王尔玺，刘海光，蔡德福，陈汝斯，孙冠群
（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）
2022 年，华中全网及四省用电负荷保持快速增长，电力供应呈现“整体偏紧、四省都缺”的特点。正常气象条件下，预计在夏季7 月、8 月出现全网最大用电负荷1.89 亿kW，同比增长12.1%，高峰用电缺口1 082 万kW，四省均有缺口［1-5］。如出现极端天气、电煤紧张、来水偏枯及跨区受电不及预期等情况，供电缺口将进一步增大，供应形势更加严峻。
预计2022 年迎峰度夏期间，湖北电网最大负荷4 780 万kW，同比增长10.1%，高峰用电缺口达到442万kW，保供形势严峻［6-8］。目前，陕武直流输送能力为300 万kW，为进一步提升湖北电网保供能力，保障湖北经济社会发展和民生用电安全，本文将以湖北电网2022年上半年网架为基础，基于临界稳定方式下开展陕武直流输送功率提升至400 万kW 后暂态稳定分析，确定在陕武直流输送功率为400万kW时鄂东电网最小开机边界和旋备要求［9-13］。
制约故障指的是在电网临界稳定运行方式下，此故障最容易使电网发生暂态失稳，且失稳情况最严重。陕武直流落点鄂东江北地区，投运初期仅500 kV武换至木兰双回、武换至大吉双回共4回送出线路投运，鄂东受端电网基本均为同杆并架线路，如图1所示，电网结构相对薄弱，加之直流近区电源集中接入、负荷密度大，暂态稳定问题突出，当陕武直流送电功率较大时，鄂东电网多个N-1/N-2故障均会导致湖北全网或鄂东电网暂态失稳［14-17］，其中最严重故障为木泉-木孝N-2故障。因此，陕武直流近区的制约故障为木泉-木孝N-2故障，主要原因如下：
图1 木泉-木孝N-2故障前后鄂东电网500 kV网架变化Fig.1 Changes of 500 kV grid in Eastern Hubei before and after Muquan-Muxiao N-2 fault
1）木泉-木孝N-2 故障后鄂东双环网打开，形成长链式结构，支援通道不足，系统动态无功支撑能力较差。
2）故障过程中直流吸收大量无功，显著恶化暂态电压特性、近区电压长时间维持低位，易引发大别山和阳逻机组功角失稳，进一步削弱了鄂东地区电压支撑能力。
3）故障后直流与阳逻三期、大别山电厂富余电力通过500 kV长链式结构集中外送，对于上述故障后末端外送电源群，电厂开机较多时无法起到良好的动态无功支撑作用，反而可能因功角失稳，恶化交流系统电压恢复特性。
在上述因素共同影响下，木泉-木孝N-2故障后将呈现功角稳定和电压稳定问题相互交织的失稳形态［18-20］。
2.1 关键断面影响分析
对江西受电、湖南受电、葛军-双玉断面等通道功率与鄂东电压稳定支撑能力之间的关系进行分析。具体分析方法为：在陕武直流功率450万kW，开机、旋备相同的情况下（闭锁直流安控投运时阳逻三期、大别山电厂旋备按15%考虑，闭锁直流安控退出时旋备按40%考虑），改变相关断面功率并对比系统电压恢复速度。
1）江西受电断面影响分析
通过增开江西机组并关停鄂西机组，将江西受电（包括鄂赣+潇江）功率从截零（其中鄂赣断面送江西17万kW）调整为江西外送170万kW（其中鄂赣断面反送湖北108万kW），兴咸断面功率由280万kW减少到220 万kW，斗山-斗孝-钟山断面功率由250 万kW 减少到200 万kW。对于上述两种方式，木泉-木孝N-2故障后木兰500 kV电压恢复曲线对比如图2所示。
图2 江西受电断面不同功率木泉-木孝N-2后木兰500 kV电压曲线对比Fig.2 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves between Muquan-Muxiao N-2 with different power in Jiangxi receiving section
由图2所示电压曲线可知：江西受电功率越小（或外送功率越大）、湖北开机越小，陕武直流近区N-1/N-2故障后电压恢复速度越慢。
2）湖南受电断面影响分析
