特高压直流送电能力受交直流故障影响因素研究

王红卫

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

2020 年，雁门关换流站将继续通过三回500 kV 明海湖—雁门关线路接入山西电网。直流送端系统的一级断面为湖关三回线，二级断面为雁同—明海湖双线、五寨—明海湖双线、新荣—明海双线以及500 kV 明海湖变电站的3 台主变。直流近区新接入电源木瓜界电厂（2×66 万kW） 和王家岭电厂（2×66 万kW），风电新增装机36 万kW，风机累计装机约414 万kW，具体网架接续图略。雁淮直流送电能力与交流系统稳定特性密切相关，我们采用电力系统分析综合程序搭建山西电网实际模型，分析山西电网形成交直流混联外送通道后雁淮直流近区网架发生变化后的送电能力[1]，为山西电网的进一步改进提供理论支撑。

1 计算边界条件

a） 计算程序。采用电力系统分析综合程序（PSASP 7.41.04） 搭建模型[2]。

b） 计算模型。采用山西电网2020 年第一季度220 kV 以上电压系统[3]。

c） 计算条件。计算条件有以下几方面：一是雁淮直流一级断面明海湖—雁门关三回线的热稳极限值为320 万kW，二级断面雁同—明海湖双线、五寨—明海湖双线热稳极限为230 万kW。二是雁门关换流站母线运行电压不低于0.9 标幺值。三是雁门关换流站母线无功功率在-30 万kW～30万kW 之间。四是雁门关换流站近区风电机组暂态耐压小于1.2 标幺值。五是根据《国调中心关于印发<2019 年特高压互联电网稳定及无功电压调度运行规定（第二版） >和<2019 年国调直调安全自动装置调度运行管理规定（第二版） >的通知》，若换流站母线高抗退出，雁淮直流功率大于450 万kW 时，换流站正常运行电压范围为510～525 kV，允许暂态压升最大值ΔUmax=（1.3×530-525） /525=0.312；若换流站母线高抗投入，雁淮直流功率大于450 万kW 时，换流站正常运行电压范围为510～530 kV，允许暂态压升最大值ΔUmax=（1.3×530-530） /525=0.303。

2 交流故障影响分析

2.1 交流系统热稳定影响

雁淮直流在近区接入电源（神泉电厂、木瓜界电厂、安太堡电厂） 全开时，主要受明海湖—雁门关三线N-2 故障的影响，该故障所对应的安控动作为直流功率速降180 万kW。若发生该故障，明海湖—雁门关三线剩余一回线达到热稳极限320 万kW，此时，雁淮直流送电能力最大为730 万kW[4]。

2.2 换流站母线低电压约束

2.2.1 限制雁淮直流送电能力的制约故障分析

分析不同交流线路N-2 故障，需采取不同的恶劣开机方式。分析500 kV 雁湖双N-2 故障，雁同近区机组全开、五寨近区除神泉和河曲外机组全关，使故障后主网对换流母线电压支撑较弱。分析500 kV 湖寨双N-2 故障，五寨近区机组全开、雁同近区机组全关。分析500 kV 湖关三回N-2 故障，雁同、五寨近区均开机。分析上述故障，明海湖近区220 kV 电网的火电机组全停。在恶劣开机方式下，雁湖双N-2 为限制雁淮直流送电能力的制约故障，详情见表1。

表1 限制雁淮直流送电能力的制约故障分析

2.2.2 雁淮直流送电能力分析

由于雁淮直流近区500 kV 交流线路发生N-2故障，500 kV 交流系统对雁门关换流站母线的电压支撑变弱，可能导致换流站母线的电压长期处于0.9 标幺值以下且无法恢复。因此，针对换流站母线低电压的问题，雁淮直流送电能力主要受以下3 个因素的影响：一是换流站与主网无功功率交换量；二是换流站近区220 kV 线路检修方式；三是换流站近区机组开机数量。具体送电能力见表2。

从表2 中可以看出，在神泉、木瓜、河曲及王家岭全停情况下，考虑低电压约束的雁淮直流最小送电能力为445 万kW，随着神泉、木瓜、河曲及王家岭开机的增加，雁淮直流最大送电能力为800 万kW。

表2 不同开机方式，受低电压约束雁淮直流送电能力

3 直流故障影响分析

3.1 换相失败分析

雁淮直流送电730 万kW，长南线南送280万kW，对直流发生连续4 次换相失败、连续5 次换相失败闭锁进行分析。

a） 发生连续4 次换相失败后，长南线不解列，华北机组功角稳定，如图1、图2 所示。

b） 发生连续5 次换相失败后，闭锁切机530万kW，留200 万kW 不平衡量，长南线不解列，功率向长南线转移约70 万kW，华北机组功角稳定，如图3、图4 所示。

图1 4 次换相失败后长南线功率曲线图

雁淮直流功率730 万kW、长南南送280万kW 方式下，连续换相失败和双极闭锁故障下系统保持稳定，雁淮直流换相失败加速保护策略按“4+1”配置可满足要求。

图2 4 次换相失败后雁淮直流功率曲线图

图3 5 次换相失败后长南线功率曲线图

图4 5 次换相失败后雁淮直流功率曲线图

3.2 双极再启动分析

在雁淮直流8 000 MW、长南线南送5 800 MW，对雁淮直流进行直流再启动校核，雁淮直流双极两次再启动成功，系统可以保持稳定运行。

4 结论

综上所述，雁淮直流近区网架加强后，其送电能力与近区接入电源（神泉、木瓜界、河曲、王家岭） 开机方式相关性较大。

a） 雁淮直流近区接入电源（神泉、木瓜界、河曲、王家岭） 开机量比较小时，雁淮直流送电能力主要受近区交流线路N-2 故障换流母线低电压的影响；随着近区接入电源开机数量逐渐增加，换流站电压支撑能力也逐渐增大，雁淮直流最大送电能力由低电压约束转变为湖关单线的热稳约束。

b） 在神泉电厂、木瓜界电厂全部开机且满出力，受制于湖关三线N-2 故障后剩余一回线热稳不超过320 万kW，在采取雁淮直流180 万kW的速降措施后，雁淮直流最大送电能力为730 万kW。

c） 雁淮直流发生连续换相失败和双极闭锁故障下系统保持稳定，雁淮直流换相失败加速保护策略按“4+1”配置可满足运行要求。雁淮直流发生双极两次再启动成功，系统可以保持稳定运行。