烏東德多端直流輸電工程接入廣東電網(wǎng)的研究

烏東德多端直流輸電工程接入廣東電網(wǎng)的研究

1廣東側換流站圖1顯示了烏東部多個直流電壓工程的輸電圖。電壓800kv，云南輸電壓8gw，廣東和廣東輸入電壓5gw。直流線路全長1489km,其中云南至廣西、廣西至廣東段分別為932km和557km。規(guī)劃于2019年形成部分送電能力,2020年全部投產(chǎn)烏東德直流工程采用并聯(lián)接線方式,每極為雙12脈動閥組串聯(lián)。烏東德直流饋入前,廣東已通過9回直流饋入“西電”約3.2GW,且落點集中于珠江三角洲區(qū)域,多直流同時換相失敗、交直流交互影響問題突出,嚴重威脅廣東電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。在此背景下,廣東側換流站采用電網(wǎng)換相換流器(linecommutatedconverter,LCC)將進一步加深廣東電網(wǎng)交直流交互影響問題和風險,降低系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平,威脅自身及已有直流系統(tǒng)的安全運行。不同于LCC,電壓源換流器(voltagesourceconverter,VSC)不存在換相失敗的問題,而且在系統(tǒng)電壓異常時,不僅不會吸收交流系統(tǒng)無功功率,還能迅速反應向交流系統(tǒng)提供一定容量的無功支援以就近消納為原則,兼顧工程建設可行性,廣東側換流站規(guī)劃建于惠州龍門,電力送至東莞電網(wǎng)消納。換流站500kV交流出線6回,其中至500kV博羅、從西、水鄉(xiāng)變電站各2回,如圖2所示。2關于研究2.1基本條件以2020年作為研究水平年,并根據(jù)南方電網(wǎng)、廣東電網(wǎng)相關規(guī)劃成果搭建仿真數(shù)據(jù)。按規(guī)劃2.1.1動態(tài)無功能力計算采用BPA機電暫態(tài)程序,仿真范圍包括南方區(qū)域220kV及以上電壓等級電網(wǎng),主網(wǎng)架運行接線參照調(diào)度部門發(fā)布成果a)廣東側換流站、東西區(qū)異步互聯(lián)背靠背VSC分別按額定送電條件下提供20%和30%動態(tài)無功能力考慮;b)計算采用50%恒阻抗+50%電動機的綜合負荷模型;c)廣東電網(wǎng)饋入直流不啟用頻率限制控制器(frequencylimitcontroller,FLC)功能;d)考慮發(fā)電機組調(diào)速器作用。2.1.2電壓需求持續(xù)下降,但動態(tài)積分值持續(xù)較低,且動態(tài)適合及以1010計算中采用的穩(wěn)定判據(jù)是a)同步系統(tǒng)內(nèi)各機組之間的功角在經(jīng)過第一、第二振蕩周期不失步,作同步衰減振蕩。b)系統(tǒng)電壓中樞點母線電壓下降持續(xù)低于限定值(取標幺值0.75)的時間不超過0.1s,且動態(tài)平息后220kV及以上電壓等級中樞點母線電壓的標幺值不低于0.9。c)任何時刻頻率低于51.5Hz、高于47.5Hz,且事故后系統(tǒng)頻率能夠迅速恢復到49.2~50.5Hz。2.2烏東合直流工程對廣東電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響為解決發(fā)展過程中面臨的短路電流控制困難、多直流交互影響嚴重、大面積停電風險突出三大問題,廣東500kV電網(wǎng)逐漸由現(xiàn)有的“內(nèi)外雙環(huán)”結構轉變?yōu)椤皷|西組團”模式考慮到異步聯(lián)網(wǎng)工程實施對廣東電網(wǎng)特性的顯著影響,且烏東德直流工程廣東落點位于異步斷面周邊,分為交流、異步聯(lián)網(wǎng)兩類條件,分別研究烏東德直流接入對廣東電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響?；?020年夏季豐水期大運行(以下簡稱“夏豐大”)方式,對交流、異步聯(lián)網(wǎng)兩類條件,分別設置以下研究場景:a)場景1。不考慮烏東德直流接入,廣東省內(nèi)冷、熱備用分別留取8.07GW和10.04GW(均在發(fā)電側),為夏豐大方式負荷的6.4%和8%,滿足相關技術規(guī)定b)場景2。考慮烏東德直流接入,為保持電力平衡,在場景1基礎上,廣東省內(nèi)增加冷備用5GW。c)場景3?？紤]烏東德直流接入,廣東省內(nèi)機組開停機與場景1一致,增加旋轉備用5GW,備用率達11.6%。