过载。由于过江断面跨越城区，很难建设新的输电通道，当鄂东江北500 kV全开机、鄂赣交换功率为0时，受过江断面制约，陕北直流受入能力为8000 MW。

陕北直流替代湖北不同地区1000 MW开机对过江断面潮流转移灵敏度如表5所示。

表5 陕北直流替代湖北不同地区1000 MW开机对过江断面潮流转移灵敏度（单位：MW）Tab.5 Flow transferring sensitivity of Shanbei UHVDC replacing of 1000 MW generators in Hubei（Unit：MW）

江北机组开机极小，若增加鄂东江北开机，虽然不同区域开机略有差异，但几乎都将100%甚至超过100%地挤占陕北直流的送出空间。

湖北受入陕北直流电力后，在湖北、湖南、江西开机降低的情况下，将在不同程度上加重过江断面的输电压力，断面压力有增无减。

3.3 电磁环网潮流穿越分析

（1）武汉～南昌、大吉-磁湖、亮城～石板路1000 kV/500 kV/220 kV电磁环网

武汉～南昌、大吉-磁湖、亮城～石板路1000 kV/500 kV/220 kV电磁环网结构示意图如图3所示。

500 kV大吉～鄂州N-2后，15%潮流转移至220 kV亮板线，亮板线易过载。

图3 吉鄂双回N-2后潮流转移示意图Fig.3 Power transferring diagram of Daji-Ezhou double-circuit lines N-2

为满足主变下网不越限，在黄石黄冈地区220 kV机组全开的情况下：鄂东江北500 kV机组全开时，受制于吉鄂N-2后亮板线过载，需控制陕武直流功率不超过4300 MW，若要满足陕北直流受入10000 MW的要求，鄂东江北500 kV机组需全停。

（2）玉贤～柏泉西500 kV/220 kV电磁环网

玉贤～柏泉西500 kV/220 kV电磁环网结构示意图如图4所示。500 kV玉孝双回N-2故障后，20%潮流转移至柏泉西主变下网，17%转移至泉舵双回，8%转移至锅舵线，泉舵线、锅舵线易过载。

图4 吉鄂双回N-2后潮流转移示意图Fig.4 Power transferring diagram of Xiaogan-Yuxian double-circuit lines N-2

由于玉贤～柏泉西电磁环网初始潮流与汉川三期机组开机方式密切相关，表6是汉川三期不同开机方式下受制于玉孝双回N-2故障后220 kV线路过载的陕北直流最大受电能力。

表6 陕北直流受电能力与玉贤～柏泉西电磁环网制约关系Tab.6 Accommodation capacity of Shanbei DC power constrained by Yuxian-Boquanxi electromagnetic loop

4 暂态稳定分析

特高压直流输电功率大，一旦发生故障，大量功率将转移至薄弱的特高压交流联络通道，易导致交流通道超过稳定极限引发连锁故障。湖北电网通过陕北直流受入大功率时，直流双极闭锁故障后不采取任何安控措施，由于华中电网大量功率缺额，可能造成长南线解列以及华中地区频率稳定和功角稳定问题。需综合考虑交直流系统输送功率安排，避免上述事故发生。图5是长南线南送5800 MW、陕武直流10000 MW的运行方式下陕北直流发生双极闭锁后不采取任何安控措施时的系统暂态响应。

图5 陕北直流双极闭锁仿真结果Fig.5 Simulation results of double pole block of Shanbei UHVDC

鉴于陕北直流功率与长南线输送功率存在耦合关系，经过仿真分析得到：在不考虑紧急控制措施的前提下，陕北直流功率5000 MW以下时，长南线南送功率与陕北—武汉直流功率之和不超过7600 MW；陕北直流功率5000-10000 MW时，长南线南送功率与陕北—武汉直流功率之和不超过6500 MW。

5 总结

陕北-武汉特高压直流输电工程投运对湖北电网运行特性产生了重要影响。短路电流方面，该工程投运后鄂东换流站近区500 kV短路电流水平增长难以控制；潮流方面，受制于湖北电网过江断面及电磁环网潮流穿越，无法满足直流满功率输送要求；暂态稳定方面，陕北直流输送功率与长南线输送功率耦合，直流大功率运行时直流双极闭锁可能引起功角及频率稳定问题。针对陕北-武汉特高压直流工程投运引起的湖北电网短路电流、潮流及稳定问题，建议尽快开展短路电流抑制措施、网架补强方案及安稳控制措施的研究。

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