雅中—江西特高压直流消纳能力分析及提升措施研究

陈 波，熊华强，舒 展，李升健，程思萌

（国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

为满足清洁能源大规模送出、负荷中心电力可靠供应的需求，国家电网公司正大力发展远距离、大容量特高压直流输电技术[1-2]。随着江西社会经济快速发展，全省用电需求不断增长，为缓解省内电力供需矛盾，雅中—江西特高压直流输电工程（以下简称雅湖直流）于2019 年9 月正式开工建设，计划2021 年迎峰度夏前投运。雅湖直流分高低端接入江西电网负荷中心，额定输电功率800万kW。

江西电网位于华中电网东南末端，现通过3 回500 kV 鄂赣联络线与华中主网相联。雅湖直流投运后，江西电网电源组成、潮流分布、稳定特性等将发生重大变化。由于华中特高压交流环网工程进展缓慢，江西电网在未来较长时间内将处于单直流接入格局，呈现明显的“强直弱交”特性。一方面，在大直流功率注入方式下江西常规发电机组开机规模减少，动态无功支撑能力削弱，系统暂态电压稳定水平下降[3]；另一方面，直流换相失败过程中会从交流系统吸收大量无功，进一步加剧系统动态无功缺额[4]，从而严重影响直流功率的足额消纳。

为了提升弱受端电网电压稳定水平，通常在受端换流站配置大型调相机，该措施已在特高压直流输电工程中广泛应用并取得显著效果[5]。优化直流系统控制策略与控制参数，改善直流本体运行特性，可以有效降低换相失败风险[6]，提高交直流混联系统电压稳定特性。调整运行方式，使发电机组留有一定的旋转备用容量，也能有效提升系统动态无功支撑能力[7]。在发生故障系统电压持续降低时，采取直流功率速降、低压减载等紧急控制措施[8-9]也能最大程度降低电网电压失稳风险，但同时也会造成发电和负荷的损失。

文中从省级电网切实可行的操作层面出发，提出采用抽水蓄能机组空载调相和网源稳态调压优化的提升措施，充分挖掘电网内已有的动态无功资源，改善网源稳态无功补偿比例，无需增加巨额设备投资，通过预防控制手段，利用较小的调度代价来换取可观的电压稳定提升收益。

1 直流消纳能力计算

文中针对特高压交流环网投运前的过渡期，研究江西电网对直流功率的消纳能力。以江西电网2021年目标网架、电源规模和负荷水平为边界，最大负荷2 800万kW，平均大负荷和小负荷分别按0.75和0.43倍系统折算，采用50%感应电动机+50%恒定阻抗的负荷模型，考虑静态安全和暂态稳定两类约束开展消纳能力计算。基础消纳能力不计调相机接入，过渡期间直流最大输送功率为400 万kW，2021 年目标网架如图1所示。

图1 江西电网2021年目标网架

1.1 静态安全分析

雅湖直流投运后，直流功率主要在中部地区消纳，全网潮流特征为中部向南部、东部和西部疏散，其中南部受电较多。北部地区电力供应基本平衡。在大负荷方式下开展静态安全分析，分析内容包括：

1）全省500 kV 交流线或主变N-1、同杆并架和同通道双回线N-2潮流计算；

2）直流落点近区主变检修、直流外送断面关键送出线路检修方式下N-1潮流计算；

3）直流双极闭锁后潮流计算。

在鄂赣联络线结零时，全网无热稳定问题。当鄂赣联络线受电为210 万kW，直流满送400 万kW 发生双极闭锁，直流功率缺额将转移至鄂赣联络线，此时磁永线过热稳极限。江西电网交直流总受电能力为570万kW，如图2所示。

图2 江西电网交直流受电断面

由此可见，交直流系统受电通道存在耦合关系。仅考虑静态安全约束的情况下，制约雅湖直流功率消纳能力的主要因素是鄂赣联络线受电功率。当鄂赣联络线受电小于210 万kW，江西电网可以足额消纳400万kW直流功率。

1.2 暂态稳定分析

在大负荷、平均大负荷、小负荷三种典型负荷水平下开展暂态稳定校核，设置直流功率400万kW，校核内容主要包括：

1）全省500 kV 交流线、变压器N-1 三相永久性故障扫描；

2）同杆并架和同通道双回线N-2 三相永久性故障扫描；

3）雅湖直流单极、双极闭锁故障扫描。

直流输电400 万kW，鄂赣断面结零，直流单、双极闭锁无暂态稳定问题，而交流系统三永故障会导致系统电压失稳，失稳故障集如表1 所示。由此可见，直流接入后江西电网交流系统故障导致的电压稳定问题将成为直流功率消纳的主要瓶颈。

表1 暂态电压失稳故障集

1.3 调相机接入敏感性分析

南昌换流站两台同步调相机分别通过升压变接入高、低端场的500 kV 交流母线。高、低端场同步建设，同期投运，将分段开关合环运行，则单直流接入的过渡期间，两台调相机具备并列运行条件。以电压稳定问题最为突出的小负荷方式为例，在接入一台或两台调相机的情况下，直流消纳能力如表2所示。不难看出，两台调相机对直流消纳能力的提升效果比较明显，但是在发生N-2 严重故障时还是无法保障直流400万kW功率足额消纳。