場景2、場景3中新增備用均由廣東東區(qū)電網(wǎng)機組承擔。3網(wǎng)絡模式下的安全穩(wěn)定影響3.1烏東—電力流向及潮流分析烏東德直流接入前,珠江三角洲東北部電網(wǎng)電力流向總體呈由東向西的格局。烏東德直流落入惠州龍門后,珠三角東北部電網(wǎng)由北向南電力轉移規(guī)模明顯增加,部分通道還共同承擔云廣及三廣直流電力送出。其中,烏東德直流大部分功率通過廣東側換流站—水鄉(xiāng)—莞城和廣東側換流站—博羅—橫瀝—縱江通道輸送及分配,如圖4所示。正常方式、“N-1”方式下,潮流分布合理,且留有一定裕度。同塔“N-2”故障方式下,穗東—橫瀝的通道接近滿載:廣東側換流站—博羅、穗東—橫瀝及水鄉(xiāng)—莞城3個通道共同承擔烏東德直流和云廣直流的電力送出,通道故障下潮流轉移導致其余通道重、過載。相關通道潮流分布見表1。烏東德直流饋入廣東東、西區(qū)交界處,對東、西區(qū)電網(wǎng)交換能力有較大影響。在由西向東交換電力規(guī)模增大過程中,穗東—橫瀝、穗東—水鄉(xiāng)等通道潮流進一步加重。在烏東德、三廣、云廣3回直流額定送電方式下,東、西斷面交換能力受限于廣州、東莞內(nèi)部線路,輸電極限容量下降約40%。烏東德直流接入前后廣東東、西區(qū)電網(wǎng)交換能力見表2。3.2部分網(wǎng)點設計跳通在烏東德直流工程中,換流站破口現(xiàn)有東、西區(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡從西—博羅線路,同時,在部分站點實施跳通。接入后周邊500kV站點短路電流普遍下降,見表3。500kV博羅變電站三相短路電路仍超過開關遮斷容量63kA,采用“4+4”分廠運行措施后,近區(qū)電網(wǎng)短路電流低于60kA。3.3東、西北兩大通道單一直流發(fā)生單極、雙極閉鎖故障,廣東受端電網(wǎng)均能保持穩(wěn)定,其中5GW直流(云廣直流)雙極閉鎖。系統(tǒng)響應情況如圖5至圖8所示,其中圖5縱坐標的功角指貴州發(fā)耳電廠與廣東深圳蓄能電廠相對功角,圖6(a)的“兩廣”交流斷面由桂林—賢令山雙回、賀州—羅洞雙回、梧州—臥龍雙回、玉林—茂名雙回構成,圖6(b)的東、西區(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡斷面由北郊—增城雙回、從西—博羅(換流站)雙回構成。仿真表明,云廣直流雙極閉鎖時,廣東西區(qū)電網(wǎng)向東區(qū)潮流由初始0.80GW增加到約5GW,同時,廣西、貴州向廣東電力支援功率也明顯上升。在這一過程中,廣東內(nèi)環(huán)網(wǎng)潮流加重,但均不過載,其中,北郊—增城通道最大負載率約87%。南方區(qū)域同步網(wǎng)范圍內(nèi)(廣東、貴州、廣西)最大發(fā)電機功角差為貴州發(fā)耳電廠與廣東深圳蓄能電廠間的功角差,在第一搖擺后能夠保持穩(wěn)定。故障近區(qū)變電站母線電壓波動較小且均能較快恢復。3.4烏東東方直流接入后近區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性分析夏豐大方式,近區(qū)交流電網(wǎng)發(fā)生“N-1”、單相短路中開關拒動類型故障,系統(tǒng)均可保持穩(wěn)定。部分“N-2”、三相短路中開關拒動故障存在失穩(wěn),見表4、表5。對比場景1—3仿真結果,可得出以下結論:a)珠江三角洲西北部電網(wǎng)穩(wěn)定性水平有一定程度的提高。烏東德直流電力主要通過惠州及東莞電網(wǎng)線路送出,對珠江三角洲西北部潮流影響較小,而配套交流送出工程在部分站點實施跳通工程后,近區(qū)電網(wǎng)運行上不需再采取線路出串運行措施,網(wǎng)架完整性較好。此外,VSC在近區(qū)系統(tǒng)電壓恢復時提供一定容量的動態(tài)無功支援,可進一步改善珠江三角洲西北區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性。b)對于珠江三角洲東北部電網(wǎng),雖然故障恢復中VSC也可提供無功支撐,但烏東德直流接入后東北部電網(wǎng)輸電潮流明顯加重,若東區(qū)停機數(shù)量增加(場景2),同等故障下系統(tǒng)恢復能力差于場景1,尤其是東莞中南部地區(qū);若保持較高的旋轉備用水平(場景3),恢復能力提高,如圖9所示。但總體來看,烏東德直流接入不會導致“N-1”“N-2”、單相短路中開關拒動、三相短路中開關拒動4種故障范圍內(nèi)明顯的穩(wěn)定性差異。