劉智洋,宋杭選,陸 杭,董爾佳

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030;2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090)

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發(fā)電廠內(nèi)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析

劉智洋1,宋杭選1,陸 杭2,董爾佳1

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030;2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090)

針對(duì)中國(guó)華電集團(tuán)某發(fā)電廠技術(shù)改造后新的接線形式和電氣參數(shù)進(jìn)行分析,建立等值模型,對(duì)廠內(nèi)不同運(yùn)行方式下出現(xiàn)的電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行了分類探討,結(jié)合算例對(duì)50種不同情況進(jìn)行了解析和計(jì)算,并依據(jù)結(jié)果,對(duì)該廠如何有效地控制均衡電流提出了建議。

等值模型;運(yùn)行方式;電磁環(huán)網(wǎng);均衡電流

在一座發(fā)電廠內(nèi)部,時(shí)常需要進(jìn)行設(shè)備檢修、停運(yùn)等操作,尤其在轉(zhuǎn)移負(fù)荷的過(guò)程中,會(huì)短時(shí)地形成電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),不利于電網(wǎng)安全運(yùn)行。相對(duì)于輸電網(wǎng)中的電磁環(huán)網(wǎng),廠內(nèi)接線較短,環(huán)路阻抗小,此時(shí)若不能對(duì)環(huán)網(wǎng)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行很好地控制,同樣會(huì)出現(xiàn)線路跳閘等事故,進(jìn)而波及周圍供電區(qū)引起連鎖反應(yīng)[1]。

中國(guó)華電集團(tuán)某發(fā)電廠在脫硫技術(shù)改造工程實(shí)施完畢后,廠內(nèi)接線和設(shè)備參數(shù)發(fā)生了相應(yīng)的改變。因此,本文根據(jù)該廠提供的參數(shù),結(jié)合廠內(nèi)出現(xiàn)的電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行了分析和計(jì)算,以為電氣設(shè)備的合理選擇、繼電保護(hù)整定和調(diào)整運(yùn)行方式提供參考依據(jù)。

1 均衡電流的產(chǎn)生及計(jì)算

1.1 均衡電流的產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)兩路或多路供電系統(tǒng)在某處進(jìn)行對(duì)接形成環(huán)狀供電系統(tǒng)時(shí),通常會(huì)產(chǎn)生均衡電流,即一般意義上所說(shuō)的環(huán)流。產(chǎn)生這種均衡電流的主要原因是在合環(huán)前,合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)存在電位差,而均衡電流的作用便在于消除這種電位差,使合環(huán)后該合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓一致[2],供電線路合環(huán)模型如圖1所示。

圖1 供電線路合環(huán)模型

設(shè)圖1中左右兩側(cè)分別是同一供電系統(tǒng)中的兩條供電線路,AC1、AC2是兩條線路電網(wǎng)側(cè)的等值電源,Z1、Z2是將電網(wǎng)側(cè)的線路、變壓器等設(shè)備進(jìn)行歸算后的等值阻抗,虛線部分是指兩條線路在電網(wǎng)側(cè)存在的電氣聯(lián)系。

暫不考慮負(fù)荷電流,現(xiàn)假設(shè)兩條供電線路在K點(diǎn)進(jìn)行合環(huán)操作,設(shè)開(kāi)關(guān)K閉合前開(kāi)關(guān)兩側(cè)的端電壓分別為U1、U2,U1與U2同相位且|U1|>|U2|,則在開(kāi)關(guān)K的兩端出現(xiàn)了電位差ΔU

ΔU=U1-U2

(1)

當(dāng)開(kāi)關(guān)K閉合,即兩條線路進(jìn)行合環(huán)運(yùn)行,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均衡電流Ih。對(duì)于左側(cè)線路來(lái)說(shuō),合環(huán)后相當(dāng)于接入一個(gè)負(fù)荷,因此將會(huì)有電流Ih輸出。由于合環(huán)后開(kāi)關(guān)K兩側(cè)的電壓必須相等,因此若該電壓以Uk表示,則有

Uk=U1-IhZ1

(2)

對(duì)于右側(cè)線路來(lái)說(shuō),合環(huán)后是把它接到一個(gè)電壓更高的電源上,因此將會(huì)有電流Ih輸入,相應(yīng)地有

Uk=U2+IhZ2

(3)

對(duì)式(2)和式(3)進(jìn)行合并,

U1-IhZ1=U2+IhZ2

(4)

則可計(jì)算出均衡電流值

(5)

其中,∑Z定義為合環(huán)后形成的環(huán)路阻抗。電網(wǎng)中的設(shè)備多數(shù)是以電抗為主,即其R?X,∑Z中電抗占據(jù)了較大的比重,均衡電流在這種以電抗為主要成份的環(huán)路中流動(dòng),產(chǎn)生的主要是無(wú)功的效果,因此在部分文獻(xiàn)中也常把這種均衡電流稱為無(wú)功環(huán)流[3]。