表2 调相机对直流消纳能力的影响

2 电压稳定影响因素分析

2.1 直流因素

雅湖直流接入是导致江西电网产生电压稳定问题的直接诱因，其从有功和无功两个方面对受端电网电压稳定特性产生不利影响。有功方面，直流接入后替代了部分常规机组，使系统失去了这部分动态无功电源，在省间交流联络线功率一定的情况下，直流输送功率越多，则系统内常规机组开机数量越少；无功方面，特高压直流换流站配置了大量滤波电容进行无功补偿，电容器的无功补偿量会随着母线电压的急剧跌落而大量减少，交流故障扰动期间整个换流站需要从交流系统吸收大量无功功率，不利于受端电网电压的快速恢复。如果没有足够的动态无功支撑，会导致系统电压恢复缓慢，直流配套的滤波电容无功补偿功率缺额将一直存在，直流会持续从交流系统吸收无功功率，从而造成系统电压难以恢复甚至崩溃。

2.2 负荷因素

PSASP 中的负荷由感应电动机和恒定阻抗元件构成。其中感应电动机的电磁转矩与机端电压的平方成正比，交流系统电压跌落将导致电动机电磁转矩急剧减小，由于负荷机械转矩不变，则电动机转速将持续下降，转差率逐渐增大，负荷电流也将逐渐增大，电动机转子漏抗吸收的无功随之增大，从而加剧系统的无功缺额，不利于电压的恢复[10]。而恒定阻抗负荷中的无功部分与电压的平方成正比，故障后吸收的无功功率随电压的跌落显著降低，会减少对交流系统的无功需求，有利于电压的恢复。因此，感应电动机负荷占比越高，对系统电压稳定越不利。

2.3 稳态调压因素

受端交流电网的电压稳定水平与网侧和源侧稳态无功补偿比例直接相关[11]。网侧无功补偿资源主要包括变电站低容低抗、直流换流站滤波电容等，源侧无功补偿资源主要包括常规发电机、同步调相机等。如图3 所示，由电容器和发电机组的无功电压动态特性可知，当交流系统故障引起母线电压急剧跌落时，网侧电容器组暂态无功输出下降，源侧发电机或调相机暂态无功输出上升，如果稳态运行时电容器组无功补偿占比大，则故障时系统无功缺额更大，不利于电压恢复；若发电机或调相机无功补偿占比大，则故障时能够提供的无功支撑更多，有利于电压恢复。

图3 发电机与电容器的动态无功输出特性

3 消纳能力提升措施

上文从源、网、荷几方面分析了江西电网对雅湖直流功率消纳能力的影响。对于省级电网公司而言，直流输送功率大小、直流控制策略及参数整定等属于外部不可控因素；负荷构成及占比属于客观现实因素，只能作为消纳能力计算条件；而增加动态无功电源或者调整系统稳态无功调压方式等手段具备实施条件，以达到增强动态无功支撑水平，提升直流功率消纳能力的目的。下文将以电压稳定问题突出的小负荷方式为计算背景，分析不同措施的提升效果。

3.1 洪屏抽蓄机组空载调相运行

抽水蓄能机组具备四象限运行能力，可以实现无功出力的快速响应，且空载调相运行时水轮机组损耗小，全部损耗只占其额定容量的1.5%～2.5%[12]，是参与系统电压动态调节的优质资源。江西洪屏抽水蓄能电站2016 年建成投运，装机容量4×300 MW，通过500 kV 梦屏线接入梦山变。上文在计算直流功率消纳能力时，抽蓄机组均处于停运状态，如果将其运行在空载调相工况下，相当于直接增加了省内的动态无功电源数量，在故障引起电压跌落时能够提供更多的动态无功支撑，与同步调相机的作用类似。

洪屏抽蓄机组空载调相运行的台数不同，则对直流消纳能力的提升效果也不相同。在小负荷水平下，不考虑同步调相机接入，不同台数机组空载调相运行对直流功率消纳能力的提升效果如表3所示。

表3 抽蓄机组调相运行对直流消纳能力的影响

由表3 可知，抽蓄机组调相运行对于提升直流消纳能力能够起到一定的效果，当两台机组调相运行时，考虑N-1 制约直流消纳能力可提升至140 万kW，相当于一台同步调相机的效果；但随着机组调相运行台数的增加，提升收益逐渐减小，四台机组调相运行直流消纳能力最多提升至160 万kW。

抽蓄机组的动态无功支撑能力与机组本体设计参数、励磁控制系统、电网接入位置密切相关，由于抽蓄机组暂态、次暂态电抗相比同步调相机较大，且洪屏抽蓄电站离南昌换流站电气距离较远，因此抽蓄机组调相运行的难以达到同步调相机的提升效果。发生交流故障时，抽蓄机组与同步调相机的动态无功特性曲线如图4所示。

