吳茂乾,白宇輝,任錫林,錢 霞,王勝利,張 鋒
(1.奎屯市電業(yè)局,新疆奎屯 833200;2.新疆電力調(diào)度通信中心,新疆 烏魯木齊 830008)
近兩年奎屯地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長迅速,負(fù)荷增長較快,但電源和網(wǎng)架建設(shè)相對滯后。受網(wǎng)內(nèi)電源結(jié)構(gòu)不合理以及用電負(fù)荷季節(jié)性、時(shí)段性的影響,地區(qū)電網(wǎng)呈現(xiàn)季節(jié)性電力供需不平衡的現(xiàn)象。在枯水季節(jié),一旦地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)唯一聯(lián)絡(luò)線——220 kV聯(lián)絡(luò)線(A站至B站)事故跳閘,地區(qū)電網(wǎng)將成為了一個(gè)孤立電網(wǎng),屆時(shí),孤網(wǎng)內(nèi)水電機(jī)組的調(diào)速特性對地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大影響。
地區(qū)電網(wǎng)目前通過單回286.3 km的220 kV聯(lián)絡(luò)線和單回167.87 km的110 kV葉皮線(正常方式下斷開備用)與主網(wǎng)相連,距離主系統(tǒng)2 000 km以上,與主系統(tǒng)聯(lián)系極其薄弱,網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)雖然達(dá)到331 MW,但電源結(jié)構(gòu)不合理,78%的電源為水電機(jī)組,受季節(jié)變化影響,存在“以水定電”問題。電網(wǎng)地理接線示意圖如圖1所示。
圖1 電網(wǎng)地理接線圖
地區(qū)電網(wǎng)存在著季節(jié)性供需不平衡問題,本地區(qū)電源供電能力和從主網(wǎng)受電能力均有不足,主要原因如下。
(1)全地區(qū)水能發(fā)電站受河床來水不足的制約,發(fā)電能力十分有限,存在與負(fù)荷增長反時(shí)限特性。
(2)網(wǎng)內(nèi)應(yīng)急電源燃機(jī)電站出力不穩(wěn)定,因設(shè)備缺陷的種種原因(氣源不足、氣候太冷等)無法投運(yùn),造成冬季負(fù)荷高峰時(shí)段無法提供穩(wěn)定的電力支撐和電力供應(yīng)。
(3)冬季期間,地區(qū)最大的A水電站受B水電站大壩蓄水的制約,不能在負(fù)荷高峰時(shí)段發(fā)揮最大效益。
上述3種因素造成冬季地區(qū)網(wǎng)內(nèi)所有電廠的最大發(fā)電出力僅為90 MW,缺額部分全部通過220 kV聯(lián)絡(luò)線從主網(wǎng)下網(wǎng)功率來彌補(bǔ)。
因此,220 kV聯(lián)絡(luò)線的極限傳輸功率對地區(qū)電網(wǎng)的供電能力有著直接影響。
水電機(jī)組控制特性與火電機(jī)組不同,當(dāng)一次調(diào)頻投入,網(wǎng)頻下降時(shí),水電機(jī)組的出力變化特性是先下降后上升,這種特性為水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性。如圖2所示的即為某水電機(jī)組在一次調(diào)頻試驗(yàn)過程中的負(fù)荷與導(dǎo)葉開度的錄波曲線,可以清晰地看到水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性,水電機(jī)組的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性對全部由水電機(jī)組構(gòu)成的區(qū)域電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性有很強(qiáng)的影響作用。
圖2 水電機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性圖
為保證220 kV聯(lián)絡(luò)線跳閘后,孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定,電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)最大限度地提高地區(qū)電網(wǎng)受電能力,本著提高聯(lián)絡(luò)線下網(wǎng)功率和在電網(wǎng)發(fā)生不可預(yù)見事故時(shí)將造成的危害、損失降低到最小程度的原則,對220 kV聯(lián)絡(luò)線跳閘后的孤網(wǎng)進(jìn)行了仿真分析,求得聯(lián)絡(luò)線的極限傳輸功率。
3.1.1 計(jì)算手段
穩(wěn)定計(jì)算采用電科院電力系統(tǒng)計(jì)算綜合程序PSASP 6.28版。計(jì)算中A水電站按照考慮與不考慮調(diào)速器特性兩種情況分析,地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)其余機(jī)組不考慮調(diào)速器特性,但所有機(jī)組均考慮了調(diào)壓器特性,發(fā)電機(jī)采用實(shí)測的勵(lì)磁系統(tǒng)模型和PSS模型。負(fù)荷模型采用40%~70%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型,廠用電模型采用80%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng),線路快速保護(hù)、重合閘,廠、站母線母差保護(hù)均可靠投入。
3.1.2 穩(wěn)定判據(jù)
(1)電網(wǎng)遭受每一次大擾動(dòng)后,引起系統(tǒng)各機(jī)組之間功角相對增大,在經(jīng)過第1、第2搖擺不失步;相對功角為減幅振蕩。
(2)在電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的暫態(tài)過程中,220 kV變電站的110 kV母線電壓能夠恢復(fù)到0.80 p.u.以上。
(3)聯(lián)絡(luò)線功率振蕩呈衰減趨勢。