在實(shí)際計(jì)算中,需要考慮三相系統(tǒng)中線電壓和相電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系并對(duì)上述公式進(jìn)行相應(yīng)地變換。

1.2 均衡電流的危害

通常情況下,合環(huán)前電壓較高的一側(cè),在合環(huán)后均衡電流將與負(fù)荷電流疊加,相應(yīng)地增大了該回路的總電流;而合環(huán)前電壓較低的一側(cè),在合環(huán)后均衡電流將與負(fù)荷電流抵消,相應(yīng)減小了該回路的總電流。這樣的電流分配造成的結(jié)果是,一側(cè)的輸電設(shè)備容易過(guò)負(fù)荷,而另一側(cè)的輸電設(shè)備欠負(fù)荷。

由式(5)可以看出,Ih的大小主要受合環(huán)點(diǎn)電位差ΔU和環(huán)路阻抗∑Z的影響,當(dāng)∑Z很小的時(shí)候,比如在發(fā)電廠內(nèi)部輸電線路均較短,此時(shí)即使是很小的ΔU也會(huì)產(chǎn)生較大的均衡電流值。均衡電流雖不是負(fù)荷電流,但卻同樣需要占據(jù)輸電通道,這樣就間接地減小了輸電線路和變壓器的容量,也增加了損耗。

特別是在電磁環(huán)網(wǎng)中,即由兩個(gè)不同電壓等級(jí)的輸電回路通過(guò)變壓器的電磁聯(lián)系形成環(huán)路時(shí),由于變壓器低壓側(cè)的電流與高壓側(cè)的電流存在一個(gè)變比的倍數(shù)關(guān)系,這種均衡電流的影響便會(huì)顯著增大,加之與原本的負(fù)荷電流進(jìn)行疊加,將產(chǎn)生很大的潮流值,進(jìn)而造成局部設(shè)備過(guò)載、繼電保護(hù)整定困難,甚至造成連鎖跳閘等重大安全事故。因此在電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的過(guò)渡階段,為提高供電可靠性,保證對(duì)重要用戶的不間斷供電,在電磁環(huán)網(wǎng)方式供電時(shí),需采取嚴(yán)格地計(jì)算和控制手段[4]。

2 發(fā)電廠電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式分析

2.1 廠內(nèi)接線情況

該發(fā)電廠坐落于哈爾濱市區(qū),擔(dān)負(fù)著周圍地區(qū)電力供應(yīng)及冬季供暖的重要角色。在即將完成的1～5號(hào)機(jī)組脫硫技改工程后,廠內(nèi)主要設(shè)備及其接線情況為: 5臺(tái)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量102 MW,配有4臺(tái)升壓主變、2臺(tái)降壓主變;電廠通過(guò)2條66 kV母線、4條10 kV母線、2條6.3 kV母線向外供電;通過(guò)4條6 kV母線提供廠用電。5臺(tái)發(fā)電機(jī)中,3臺(tái)通過(guò)10.5 kV母線接升壓變壓器上網(wǎng),2臺(tái)通過(guò)單元接線接變壓器上網(wǎng),其中1臺(tái)單元接線發(fā)電機(jī)出口通過(guò)分支電抗器轉(zhuǎn)供1條廠用6 kV母線;其余3條廠用6 kV母線通過(guò)電纜接至6.3 kV母線,經(jīng)由2臺(tái)降壓變接至10.5 kV母線。為限制短路電流,兩條10.5 kV母線通過(guò)母聯(lián)電抗器互聯(lián)。另有一臺(tái)廠高備變從66 kV母線直接降壓并通過(guò)電纜接至4個(gè)廠用6 kV母線段作為倒廠用負(fù)荷時(shí)的備用供電電源。

2.2 等值參數(shù)模型

為進(jìn)行發(fā)電廠內(nèi)的潮流計(jì)算,需先對(duì)接線進(jìn)行簡(jiǎn)化,以便在計(jì)算軟件中建立等值參數(shù)模型。

現(xiàn)將接線中性質(zhì)相同的負(fù)荷進(jìn)行合并,4個(gè)向外供電的10 kV母線以負(fù)荷的形式簡(jiǎn)化,在變壓器出口及廠高備變低壓側(cè)至廠用6 kV母線段的關(guān)鍵位置增加虛擬母線。在PSASP 6.29仿真系統(tǒng)中建立完成的發(fā)電廠等值參數(shù)模型,如圖2所示。

圖2中，6013、6014、6015、6016、100、654是6組開(kāi)關(guān),在正常運(yùn)行方式下,這6組開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的,即廠高備變不接4個(gè)6 kV母線段,10.5 kV和6.3 kV的兩段母線分別獨(dú)立運(yùn)行。

