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1 特高压电网对福建电网安全稳定影响的研究 Influences of the UHV Grid on Security and Stability of Fujian Power System 林章岁, 张林垚 ( 福建省电力勘测设计院, 福建省福州市 ) ABSTRACT:The impacts of the UHV AC Grid and UHVDC system on Fujian power grid are analyzed in this paper.the security and stability of Fujian power grid and the interactions among the AC and DC system are studied under the signle/double faults of UHV AC transmission lines and monopolar/bipolar block faults of UHVDC system near UHVDC convertor ststion. Finally,the Influences of UHV grid on the short-circuit current and reactive compensation in Fujian power grid and the opening of electromagenetically coupled power loop of 1000kV and 500 kv are discussed. Keywords:UHV;Fujian power grid; Security and stability; Emergency control 学发展观 贯彻国家能源产业政策 促进我国电力工业和经济社会可持续健康发展的重大举措 根据国家电网特高压骨干网架总体规划,2015 年前后福建省内将建成福州 泉州两座 1000kV 交流特高压变电站,2020 年左右金沙江水电基地通过一回长约 2000 公里 ±800kV 直流特高压线路向福建送电 特高压电网进入福建以后, 必将对福建电网产生重大而深远的影响 其中, 有关对福建电网安全稳定运行可能产生的影响尤其值得关注 :(1) 交 直流特高压送电容量较大, 如直流特高压输电规模达到 6330MW, 因此, 特高压电网对福建电网安全稳定运行影响大 需要深入研究特高压接入福建电网以后, 交直流故障尤其是直流双极闭锁对福建电网安全稳定的影响及其控制措施 福建 500kV 网架 的适应性等 (2) 2020 年福建电网将形成交流特 摘要 : 分析了交 直流特高压电网对福建电网安全稳定的影响, 研究了及特高压交流电网 特高压直流系统发生故障时福建电网的安全稳定性以及受端换流站附近交流电网单一或严重故障对直流系统的影响及系统安全稳定水平 分析了特高压电网对福建电网短路电流和无功补偿的影响以及 1000kV/500kV 电磁环网的解环等问题 关键词 : 特高压 ; 福建电网 ; 安全稳定 ; 稳定措施 1 引言 高压与直流特高压网络并列运行, 使得福建电网交直流输电系统的响应和稳定性能会变得更加复杂 因此, 有必要研究交直流扰动下的交 直流并列运行系统的恢复情况和系统安全稳定性能 目前特高压输电还是一个新鲜事物 因此, 必须尽快开展特高压电网对福建电网安全稳定影响的研究, 及早谋划好安全稳定对策, 采取更加有效措施确保特高压电网出现后福建电网能够安全稳定运行 建设特高压电网是国家电网公司全面落实科

