白興東，牛啟宏，郝廣平，陶智全，王錦程，陸民，趙紅磊，劉永湘

(甘南供電公司，甘肅甘南747000)

0 引言

近年來隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施以及對環(huán)境問題的高度關注，各地區(qū)利用其豐富的水資源開發(fā)了許多清潔無污染的水電站，中小型水力發(fā)電已經成為我國電力的重要組成部分。由于各地電網跨區(qū)互聯，部分電網與主網聯系薄弱，如通過單臺聯絡變壓器或者單回線路聯網，聯絡元件一旦故障跳閘局部電網將脫離主網獨立運行［1］。采用水電群孤網運行可以提高電網應對突發(fā)故障的能力，避免局部故障可能造成大面積停電事故，是主網故障發(fā)生時的應急措施。利用小水電機組立即帶負荷向電網供電，既可以縮短恢復供電的時間又可以降低停電帶來的巨大的經濟損失。

甘南地區(qū)水電群逐級匯集升壓后大功率高壓外送甘肅主網。由于雷電等原因使上級并網線路出現故障，系統頻率或電壓越限以及失步保護動作使小水電群容易與甘肅主網解列形成孤網，孤網運行時由于系統功率不平衡導致電網頻率和電壓產生波動。當系統功率過剩時可能會導致電壓、頻率嚴重發(fā)生變化，從而影響系統的安全運行和電氣設備的壽命與絕緣特性。

1 水電群孤網運行主要存在的問題

甘南電網位于甘肅電網東南部，是甘肅電網的末端網絡，主要由洛大片電網和多合片電網組成，承擔著甘南州七縣一市的負荷需求同時將多余功率送入甘肅主網。甘南東部電網以330 kV多合變電站為中心，正常運行方式下通過30955臨多單回線與甘肅主網連接運行，110 kV合作變、夏河變1114合臨線、1115夏臨線備用，其網內有大量的小水電電源。甘南多合地區(qū)就是典型的小水電群區(qū)域，小水電位于線路末端逐級匯集后經110 kV變電站升壓后送至多合變電站最后通過330 kV線路送入甘肅主網。圖1為多合地區(qū)電網主接線，網內有水電廠20座，變壓器83臺，負荷母線25條。夏大運行方式下，機組總有功出力為230.27 MW，無功出力為37.5 Mvar，其中70.34 MW供給當地負荷需求，其余通過330 kV多合變電站送入甘肅主網。

當多合變電站和甘肅主網之間線路出現故障或者頻率電壓越限時并網斷路器跳閘后，多合地區(qū)便形成了水電群孤網運行狀態(tài)。水電群孤網運行后因輸電線路對地電容產生較大的充電功率，導致系統電壓會迅速升高。由于多合地區(qū)內負荷功率較低，使大量有功功率過剩導致系統頻率發(fā)生大幅升高。頻率的大幅波動將使系統電抗參數發(fā)生較大改變，會大大增加線路充電無功功率，進而使母線電壓繼續(xù)升高，加重了系統內平衡無功功率的負擔［2］。當孤網系統頻率超過臨界值時還可能使水電機組步入自勵磁運行狀態(tài)。因此，必須對水電群孤網運行時的電壓和頻率進行合理的控制，同時合理抑制區(qū)域弱聯電網解列引起的過電壓［3］，才能使水電群孤網穩(wěn)定運行。

圖1 多合電網電氣主接線

2 頻率控制策略

圖2 多合電網孤網運行頻率變化曲線

當發(fā)生故障導致多合330 kV變電站與甘肅主網裂解形成孤網，該孤網由于大量功率的過剩導致系統頻率大幅增加。圖2為多合地區(qū)孤網運行時頻率隨時間變化曲線，從圖看出，當形成孤網瞬間系統頻率由50 Hz迅速升高，而且陡度較大。若不立即采取切機措施，將會導致系統頻率反復振蕩，嚴重影響電網安全穩(wěn)定運行［4］。為解決多合電網孤網運行時的高頻問題，應采取連鎖切機措施，在連鎖切機措施部分或全部拒動的情況下，再采取發(fā)電機高頻切機措施，當頻率升高到一定值時，經過一定延時切除設定的發(fā)電機組，使系統有功功率最終達到平衡，頻率恢復到可接受范圍之內。

孤網形成初期，因網內功率不平衡故要求每臺機組具有相應的調節(jié)能力，即根據頻率或者轉速等參數的變化進行調節(jié)。水輪機調速器轉速負荷控制功能是反饋轉速誤差信號來改變導葉開度，控制水量的變化從而實現有功調節(jié)，其響應特性主要取決于水輪機的響應特性［5］。發(fā)電機組功頻特性的調差系數主要取決于調速器的靜態(tài)調節(jié)特性，它與機組間功率分配密切相關。為了使多臺機組并列穩(wěn)定運行，調速器工作特性應具有下垂特性，才能保證各發(fā)電機之間負荷的合理分配。在系統孤網運行模式下要求速度控制具備良好的穩(wěn)定性，這與正常同步運行條件下需要快速帶負荷和切負荷的調速器整定值相矛盾。為了快速改變負荷，必須具有較快的調速器響應速度。但是造成快速響應的調速器整定值，在電網解列時會造成頻率不穩(wěn)定。若通過機組自調節(jié)能力無法使孤網穩(wěn)定，則需要通過切機或切負荷方案來實現。