图4 调相机与抽蓄机组的动态无功输出曲线

3.2 改善网源稳态调压方式

由同步发电机和电容器/电抗器的动态无功输出特性可知，当交流系统故障引起母线电压急剧跌落时，发电机暂态无功输出上升，电容器暂态无功输出下降，电抗器暂态无功损耗下降。因此，对于发电厂和500 kV 变电站来说，发电机稳态无功补偿越多，电容器无功补偿越少，电抗器投入组数越多的情况下，系统电压稳定特性越好。文中通过改变500 kV 变电站低容抵抗投切方式，分析网源稳态调压对直流消纳能力的影响。

直流输电功率100 万kW，江西电网500 kV 母线电压普遍在525 kV 左右时，500 kV 变电站低容抵抗投切方式如表4 中的方式1 所示（表中“|”右侧数值为低容抵抗配置组数，左侧数值为低容抵抗投入组数）。表中方式2在方式1基础上减少1组低容、增加9组低抗；方式3 在方式2 基础上增加5 组低抗。三种方式下低容抵抗投切方式相同的500 kV 变电站不在表4中列出。

表4 江西电网部分500 kV变电站低容低抗投切情况

上述三种方式下，江西电网500 kV 母线电压和机组稳态无功出力分别如图5、图6所示。

图5 三种方式下厂站500 kV母线电压对比

图6 三种方式下发电机初始无功出力对比

由图5、图6 可知，方式1 系统电压水平最高，方式2系统电压水平次之，方式3系统电压水平最低，发电机初始无功出力则相反。

直流输电100 万kW，咸梦I 线梦侧发生三永故障，南昌站500 kV母线电压和新昌电厂1号机组无功功率分别如图7、图8 所示。由图7 可知，相同故障情况下，方式1 电压失稳，方式2和方式3 均能保持电压稳定，且方式3 下系统电压恢复速度更快，稳定性更好。

图7 三种方式下南昌站500 kV母线电压对比

图8 三种方式下新昌1号机组无功出力对比

上述三种方式系统均稳定在各自的无功电压平衡点下，电抗投入越多，可以理解为恒定阻抗的无功负荷比重越大，在电压跌落时系统无功缺额会更少，而由此增加的无功负荷由发电机增发稳态无功来补偿，不会像电容器恶化暂态电压稳定水平，从而更有利于系统电压恢复。

上述三种500 kV 变电站低容低抗投切方式下，不考虑同步调相机接入，江西电网对雅湖直流功率的消纳能力如表5所示。

表5 网源稳态调压方式对直流消纳能力的影响

由表5 可知，仅通过改变网源稳态调压方式对于提升直流消纳能力能起到一定效果，但对N-2故障很难提供足够的动态无功支撑。

3.3 组合措施

同步调相机作为特高压直流配套工程，其作用至关重要，系统正常运行时应该保证至少有一台调相机接入。由表3可知，小负荷方式下一台调相机接入时发生N-1故障或两台调相机接入时发生N-2故障，均不能保证400万kW直流功率足额消纳。若在投运调相机的基础上，进一步采取洪屏抽蓄机组空载调相运行或网源稳态调压优化，直流消纳能力的提升效果如表6所示。

表6 组合措施对直流消纳能力的影响

不难看出，将上述提升措施与调相机组合使用，可以起到更好的提升效果。雅湖直流输电400万kW，在两台调相机投运的情况下，配合两台抽蓄机组空载调相或者网源稳态调压优化，消纳能力不受N-2故障制约；即使只有一台调相机投运，相同的组合措施下，消纳能力也能不受N-1故障制约。

4 结语

1）江西电网对雅湖直流功率的消纳能力主要受电压稳定制约。全网负荷水平越高，省内开机数量越多，系统电压稳定性越好。直流输电400万kW，大负荷方式下无电压稳定问题；平均大负荷方式下存在N-2 故障失稳；小负荷方式下电压稳定裕度进一步降低，会出现N-1失稳问题。

2）同步调相机对于提升直流消纳能力效果明显，宜作为主要提升措施；洪屏抽蓄机组空载调相运行、网源稳态调压优化等手段也能起到一定的提升作用，宜作为辅助提升措施。主辅措施组合使用能起到更好的提升效果，两台调相机接入时能够有效应对N-2严重故障风险，保障400万kW直流功率足额消纳。

3）在电压稳定裕度相对低的峰值负荷时段，如果洪屏抽蓄机组处于闲置状态，建议调度部门指挥电厂开出至少2 台抽蓄机组使其处于空载调相运行状态，增加江西电网内的动态无功电源支撑点，提升电网暂态电压稳定水平。

4）网源稳态调压优化只需调整运行方式，无需新增硬件投资成本，后续将进一步开展江西电网AVC系统调压策略优化研究，在合理范围内优先使用发电机无功补偿容量，并努力实现提升措施的落地应用。

5）负荷模型会直接影响暂稳计算结果，建议加快开展江西电网负荷特性普查与建模工作，对于准确评估直流消纳能力及提升措施研究十分重要。