2 2 研究基础 2.1 计算电网采用 BPA 潮流稳定计算程序, 建立了包含全国 1000kV 交流特高压电网, 金沙江流域水电站至福建单回 ±800kV 直流输电系统的交直流系统机电暂态仿真模型, 研究水平年为 2020 年 为简化工作, 研究模型中, 除了保留福建 220kV~500kV 电网及其相联的周边电网 500kV 网架以外, 对其它各省市的 500kV 电网全部进行了简化等值, 仅保留其 1000kV 电网, 以减少模拟计算工作量 计算所采用的交直流特高压站接入福建电网的方案见图 1, 其中交流特高压落点有福州 泉州 2 个变电站, 直流特高压逆变站落点也暂按泉州地区考虑 另外, 福建与 福建的各区域 500kV 及以下电网进行简化等值 ( 仅保留 1000kV 电网 ) 具体方法如下: 将所要简化的电网等值为一台等值发电机 及一条等值线路, 如图 2 所示, 总负荷 其中 : P i M i M G = 1 G = M i L = S Gi 1 G Gi P L 为区域电网 式中 : 为各发电机升压变电抗标么值, 为区域内接入各级电网的发电机额定容量, 为各发电机动能 (MW* 秒 ) 浙江的 500kV 联络线按 4 回考虑 图 2 等值系统简化图 另外 d d d q 等参数用被简化系统内各发电机相应参数的并联平均值, 等值 T do T d T qo T q 时间常数 用被简化系统内 各发电机相应参数的加权平均值 上述等值方法被证明是比较简便 有效和可行的一种方法, 特别是对距离远的电网进行等值, 等值的效果和精度是可以接受的 [6] 2.3 发电机动态参数 " " E E d q 福建及华东电网发电机采用和变化 图 1 交直流特高压接入福建电网示意图 2.2 系统等值方法 根据国内外经验, 运用短路容量法对远离 模型进行模拟, 考虑励磁和调速系统作用 2.4 负荷模型 负荷模型采用包含频率特性的静态负荷模

3 型 其中福建电网负荷采用 60% 恒定阻抗,40 % 恒定功率模型 其余地区负荷模型则参见有 [5] 关文献 2.5 电压控制标准 根据有关方面提出的 1000 千伏级交流输电 系统最高运行电压选择的意见, 标称电压 1000kV 系统的最高运行电压应确定为 1100kV 为避免电网电压大幅波动, 潮流计算中正常运 行方式下 1000kV 电网主要节点电压控制在 1050kV 左右 500kV 电网电压根据实际运行情 况, 并且从运行调度灵活性考虑, 潮流计算中 正常运行方式下 500kV 电网主要节点电压控制 在 510~525kV 左右 2.6 直流输电系统参数 直流系统模型参数 : 直流系统运行方式为 定功率控制 以逆变站电压持续低于 0.7pu 的 时间超过 0.8s 作为直流欠压保护动作和直流 系统闭锁的判据 2.7 特高压输电规模 正常运行情况下, 乌东德水电站至福建单 回 ±800kV 直流输电系统输电规模 6330MW 赣 州至泉州 温州至福州 福州至泉州特高压交 流线路有功潮流 1000~2000MW 3 特高压电网对福建电网安全稳定影响的分析 3.1 特高压电网对福建电网潮流的影响 研究表明, 福建电网有交 直流特高压站 时各种方式下电网潮流基本合理 若福建电网无交流特高压站, 华东 ~ 福建 联络线输送潮流较大, 如果直流特高压故障停 运, 潮流计算结果显示因功率缺额 ( 约 6000MW) 而引起潮流分布变化过大, 仅依靠华东 ~ 福建联络线进行事故支援是不够的 由此不难看出, 特高压直流进入福建后, 沿海福州 ~ 莆田 ~ 泉州之间局部网架显得较为薄弱, 为了适应特高压直流建成以后福建电网安全稳定运行的需要, 需要加强 500kV 网架 3.2 直流特高压电网故障对福建电网安全稳定影响直流特高压送电容量较大, 其故障时对福建电网影响较大, 有必要分析在直流特高压故障对福建电网的安全稳定影响 没有交流特高压的情况在福建电网无交流特高压站情况下, 由于福建电网与华东电网间联络线交换能力很强, 当特高压直流发生单极闭锁 双极闭锁等严重故障时, 福建电网仍能保持稳定 直流双极闭锁将导致浙江 ~ 福建联络线以及福建沿海有些断面严重过载, 原因是直流双极闭锁引起福建电网功率缺额高达 6000MW 左右, 故障后华东电网通过联络线提供了支援而使福建电网潮流分布发生了巨大的变化 在无交流特高压电网情况下直流双极闭锁时, 福建 ~ 华东联网通道 沿海的莆田 ~ 泉州北 ( 大园 ) 等重要送电通道将严重过载, 其中莆田 ~ 泉州北 ( 大园 ) 双回线路最大输送功率达 6900MW 因此, 为应对直流双极闭锁故障, 福建电网一方面需要加强网架输电能力, 另一方面将需要辅以切负荷措施以避免发生连锁反应事故, 引起福建电网大面积停电 有交流特高压的情况在福建电网建成交流特高压站情况下, 由于福建电网与区外电网的联络得到加强, 当特高压直流发生单极闭锁 双极闭锁等严重故障