針對甘南孤網高頻現象，僅憑借水輪機調節(jié)能力無法達到穩(wěn)定運行，必須通過切機方案才能實現孤網穩(wěn)定運行。孤網穩(wěn)定運行后，根據孤網運行特性對相應的自動裝置進行合理的調整以保證孤網穩(wěn)定運行。夏大運行方式下，當發(fā)生故障并網斷路器跳閘使多合變電站與甘肅主網解裂后，相當于多合網突然失去了159.93 WM負荷。因此形成孤網后，為了使孤網能保持功率平衡以及穩(wěn)定運行必須切除部分機組。經PSASP仿真計算，確定了以下切機方案表1所示，該切機方案下孤網系統可以保持穩(wěn)定運行。

表1 高頻切機方案

水電群孤網運行利用高頻切機措施來抑制孤網高頻現象，可以預先制定發(fā)電機的控制策略、自身轉速以及電網頻率信號等切機方案。多合地區(qū)小水電主要為低水頭徑流式水電機組，孤網時可能會出現頻率控制的穩(wěn)定性問題，解決措施是孤網后切換調速器參數，整定適合孤網運行的調速器參數在水電群孤網后切換參數。這種控制措施的關鍵在于通過外送通道的功率和電流信號判斷孤網運行狀態(tài)、判斷電網調度中心或地區(qū)調度中心再依次執(zhí)行孤網控制策略。一般情況下小機組因調頻能力有限，在大電網運行時不參與頻率的調節(jié)，相當于恒定功率的電源，系統調頻主要通過大機組良好的調頻能力來實現。孤網運行時由于孤網區(qū)域功率過剩，所有機組的出力均加重功率過剩程度，使得系統調頻越難。所以在孤網運行時，應嚴格控制恒定有功出力機組的運行。

3 電壓控制策略

圖3 多合地區(qū)220 kV母線電壓隨發(fā)電機進相深度變化曲線

電壓控制可以利用投切電抗器或者機組進相運行能力來平衡系統過剩無功。投切電抗器需要增加額外的無功補償裝置費用以及控制成本，成本較大不經濟。同步發(fā)電機通過勵磁電流來控制無功出力，當發(fā)電機由滯相運行轉入進相運行時，進一步減小勵磁電流，發(fā)電機向系統提供有功的同時吸收系統無功。利用發(fā)電機進相能力平衡系統過剩無功功率可以有效地控制系統電壓。利用發(fā)電機進相運行能力不僅響應速度快而且控制成本也低，因此利用發(fā)電機進相運行實現快速連續(xù)調節(jié)是一種有效的措施［6-7］。

從圖3可以看出，發(fā)電機進相運行深度越深，母線電壓越高。多合電網孤網運行時，因線路對地充電電容較大，系統呈容性。當發(fā)電機進相運行時，向系統提供大量的容性無功，即吸收系統大量的感性無功，系統母線電壓升高。為了使孤網安全穩(wěn)定運行必須使發(fā)電機進相運行在某一深度范圍，同時需要考慮發(fā)電機端電壓的安全運行范圍。針對多合孤網，發(fā)電機進相運行深度處在0.28-0.34范圍內，可以使系統電壓穩(wěn)定在正常水平。發(fā)電機進相能力主要由定子鐵心端部熱極限、靜態(tài)穩(wěn)定極限和定子過電流極限共同決定，所以對發(fā)電機進行低勵磁限制和保護，以限制發(fā)電機進相功率，避免因勵磁過小而威脅發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。

4 結束語

甘南地區(qū)水電群孤網運行下由于系統內有功功率和無功功率的嚴重過剩導致系統頻率和電壓發(fā)生大幅波動。本文結合甘南電網孤網運行存在的問題，初步探討了水電群孤網運行后電壓和頻率控制措施，為甘南電網孤網穩(wěn)定運行提供一定的參考。

［1］王一振，馬世英，王青，等.電力系統孤網高頻問題研究現狀和發(fā)展趨勢［J］.電網技術，2012，36(12):165-168.

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［3］胡立錦，張新燕，王維慶，等.地區(qū)電網解列后過電壓控制策略研究［J］.陜西電力，2011，39(8):9-12.

［4］李祥，劉繼榮，趙紅磊.甘南電網孤網運行分析及控制方案的制定［J］.陜西電力，2013，41(4):66-70.

［5］張培高，李興源，李政.孤網頻率穩(wěn)定與控制［J］.電力系統保護與控制，2012，45(15):143-147.

［6］蒲倩，張毅威，陸秋瑜，等.四川茂縣水電群孤網運行電壓控制［J］.中國電力，2012，45(2):5-8.

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