天广交直流混合系统输电能力的研究荆勇1，任震1，李柏青2，马世英2（1.华南理工大学电力学院，广东省广州市510641；2.中国电力科学研究院，北京100085）摘要:对我国第一个交直流混合系统—天广交直流混合系统的输电能力进行的分析研究表明：天广直流输电工程投产后，提高了南方电网的稳定性。由于直流系统的调制功能对交直流并联运行的作用明显强于对交直流分列运行的作用，故交直流并联运行的输电能力也相对较高。同时电网运行条件的变化对天广交直流输电系统安全稳定运行有明显影响，增强电网动态无功支持能力对提高天广交直流混合系统输电能力有十分重要的作用。
关键词:交直流混合系统；输电能力；稳定性；直流调制
1引言
天广±500kV直流输电工程于2000年12月单极投入运行，2001年6月双极全部投入运行，使得天广交直流系统成为我国第一个交直流混合系统。它的建成和投运，大大提高了天广输送通道西电东送的能力，对促进西部大开发、实现东西部资源优化配置、缓解东部电力紧张局面、带动相关产业发展有重大意义。标志着我国电网的发展进入了一个新的阶段。开展交直流混合系统运行相关技术的研究可以帮助运行人员掌握交直流混合系统的运行规律，提高电网运行的安全性、可靠性，提高输电能力并预防事故发生。本文根据天广±500kV直流输电工程投运初期南方电网的实际运行工况，通过系统的稳定计算分析，研究了天广交直流混合系统的输电能力、稳定措施及直流系统调制、电网运行条件的变化对系统输电能力的影响。
2系统介绍
2.1直流系统
天广直流工程直流额定容量为双极1.8GW，额定工作电压为±500kV，额定工作电流为1800A，线路长度965km。换流站换流设备采用12脉动换流阀组，每极1组，每站共2个12脉动阀组。天生桥换流站距天生桥一级水电站（简称天一）3km，正常情况下作为整流站运行，其交流系统的额定电压为220kV；广州换流站位于广州市北郊，正常情况下作为逆变站运行，其交流系统的额定电压也为220kV。
直流系统接线方式可以采用双极方式、单极大地回线方式、单极金属回线方式和单极双导线并联大地回线方式。直流系统除采用额定电压方式运行外，还可以采用降压方式运行。直流系统潮流控制方式通常采用定功率控制，其短期过负荷能力为2h额定容量的1.1倍，3s额定容量的1.5倍。直流系统设计的可靠性为单极强迫停运率不大于6次/年，双极强迫停运率不大于0.1次/年。
2.2交流系统
南方电网2001年中全网装机总容量已超过60GW。南方电网中云南、贵州两省和天生桥一、二级水电站（天一、天二）等的西部电力通过天广交直流混合系统向东部的广东、广西输电。天广交直流混合输电系统的系统接线如图1所示，500kV天广交流双回输电线路西起天二，途经广西境内的平果、来宾和梧州3个变电站，接入广东境内的罗洞变电站，全长约980km。此外，广东省通过4回400kV交流线路与香港联网，通过3回110kV交流线路与澳门联网。天一是红水河流域梯级水电站中的第一级水电站，其装机容量为1.2GW，有4台单机容量300MW的发电机组，这4台机组通过4回220kV短线路直接接入天生桥换流站220kV交流母线。在天生桥换流站与云南电网间有2回220kV联络线，每回线路长度约100km。天二位于天一下游约为17km处，是红水河流域梯级水电站中的第二级水电站，装机容量为1.32GW，有6台单机容量为220MW的发电机组，这6台机组通过3台升压变压器接入天二500kV母线。在天二还有220kV母线，220kV母线与500kV母线间有一台额定容量为750MVA的联络变压器（天二联变）。天二通过一回长度为260km的500kV线路与贵州电网互联，通过2回220kV线路（天马双回线）与天生桥换流站相联。广州换流站通过2回220kV短线路（100m）与广州北郊的500kV变电站相联。北郊变电站内有2台额定容量为750MVA的变压器，在其500kV出线中有2回与罗洞500kV变电站相联。除与广州换流站相联的2回220kV短线路，北郊变电站还有近10回220kV出线。
2.3系统运行方式
正常情况下，天广交流双回500kV输电线路与天广±500kV直流输电线路实行并联运行。在某些设备检修的情况下，也可以采用分裂运行方式：如天马双回线（或天二联变）退出运行，云南电网经鲁马线、罗天线向外送电，天生桥一级发电出力和云南网外送电力经天广直流线路送往广东电网；贵州电网主要经天贵线外送电力，天生桥二级发电出力与贵州外送电力经天广交流线路送往广西和广东电网。
3系统的稳定性
3.1交直流系统并联运行的稳定性
