雁淮直流送电能力与闭锁故障影响分析

刘新元，朱 琳，段永泽

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网山西忻州供电公司，山西 忻州 034000）

1 雁淮直流特高压工程概况

雁淮直流是山西境内第一条直流特高压输电工程，起于山西省朔州市雁门关换流站，止于江苏省淮安市淮安换流站。该工程于2015年2月取齐支持文件，同年6月29日开工建设，2017年6月30日正式投入商业运行。

雁淮直流特高压工程概况如图1所示。雁淮直流线路全长1 095 km。雁门关换流站为整流站，换流变压器24+4台，单台容量405.13 MVA；平波电抗器是干式电抗器，每极4×75 mH；容性无功补偿总容量 4 720 Mvar（270×11+350×5）；感性无功补偿装设1组210 Mvar的500 kV母线高压电抗器，5组60 Mvar 35 kV低压电抗器。

图1 雁淮直流特高压通道参数概况

2 雁淮直流近区网架结构

雁门关换流站与山西主网通过三回500 kV雁门关至明海湖线路相连。雁淮直流一级断面由500 kV雁门关换流站—明海湖站三回线组成，二级断面由500 kV雁同—明海湖双回线+明海湖—五寨双会线+明海湖双变（2×1 000 MVA）组成。目前，雁淮直流近区网架结构如图2所示。

当前，雁淮直流无配套电源投运，由山西电网组织外送电力。近期，山西电网500 kV神泉电厂（2×600 MW机组）将改接至雁门关换流站；远期，雁门关换流站一级断面增加雁门关—明海湖第四回线，二级断面增加明海湖—五寨第三回线、明海湖—新荣双回线，送出网架得到进一步加强。

图2 雁淮直流近区网架结构

3 雁淮直流闭锁故障研究条件和技术原则

3.1 数据说明

研究水平年为2018年—2020年，计算数据以2018年三华电网2～3 a滚动研究计算数据为基础。

a）发电机模型。主要发电机采用“Ed、Eq”变化详细模型，并考虑励磁、电力系统稳定器和调速系统。

b）负荷模型。华北电网为马达+恒阻抗负荷，华东电网为静态负荷。

c）直流模型。采用准稳态模型。

3.2 稳定判据

电力系统稳定判据分为功角稳定、电压稳定、频率稳定3个方面。计算分析时，若3者都能保持稳定，则认为系统稳定，若有1个不能稳定，则认为系统不稳定，其中在判断功角稳定时，如果仅个别小机组相对主网失去同步，则仍认为系统稳定。具体判据有以下几点。

a）功角稳定。电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第一、第二摇摆不失步。

b）电压稳定。目前并没有业界公认的电压稳定标准，考虑雁淮直流运行应采取工程标准，本报告采用中华人民共和国电力行业标准《电力系统电压稳定评价导则（DL/T1172—2013）》中的相关规定，即在电力系统受到扰动后的暂态过程中，负荷母线电压标幺值能够在10 s以内恢复到0.80以上；在电力系统受到扰动后的中长期过程中，负荷母线电压标幺值能够保持或恢复到0.90以上。

c）频率稳定。系统频率能迅速恢复到额定频率附近继续运行，不发生频率崩溃，也不使事件后的系统频率长期悬浮于某一过高或过低的数值。

3.3 研究工具

本项目采用中国电力科学研究院系统所PSD电力系统软件工具（PSD power tools）完成，主要包括：PSD-PFNT潮流计算程序；PSD-SWNT暂态稳定计算程序与PSD-MYCHART多曲线对比程序等。

4 雁淮直流送电能力分析

雁淮直流的额定输送功率是8 000 MW。受热稳定约束与电压稳定约束，直流实际输送能力不能充分发挥。以三华电网2～3 a滚动研究计算数据为基础，分析神泉电厂改接前、神泉电厂改接后、神泉电厂改接且近区网架加强后3种电网结构下雁淮直流的送电能力。

4.1 送电能力分析——热稳定约束

雁门关换流站与山西主网通过三回500 kV雁门关至明海湖线路相连，其中明海湖—雁门关II、III线同杆并架，发生N-2故障后，潮流全部转移至明海湖—雁门关I线。明海湖—雁门关单回线热稳定极限2 900 MW。

神泉电厂改接前，明海湖—雁门关线路发生N-2故障，考虑故障后雁淮直流直流速降1 800 MW，雁淮直流送电能力最大4 700 MW。制约因素为明海湖—雁门关I线热稳定极限。