(4)系統(tǒng)低頻率時(shí),正常情況下應(yīng)不導(dǎo)致低頻率減負(fù)荷裝置動(dòng)作,特殊情況下可以考慮低頻率減負(fù)荷裝置動(dòng)作,但系統(tǒng)不能發(fā)生頻率崩潰,即系統(tǒng)最低頻率不應(yīng)低至低頻率減負(fù)荷裝置最低頻率的頻率值;系統(tǒng)高頻率時(shí),最高頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組高頻率保護(hù)最低頻率整定值,一般應(yīng)不高于50.5~51 Hz。
3.1.3 邊界條件
(1)220 kV聯(lián)絡(luò)線潮流方向?yàn)锽→A。(2)220~110 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行。(3)地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組開機(jī)方式安排如表1。
表1 機(jī)組開機(jī)安排
(4)地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷為185 MW。
3.2.1 甲水電站水電機(jī)組考慮調(diào)速特性
220 kV聯(lián)絡(luò)線(A→B)的傳輸功率為100 MW時(shí)發(fā)生三永故障,0.12 s切除線路兩側(cè)斷路器,地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)頻率變化特性如圖3所示,甲水電站2號(hào)機(jī)組的有功變化特性如圖4所示,220 kV B站的110 kV側(cè)電壓變化特性如圖5所示。
圖3 解網(wǎng)后地區(qū)電網(wǎng)的頻率曲線(Hz)
圖4 甲水電站2號(hào)機(jī)有功曲線(MW)
圖5 220 kV B站110 kV母線電壓曲線
從上述3張圖可以看出220 kV聯(lián)絡(luò)線(A→B)的傳輸功率為100 MW時(shí)發(fā)生三永故障,線路被切除,地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。依靠甲水電站水電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性和低頻減載裝置動(dòng)作特性(動(dòng)作4輪切除了72 MW負(fù)荷),最終頻率可以恢復(fù)到合理范圍之內(nèi),地區(qū)電網(wǎng)110 kV電壓上升6~8 kV,需注意電壓控制。
圖6 解網(wǎng)后地區(qū)電網(wǎng)的頻率曲線
3.2.2 不考慮甲水電站水電機(jī)組調(diào)速特性
220 kV聯(lián)絡(luò)線(A→B)的傳輸功率為80 MW時(shí)發(fā)生三永故障,0.12 s切除線路兩側(cè)斷路器,地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)頻率變化特性如圖6所示,甲水電站2號(hào)機(jī)組的有功變化特性如圖7所示,220 kV B站的110 kV側(cè)電壓變化特性如圖8所示。
圖7 甲水電站2號(hào)機(jī)有功曲線
圖8 220 kV B站110 kV母線電壓曲線
從上述3張圖可以看出220 kV聯(lián)絡(luò)線(A→B)的傳輸功率為80 MW時(shí)發(fā)生三永故障,線路被切除,地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。依靠低頻減載裝置動(dòng)作特性(切除了83 MW負(fù)荷),最終頻率可以恢復(fù)到合理范圍之內(nèi),地區(qū)電網(wǎng)110 kV電壓上升6~8 kV。
對比圖7和圖4可以看出:圖7中由于沒有考慮甲水電站水電機(jī)組的調(diào)速特性,聯(lián)絡(luò)線跳閘前后,有功功率變化不大。地區(qū)電網(wǎng)的頻率主要依靠低頻減載裝置動(dòng)作和負(fù)荷自身的頻率特性來尋找功率平衡,最終達(dá)到頻率穩(wěn)定。圖4中考慮了甲水電站水電機(jī)組的調(diào)速特性,聯(lián)絡(luò)線跳閘后,水電機(jī)組調(diào)速器動(dòng)作,增加了水電機(jī)組的有功出力,同時(shí)低頻減載裝置動(dòng)作切除部分負(fù)荷,加之負(fù)荷自身的頻率特性,三者共同作用達(dá)到頻率穩(wěn)定。
通過上述分析可知:由于考慮了水電機(jī)組調(diào)速特性,聯(lián)絡(luò)線的極限功率比不考慮水電機(jī)組調(diào)速特性時(shí)有所提高。但從圖4中也可以明顯看出:聯(lián)絡(luò)線跳開的瞬間,水電機(jī)組的功率并非直接上升,而是因?yàn)樗姍C(jī)組的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性作用,機(jī)組出力先下降后上升。在機(jī)組出力下降過程中,地區(qū)電網(wǎng)頻率加速下降,有可能造成低頻減載裝置滑差閉鎖或者切荷量不足,最終造成頻率失穩(wěn),電壓崩潰。
(1)考慮水電機(jī)組調(diào)速特性時(shí),聯(lián)絡(luò)線(220 kV聯(lián)絡(luò)線)極限傳輸功率為100 MW,略大于不考慮水電機(jī)組調(diào)速特性時(shí)的極限傳輸功率80 MW。
(2)地區(qū)電網(wǎng)絕大部分電源為水電機(jī)組,由于水電機(jī)組動(dòng)態(tài)反調(diào)特性的影響,考慮水電機(jī)組調(diào)速特性時(shí)聯(lián)絡(luò)極限傳輸功率提高幅度有限。
(1)加快建設(shè)與主網(wǎng)聯(lián)系第二通道,增強(qiáng)地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。
(2)盡快在地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)建設(shè)火電機(jī)組,利用火電機(jī)組一次調(diào)頻作用中和水電機(jī)組動(dòng)態(tài)反調(diào)特性,提高地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后頻率穩(wěn)定性。
(3)加強(qiáng)對應(yīng)急燃機(jī)電源的維護(hù)及相關(guān)工作,確保應(yīng)急電源在關(guān)鍵時(shí)刻可以起到電源作用。
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