4 时, 福建电网均能保持稳定 与无交流特高压情况相比, 在有交流特高压电网情况下直流双极闭锁时, 主要潮流通过特高压线路输送, 福建 ~ 华东联网通道 莆田 ~ 泉州北等重要送电通道无过载 对比上述结果, 不难发现, 交流特高压电网有利于提高福建直流特高压故障后福建电网安全稳定性 3.3 交流特高压电网故障对福建电网安全稳定影响研究表明 : 福州 泉州两座交流特高压站相关出线单一 ( 三相永久性短路 ) 故障 甚至在三相永久性短路跳双回线等多重故障时, 福建电网仍能保持稳定 因此, 规划的福建电网网架具有较强的抗干扰能力 3.4 特高压电网对福建电网安全稳定水平的影响特高压电网对福建 500kV 电网稳定水平有何影响? 这是人们十分关心的一个问题 本文对特高压电网形成后福建 500kV 电网稳定水平进行分析, 并对有 无特高压情况下福建 500kV 电网稳定水平进行了对比 表 1 给出了有 无特高压电网对福建 500kV 电网三相短路临界切除时间 (cct) 影响的计算结果比较 可见, 仅有直流特高压而无交流特高压时系统稳定水平明显降低 ; 有了交直流特高压以后, 福建 500kV 电网三相短路临界切除 时间较无交直流特高压时有所降低, 但稳定水平仍能够满足导则规定要求 初步分析, 稳定水平降低的主要原因有二 : 一是特高压直接接入受端电网, 使得受端电网 规模 加大, 从而使其受端 惯性 加大, 福建 500kV 电网故障, 送端电源相对受端电网摇摆角必然加大, 因此稳定水平将有所下降 ; 二是特高压使得福建电网某些主要断面潮流显著加大, 从而导致稳定水平有所降低 3.5 特高压交流电网及福建 500kV 电网故障对直流特高压影响的初步分析通过对交流特高压线路及换流站附近 500kV 交流线路进行稳定校核 ( 图 3), 结果表明, 换流站附近的 500kV 电网发生三相短路都会引起泉州直流特高压逆变站发生换相失败, 但在故障切除后直流线路都能快速恢复正常, 虽然扰动过程中系统电压波动幅度较大, 但整个电力系统尚能保持安全稳定运行 另外, 直流特高压逆变站附近的特高压交流电网故障也会引起泉州直流特高压逆变站发生换相失败, 但在故障切除后直流线路能快速恢复正常, 不会引起直流系统持续闭锁 但同时我们也看到, 直流特高压站附近的重载 500kV 线路故障有可能引起直流系统连续的换相失败, 直流输送功率短时跌落至 10% 额定功率以下, 需要采取措施 ( 如增加无功补偿 切机 切负荷等 ) 加以避免 表 年高峰方式特高压对福建 500kV 电网故障稳定影响 故障线路 ( 故障均在首端 ) 临界切除时间 (cct)/s 故障类型首端末端无交直流特高压仅直流特高压有交直流特高压 泉港 惠安 三相短路 连江 丽水 三相短路 福西 东台 三相短路

5 图 3 厦门 ~ 杏林线路三相短路跳双回故障稳定曲线 ( 故障前该线路输送容量 MW) 4 特高压电网对福建电网短路电流的影响 随着主网架不断加强, 福建沿海地区电网 短路电流越来越大 为控制远景福建电网短路 电流水平, 拟采取多种措施, 包括 : 调整和优 化电网结构 ( 主要有简化 500kV 电网接线 采用 大截面导线以适当减少网络的紧密程度 适当 加大重负荷区的环网 500kV/220kV 电网解环运 行 ) 采用母线分裂运行 采用高阻抗变压器 加装变压器中性点小电抗等措施限制短路电 流 计算结果表明, 特高压电网接入以后, 通 过采取措施, 到 2025 年福州 泉州特高压站 1000kV 侧三相短路电流均可以控制在 50kA 左 右 ; 各 500kV 母线三相短路电流均可以控制在 60kA 以内 5 特高压电网对福建电网无功补偿的影响 (1) 交流特高压线路对无功补偿影响 按照无功分层平衡的原则, 特高压线路充 电功率大, 其单位长度充电功率是 500kV 线路 的 4~6 倍, 需要采用高 低压电抗器进行 100 % 补偿 特高压电网输送功率大, 