c)珠江三角洲東南部穩(wěn)定性主要受開機方式的影響。場景2由于深圳本地停機數(shù)量增加,同等故障下系統(tǒng)恢復水平下降。而場景3中,相對場景1保持廣東省內(nèi)開停機方式不變,東區(qū)電網(wǎng)機組留取的旋轉備用容量較大,故障方式下機組動態(tài)無功支撐性能更好4遠程網(wǎng)絡模式下的安全穩(wěn)定影響4.1穗東—烏東德直流電力送出情況中通道電壓源高壓直流功率零交換運行方式下,近區(qū)電網(wǎng)潮流計算結果見表6。由于開斷了東莞與廣州東部的交流聯(lián)絡,通道潮流明顯加重,其中,部分“N-2”故障(水鄉(xiāng)—莞城“N-2”、穗東—水鄉(xiāng)“N-2”)方式下穗東—橫瀝通道過載。經(jīng)分析,穗東—水鄉(xiāng)“N-2”故障下需配合采取云廣直流緊急降功率0.9GW措施。分別考慮中通道電壓源高壓直流輸電由西向東1.0GW和1.5GW兩種情況,相關通道輸電潮流進一步增加。在云廣、三廣、烏東德直流額定送電方式下,以滿足“N-1”約束為原則,中通道電壓源高壓直流由西向東功率交換能力不超過1.4GW。4.2農(nóng)業(yè)大電網(wǎng)快速響應及側空氣場模擬東區(qū)電網(wǎng)發(fā)生單一直流單極、雙極閉鎖故障,廣東電網(wǎng)均保持穩(wěn)定。東區(qū)電網(wǎng)與南方區(qū)域主網(wǎng)異步運行,場景1—3中系統(tǒng)頻率恢復性能均下降,但均在規(guī)定范圍內(nèi),如圖11所示。相對場景1和場景3,場景2中東區(qū)本地停機容量較大,系統(tǒng)頻率特性較差;場景3中東區(qū)電網(wǎng)旋轉備用率達16%,頻率恢復較快。利用電壓源高壓直流有功快速響應功能,可以改善東區(qū)電網(wǎng)頻率恢復性能。圖12為云廣直流閉鎖東區(qū)電網(wǎng)頻率曲線。由圖12可知:分別考慮異步聯(lián)網(wǎng)背靠背電壓源高壓直流輸電提供1.0GW和2.0GW有功支援,場景2中東區(qū)頻率穩(wěn)定性能較好。4.3烏東兩段開關拒動導致系統(tǒng)失穩(wěn)的情況對比表7和表8分別是東區(qū)電網(wǎng)“N-2”故障、三相短路中開關拒動故障的失穩(wěn)明細。由表7—8可知:異步后,烏東德直流饋入、省內(nèi)旋轉備用容量因素對穩(wěn)定水平影響更為明顯。對比場景1,由于線路潮流加重、本地機組停機增加,場景2中“N-2”、三相短路中開關拒動導致系統(tǒng)失穩(wěn)故障數(shù)量增加。同樣地,提高東區(qū)電網(wǎng)機組熱備用容量可以有效改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。5提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法本文對2020年烏東德直流接入后的廣東電網(wǎng)安全穩(wěn)定進行了計算和分析,得出以下結論:a)珠江三角洲東北部由北向南潮流較重,應統(tǒng)籌協(xié)調(diào)烏東德、云廣及三廣直流送電與廣東東、西區(qū)間的電力交換計劃,必要時采取直流降功率等穩(wěn)控措施。b)按推薦交流配套方案,可以降低增城變電站等500kV站點短路電流,在一定程度上緩解近區(qū)短路電流超標問題。c)發(fā)生單一直流單極閉鎖、雙極閉鎖、交流系統(tǒng)“N-1”故障、單相短路中開關拒動故障,廣東受端電網(wǎng)均可保持穩(wěn)定。烏東德直流饋入對廣東東區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定有不利影響,但程度較小。d)異步聯(lián)網(wǎng)是緩解廣東多直流交互影響、提高電網(wǎng)風險控制能力的必要措施。異步后,烏東德直流接入對廣東電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響更為明顯。提高東區(qū)電網(wǎng)旋轉備用水平、緊急功率支援等措施可以有效改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。從長遠來看,合理引導電源接入、統(tǒng)籌謀劃網(wǎng)架形態(tài)是電網(wǎng)科學發(fā)展的基礎。廣東電網(wǎng)未來規(guī)劃工作應緊密結合大容量電壓源高壓直流饋入、東西區(qū)異步互聯(lián)等新的條件,統(tǒng)籌兼顧、遠近結合指導