通过关停湖南机组并增开鄂西机组将湖南受电功率由210 万kW（其中鄂湘断面送湖南200 万kW）调整至310万kW（其中鄂湘断面送湖南270万kW），兴咸断面功率由270 万kW 增加到290 万kW，斗山-斗孝-钟山断面功率由260万kW增加到270万kW。对于上述两种方式，木泉-木孝N-2 故障后木兰500 kV 电压恢复曲线对比如图3所示。
图3 湖南受电断面不同功率木泉-木孝N-2后木兰500 kV电压曲线对比Fig.3 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves between Muquan-Muxiao N-2 with different power in Hunan receiving section
由图3 所示电压曲线可知：湖南受电功率对陕武直流近区N-1/N-2故障后电压恢复特性影响较小。
3）葛军-双玉断面
通过关停葛大江机组并增开鄂西机组将葛军-双玉断面功率由280 万kW 调整至210 万kW，兴咸断面功率由270 万kW 增加到290 万kW，斗山-斗孝-钟山断面功率由270万kW增加到290万kW。对于上述两种方式，木泉-木孝N-2 故障后木兰500 kV 电压恢复曲线对比如图4所示。
图4 葛军-双玉受电断面不同功率木泉-木孝N-2后木兰500 kV电压曲线对比Fig.4 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves between Muquan-Muxiao N-2 with different power in Gejun-Shuangyu receiving section
由图4所示电压曲线可知：葛军-双玉断面功率越小，陕武直流近区N-1/N-2故障后电压恢复速度越慢。
2.2 湖北电网不同负荷影响分析
在陕武直流450 万kW 时，湖北电网负荷分别为4 000 万kW、4 500 万kW、4 800 万kW，木泉-木孝N-2故障闭锁直流后木兰500 kV电压恢复曲线对比如图5所示，木孝-泉孝N-2 故障后木兰500 kV 电压曲线对比如图6所示。
图5 湖北电网不同负荷水平木泉-木孝N-2闭锁直流后木兰500 kV电压曲线对比Fig.5 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves after Muquan-Muxiao N-2 locked DC at different load levels in Hubei power grid
图6 湖北电网不同负荷水平木孝-泉孝N-2故障后木兰500 kV电压曲线对比Fig.6 Comparison of Mulan 500 kV voltage curves after Muxiao-Quanxiao N-2 fault at different load levels in Hubei power grid
由图5、图6 所示电压曲线可知：湖北电网负荷越大，陕武直流近区N-1/N-2故障后电压恢复速度越慢。因此分析湖北负荷4 500万kW～4 800万kW情况下陕武直流近区最小开机及旋备要求时，应采用湖北负荷4 800万kW进行校核。
2.3 暂态稳定特性分析边界
基于上述对比分析，考虑各断面及湖北电网负荷影响后，确定暂态稳定计算边界如下：
1）长南线截零或南送100万kW；
2）江西外送170万kW（其中鄂赣送湖北110万kW，潇江双回送湖南60万kW）；
3）葛大江、隔河岩500 kV机组一半开机；
4）鄂豫断面截零（其中孝浉反送60万kW）；
5）湖南受电220万kW（其中鄂湘送湖南160万kW，潇江双回送湖南60万kW）；
6）湖北电网负荷4 800万kW。
3.1 木泉-木孝N-2故障后闭锁陕武直流
考虑2022 年迎峰度夏湖北负荷4 500 万kW～4 800万kW负荷水平，陕武直流送电150万kW、250万kW、350 万kW、450 万kW 4 种边界下，对近区暂态稳定特性变化进行分析。