神泉电厂改接后，明海湖—雁门关线路发生N-2故障，考虑故障后雁淮直流直流速降1 800 MW，雁淮直流送电能力最大5 900 MW。制约因素为明海湖—雁门关I线热稳定极限。

神泉电厂改接且近区网架加强后，明海湖—雁门关线路发生N-2故障，考虑故障后雁淮直流直流速降1 800 MW，雁淮直流送电能力可达8 000 MW，不再受到明海湖—雁门关线路热稳定的制约。

4.2 送电能力分析——电压稳定约束

雁淮直流一级、二级断面共有3个500 kV通道，即雁门关—明海湖三回线、雁同—明海湖双回线与明海湖—五寨双回线。雁淮直流大功率送出方式下，雁门关—明海湖三回线、雁同—明海湖双回线、明海湖—五寨双回线发生N-2故障，雁门关换流站均存在电网稳定问题。同一运行方式下，雁同—明海湖双回线N-2电压稳定问题最严重。

神泉电厂改接前，雁同—明海湖线路N-2故障，雁门关母线电压标幺值不低于0.9，雁淮直流送电能力最大为5 100 MW。

神泉电厂改接后，雁同—明海湖线路N-2故障，雁门关母线电压标幺值不低于0.9，雁淮直流送电能力最大为6 700 MW。

神泉电厂改接且近区网架加强后，雁淮直流送电能力可达到额定功率8 000 MW，不再受到雁同—明海湖线路N-2电压稳定的制约。

5 雁淮直流闭锁故障影响分析

雁淮直流特高压发生闭锁故障后，特高压长治—南阳线路潮流转移功率近60%。雁淮直流输电容量大，其闭锁故障将导致大范围的潮流转移，长治—南阳特高压交流线承受大范围潮流转移后，可能致使电网的稳定性破坏；尤其是当雁淮直流和长治—南阳特高压线功率输送方向相同时（即两者同时由华北送出），雁淮直流发生闭锁故障，潮流将大量转移到长治—南阳特高压交流线上，使得长治—南阳特高压交流线路输送功率超过其静态稳定极限，最终导致华北—华中电网解列。因此，雁淮直流与长南特高压交流存在强耦合关系。

在雁淮直流输送8 000 MW，长南线南送5 800MW方式下，分析雁淮直流与长南线耦合关系。闭锁故障制约下雁淮直流与长南线输送功率间耦合情况具体如表1、图3—5所示。

表1 雁淮特高压直流与特高压交流长南线的耦合情况MW

图3 雁淮直流双极闭锁不采取安控措施及相关机组功角变化曲线

图5 雁淮直流双极闭锁采取安控措施后长南线功率变化曲线

图4 雁淮直流双极闭锁不采取安控措施及相关厂站电压变化曲线

由表1可见，雁淮直流8 000 MW，长南线南送功率5 800 MW方式下，可以得到以下结果。

a）雁淮直流单极闭锁，系统失去稳定，需切除山西机组共1 670 MW；预控长南线与雁淮直流合功率为12 370 MW，则系统可保持稳定。

b）雁淮直流双极闭锁，系统失去稳定，需切除山西机组共5 800 MW；预控长南线与雁淮直流合功率为9 460 MW，则系统可保持稳定。

6 结论与建议

神泉电厂改接前，受热稳定约束与电压稳定约束，雁淮直流当前实际输送能力达不到8 000 MW；但热稳定约束的影响更大，雁淮直流最大输电能力4 700 MW。神泉电厂改接后，雁淮直流的最大送电能力可提升至5 900 MW，制约因素仍是热稳定约束。神泉电厂改接且近区网架加强后，雁淮直流不再受热稳定约束与电压稳定约束，输送能力可达到8 000 MW。

雁淮直流输电容量大，其闭锁故障将导致近60%的冗余功率转移至长治—南阳特高压交流线上，可能引发华北—华中电网机组失稳。雁淮直流与长南特高压大功率运行方式下，直流发生双极闭锁故障，需联切直流近区5 800 MW机组，系统可保持稳定。

建议：一是加快神泉电厂倒接工程及近区网架加强工程的建设进度，充分发挥雁淮直流的送电能力；二是相关部门应提前制定过渡期的控制策略与运行方案，保障山西电网安全稳定运行。