在受电较多 时需将大量功率送向负荷中心, 从而加大了 500kV 电网无功损耗 ; 然而特高压电网在投运初 期输送功率往往不大 线路充电功率较大 因 此, 福建电网还需要配置一定的感性和容性无 功设备, 以满足交流特高压变电站接入电网的 需要 (2) 直流特高压的无功补偿 泉州直流站为逆变站, 其消耗无功约为输 送有功容量的 60%, 所需容性无功一般考虑全 部自补偿 为了配合直流站安全运行和提高直 流站接入后电网无功电压调控能力和受端电网 电压稳定性, 预计需要在泉州 厦门受端电网 适当增加电容器和电抗器配置 具体建议留待 今后工程设计中进一步论证 6 特高压电网对电网结构的影响与电磁环网解环 特高压电网联结了福州 泉州两大负荷中 心和省外其它电网主要负荷中心, 特高压变电 站既是区域电网中的重要枢纽点, 又是大电源 点 对福建电网而言, 通过特高压变电站直接 向负荷中心供电, 可避免负荷中心之间功率大

6 规模转送, 从而提高电网的供电可靠性及安全稳定水平 特高压电网的出现还为福建沿海地区电网的短路电流控制创造了有利条件, 依托特高压变电站区域电网可实施分片运行 特高压给福建电网结构带来的一个不利影响是形成了 1000kV/500kV 电磁环网 特高压电网建设初期在福建电网构成的电磁环网主要有两个 : 即福州特 - 泉州特环网和福州特 - 温州特 - 金华特环网 据分析, 特高压电网形成初期上述线路输送潮流不大, 因此特高压线路故障情况下, 电磁环网内的潮流转移不大, 特高压线路 N-1 故障时, 不会引起 500kV 线路严重过载, 稳定问题不严重 如果上述线路输送的潮流较大, 为避免事故情况下大范围潮流转移带来的稳定问题, 建议在短路电流水平允许的情况下, 保持华东 500kV 电网与福建 500kV 主网之间强联系 随着特高压电网的加强和完善, 再考虑逐步削弱乃至打开华东电网与福建主网之间的 500kV 联系 另外, 可以根据特高压电网发展, 适时打开福州特 ~ 泉州特之间的 500kV 联系 7 结论 (1) 潮流计算表明, 为了适应特高压电网建成以后福建电网安全稳定运行的需要, 沿海局部 500kV 电网网架仍需予以加强 (2) 分析了交 直流特高压电网故障对福建电网安全稳定的影响 结果表明 : 大容量直流输电系统单极 / 双极闭锁后主要问题是引起局 变站发生换相失败, 但在故障切除后直流系统 能快速恢复正常, 不会引起直流系统持续闭锁 但直流特高压站附近的重载 500kV 线路故障有 可能引起直流系统连续的换相失败, 需要采取 相应措施加以避免 (4) 特高压电网接入以后, 通过采取措施, 远景福州 泉州特高压站 1000kV 侧三相短路电 流均可以控制在 50kA 左右 ; 各 500kV 母线三相 短路电流均可以控制在 60kA 以内 特高压电网 对福建电网无功平衡有影响, 需要予以重视 (5) 仍需进一步研究探讨特高压电网形成 后系统动态稳定问题及其对福建电网安全稳定 的影响和对策 参考文献 1. 刘振亚. 特高压直流输电技术研究成果专辑 (2005) M. 北京 : 中国电力出版社, 刘振亚. 特高压电网 M. 北京 : 中国经济出版社, 徐政. 交直流电力系统动态行为分析 M. 北京 : 机械工业出版社, ( 加 )PRABHA KUNDUR. 电力系统稳定与控制 M. 北京 : 中国电力出版社, 福建省电力勘测设计院. 福建电网与国家特高压电网衔接的初步研究 [R]. 福州 : 福建省电力勘测设计院,2007. 作者简介 : 林章岁, 男,1964 年出生, 工学硕士, 高级工程师, 国家注册咨询工程师, 国家注册电气工程师 现任福建省电力设计院副总工 长期从事电网规划设计工作 张林垚, 男,1980 年出生, 工学硕士, 助工, 从事电网规划设计工作 部 500kV 网架过载 ; 交流特高压线路单一乃至个别多重故障情况下福建电网均能保持稳定运行 福建电网具有较大的抗扰动能力 (3) 研究表明, 换流站附近的特高压交流电网以及 500kV 电网发生三相短路会引起直流逆

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