陕武直流输送功率提升至450 万kW，木泉-木孝N-2 故障采取闭锁直流的稳控措施，近区电网整体电压恢复速度变化较小，变化趋势基本一致，因此最小开机及旋备要求可保持不变，如图7所示。
图7 木泉-木孝N-2故障闭锁直流木兰500 kV电压曲线Fig.7 Muquan-Muxiao N-2 fault-locked DC Mulan 500 kV voltage curve
由图7可知，陕武直流功率不同时，木泉-木孝N-2闭锁直流后电压曲线基本一致，其主要原因如下：
1）随着陕武直流功率提升，故障后换流器及换流站整体吸收无功将呈现出饱和特性。如图8 所示：故障前（0 s～1.0 s）陕武直流送电150 万kW、250 万kW、350 万kW、450万kW情况下单换流器吸收无功分别为152 MVar、273 MVar、408 MVar、555 MVar，整体呈线性增加；
故障后至闭锁直流前（1.0 s～1.3 s）换流器最大吸收无功分别为338 MVar、386 MVar、411 MVar、434 MVar，故障后换流器吸收无功饱和特性突出。
图8 木泉-木孝N-2故障陕武直流单换流器吸收无功曲线Fig.8 Absorption reactive power curve of Muquan-Muxiao N-2 fault Shan-Wu DC single converter
2）陕武直流功率越大，换流站内滤波器投入组数越多，如图9 所示。根据安自装置动作逻辑的仿真设置，陕武直流切除0.3 s后切除滤波器。闭锁直流后至切除滤波器前（1.3 s～1.6 s），滤波器可短时为交流系统提供更多无功支撑，有利于电压恢复，且滤波器投入组数越多，这一阶段的系统电压恢复速度越快。
图9 木泉-木孝N-2故障闭锁直流后至切除滤波器前换流站整体无功特性Fig.9 Overall reactive power characteristics of the converter station from Muquan to Muxiao N-2 fault locked DC post to cutting filter front
3.2 木泉-木孝N-2故障后无闭锁陕武直流
当木泉-木孝N-2故障后无闭锁直流措施，陕武直流输送功率越大，故障后对系统冲击越大，且电压恢复越困难，故障后电压恢复曲线如图10所示。
图10 木孝-泉孝N-2故障后木兰500 kV电压曲线Fig.10 Mulan 500 kV voltage curve after Muhyo-Quanhyo N-2 fault
陕武直流功率提升后，木泉-木孝N-2闭锁直流后电压曲线也基本一致，上述故障暂态电压恢复速度降低的主要原因如下：
1）陕武直流功率增大时，故障后电网承受的暂态冲击增加，不利于系统整体电压恢复。
2）陕武直流不同输送功率情况下，故障切除后仅较短时间内（故障后0.5 s 以内）换流器及换流站整体吸收无功均呈现饱和特性。其后，直流送电功率越大，换流器及换流站整体从系统吸收无功量快速增加，且持续时间更长，不利于电压恢复。
4.1 受木泉-木孝N-2故障制约的最小开机及旋备要求
湖北电网大负荷，陕武直流功率提升至450万kW，在闭锁直流安控投入和退出两种情况下，最小开机和旋备要求均可保持不变。
4.2 其他N-1、N-2校核
在本文最小开机及旋备要求下，湖北电网N-1 故障及其他同杆并架N-2故障后，系统均可保持稳定，如图11所示。
图11 木泉-木孝N-2故障暂稳曲线Fig.11 Muquan-Muxiao N-2 fault transient stability curve
陕武直流投运初期，受端系统呈现电网结构薄弱、电源集中接入、负荷密度大等特点，暂稳问题突出。本文针对陕武直流功率提升后暂态稳定水平变化及相关措施进行了分析，具体结论如下：陕武直流输送功率由300 万kW（计算值350 万kW）提升至400 万kW（计算值450 万kW）后，湖北电网N-1 及同杆并架N-2 故障后系统暂态稳定特性未发生明显变化，经机电-电磁暂态混合仿真校核，最小开机及旋备要求可保持不变。
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