对于交直流系统并联运行，在出现交直流故障引起瞬时或永久功率不平衡时，利用直流系统的调制功能和过负荷能力，可以快速提高直流双极或健全极单极的功率或电流定值、提高直流输送功率，帮助交流系统重新达到能量和功率的平衡，从而使交直流系统具有较高暂态稳定性。但是，在直流系统发生闭锁故障时，若当时交流线路潮流较大，转移来的直流功率会使交流通道电压急速下降，严重时甚至会使系统失稳。故天广交流双回线路和直流线路在天生桥出口断面输送的功率稳定极限就决定了天广交直流输电系统并联运行的输电能力。断面输送功率极限由系统内的最严重单一故障决定。保持各网正常负荷备用水平和天广交流沿线500kV母线电压水平在控制范围内，通过潮流调整，得到天广直流单极闭锁故障为最严重的单一故障约束，天生桥出口断面输送功率稳定极限为3.62GW，即天广交流1.82GW，天广直流1.8GW。在直流单极闭锁故障后，引起天广交流线路上500kV母线一定程度的电压波动，虽然来宾、梧州500kV母线最低暂态电压不低于0.75pu，但电压恢复水平较低，20s后梧州500kV母线电压恢复不到0.85pu。这是因为转移潮流增加了天广交流侧的负担，使沿线无功损耗加大，广西境内的母线电压都有一定程度的下降。如果配合采取直流单极闭锁故障后联切天一1台机组措施，电压就能够恢复正常，见图2。正常运行方式下，发生交流系统的单一故障[1]，如天广交流系统500kV线路发生三永和单永短路故障、系统内最大容量机组—广东核电站一台980MW机组故障跳闸或失磁等，系统都具有较好的暂态稳定性，南方电网抗扰动的能力明显增强。
3.2交直流系统分裂运行稳定性
从南方电网的网络结构看，采用交直流系统分裂运行，减小了交直流输送通道的相互影响。在交直流系统分裂运行方式下，以天平线三相短路故障最为严重，极限运行方式下，天广交直双回线路天生桥出口对应潮流为1.6GW。直流单极闭锁故障，系统能够保持稳定，但故障极功率会转移到云南网，引起云南网频率升高，虽然直流系统的紧急功率转移功能和双侧频率调制功能会起作用，但过渡到稳态情况下，另外健康极能够承载的功率水平只是直流系统的持续过载能力，多余的功率不平衡量最终涌向云南电网。最极端的情况是直流单极闭锁故障不考虑采取措施的情况下，云南电网出现的暂态最高频率为51.7Hz，在调速器作用下10s后的恢复频率为50.5Hz，如果在直流单极闭锁故障后切天一2台机组，系统出现的暂态最高频率为50.6Hz，10s后的恢复频率为50.2Hz。
4直流调制的作用
天广直流系统具有频率调制功能[2]，包括大幅值调制和小幅值调制，这两种调制功能的传函除增益环节不同外，其他环节是相同的。正常情况下大幅值调制不起作用，仅在大扰动的紧急条件下，特别是在并联交流系统故障的情况下才起作用；小幅值调制则连续起作用，为并联的交流系统提供正阻尼。表1给出了天广交直流系统并联和分裂运行方式下，直流调制功能投入和停用时天生桥出口断面输送功率稳定极限。可以看出，并联运行方式下投入直流调制可以提高稳定极限320MW，分裂运行方式下直流调制对系统稳定性能有不利影响，较无调制情况下，稳定极限水平略有降低。5运行条件变化对输电能力的影响
5.1负荷备用水平的影响
系统有功旋转备用对输送功率极限是有影响的，这并非全是有功旋转备用本身的原因，而是因为旋转备用增加是开机增加的结果。开机增加，提高了电网的动态无功备用，进而提高了系统在大故障扰动过程中的抗干扰能力，稳定极限也会随之提高，但从研究结果看出，输送功率极限对广东、广西电网有功旋转备用的灵敏度不同，这主要是由于广东、广西电网所处南方电网中的位置、自身电网结构强弱、装机容量等因素决定的，增加的动态无功备用必须对天广输送通道的电压支持能力有比较明显的影响时才起作用。广东电网位于天广输送通道的末端，是完全的受端系统，其有功旋转备用水平对输送功率极限的影响不明显。
在广西电网正常负荷备用水平（120MW）下，天广交直流系统并联运行在天生桥出口断面输送功率稳定极限为3.62GW。表2中给出了广西电网不同负荷备用水平下天生桥出口断面输送功率稳定极限，从中可以看出，广西电网负荷备用对输送功率极限有一定的影响，当负荷备用水平从20WM到360MW范围内变化时，输送功率极限在3.59-3.68GW范围内变化。5.2天广交流沿线电压水平的影响
天生桥、来宾500kV母线在不同电压控制水平下对天广交直流系统的输电能力有较大影响。表3给出了并联运行方式下的计算结果，从表中可以看出，电压控制水平对天生桥出口断面输送功率稳定极限的影响较大，从方式2、3与4的比较来看，来宾母线电压的控制水平比天生桥母线电压对断面输送功率稳定极限的影响更大。这是因为来宾是天广输送通道上的中间支持站点，也是天广输送通道上比较敏感的电压支撑点，来宾电压水平主要通过广西电网来控制，在一定程度上反映了广西电网电压支持能力的强弱。结合广西备用负荷对输送功率极限影响的研究结果，可以看出，天广输送功率极限对广西电网运行条件的变化比较敏感。6结论
（1）天广直流输电工程投产后与天广交流双回输电线路并联运行，南方电网的稳定性明显提高，天广交直流混合系统在天生桥出口断面送电能力可以达到3.6GW。
（2）对于交直流系统并联运行，由于交流系统与直流系统相互支持，直流调制功能也能够充分发挥作用，最严重的单一故障形式为直流单极闭锁故障，系统的输电能力较高。在交直流分裂运行方式下，交流通道和直流通道分开运行，相互影响较小，直流系统的调制功能对交流系统起不到应有的支持作用，交流线路三相短路成为限制输送功率极限的约束故障形式，系统的输电能力明显下降。
（3）系统运行条件变化对天广[1][2]下一页