2.3 廠內(nèi)電磁環(huán)網(wǎng)分析

2.3.1 升壓主變并列運(yùn)行

當(dāng)2號(hào)或3號(hào)主變中的一臺(tái)進(jìn)行檢修時(shí),須閉合開(kāi)關(guān)100,將其下掛的10.5 kV母線段負(fù)荷通過(guò)母聯(lián)電抗器轉(zhuǎn)移至另一段上,此過(guò)程存在兩臺(tái)升壓主變并列運(yùn)行形成的電磁環(huán)網(wǎng)。這種情況下,環(huán)網(wǎng)中的設(shè)備為變壓器和電抗器,因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器較容易地控制兩臺(tái)主變的端電壓,使其達(dá)到一致,即產(chǎn)生的均衡電流在可控的范圍內(nèi)。

圖2 發(fā)電廠等值參數(shù)模型

2.3.2 升、降壓主變并列運(yùn)行

當(dāng)4號(hào)或5號(hào)降壓變中的一臺(tái)進(jìn)行檢修時(shí),須閉合開(kāi)關(guān)654,將其下掛的6.3 kV母線段負(fù)荷通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移至另一段上,此過(guò)程存在兩臺(tái)升壓主變各自帶兩臺(tái)降壓變并列運(yùn)行形成的電磁環(huán)網(wǎng)。這種情況下,環(huán)網(wǎng)中的設(shè)備只有4臺(tái)變壓器,因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器較容易地控制兩臺(tái)降壓變的端電壓,使其達(dá)到一致,即產(chǎn)生的均衡電流也在可控的范圍內(nèi)。

2.3.3 廠高備變投切倒廠用負(fù)荷

當(dāng)廠用6 kV母線段的電源電纜(即從6.3 kV母線引出線)檢修,須閉合6013～6016中與該廠用母線對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān),將該段廠用6 kV母線上的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至廠高備變供電,此時(shí)將形成以主變、降壓變、電源電纜、廠高備變、廠高備變低壓側(cè)電纜等元件組成的電磁環(huán)網(wǎng)。在這種情況下,由于廠用6 kV母線的電源電纜相對(duì)較長(zhǎng),因此其母線電壓受所帶負(fù)荷的影響較大。當(dāng)所帶負(fù)荷偏大時(shí),電源電纜的電流偏大,引起壓降偏大,母線電壓就偏低,反之則相反。即使廠高備變的出線電纜的端電壓可以控制,但受廠用母線電壓的影響,合環(huán)點(diǎn)的電位差也會(huì)存在較大波動(dòng)。

3 廠高備變投切過(guò)程電磁環(huán)網(wǎng)算例

根據(jù)市供電公司調(diào)控中心的規(guī)定,該廠內(nèi)的4條廠用6 kV母線段,最多只能有2條同時(shí)由廠高備變轉(zhuǎn)帶。在2～5號(hào)變壓器中,若有一臺(tái)檢修時(shí),則對(duì)不同的運(yùn)行方式,將會(huì)有多種負(fù)荷轉(zhuǎn)帶情況,如表1所示。

表1 不同運(yùn)行方式下負(fù)荷轉(zhuǎn)帶情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)于上述50種情況進(jìn)行均衡電流和環(huán)網(wǎng)潮流的計(jì)算,這里無(wú)法一一列舉,只選取一種對(duì)安全運(yùn)行影響較大的典型情況進(jìn)行分析?？紤]全開(kāi)機(jī)大負(fù)荷方式,當(dāng)5號(hào)降壓變檢修停運(yùn)且IV段廠用母線已經(jīng)由廠高備變轉(zhuǎn)帶后,III段廠用母線倒負(fù)荷的情況。

在III段廠用母線合環(huán)開(kāi)關(guān)6015閉合前,用仿真系統(tǒng)計(jì)算出各線路電流和母線電壓分布情況,如圖3所示。

圖3 廠用III段母線合環(huán)前潮流分布 (單位:kA、kV)

Fig.3 Power flow distribution of auxiliary power III segment bus bar before closed loop

從圖3可以看出,廠用Ⅲ段母線合環(huán)前開(kāi)關(guān)6015兩側(cè)的電位差標(biāo)幺值ΔU*=0.0485。合環(huán)后,2號(hào)主變、4號(hào)降壓變、Ⅲ段母線電源電纜、廠高備變低壓側(cè)電纜、廠高備變組成了電磁環(huán)網(wǎng),其環(huán)路阻抗標(biāo)幺值經(jīng)計(jì)算為∑Z*=0.0809+j1.3731。因此合環(huán)后產(chǎn)生的均衡電流標(biāo)幺值[5]為

轉(zhuǎn)換為有效值為

其中,IB為線電流的基準(zhǔn)值。合環(huán)后用仿真系統(tǒng)計(jì)算各線路電流和母線電壓分布情況如圖4所示。

圖4 廠用III段母線合環(huán)后潮流分布 (單位:kA、kV)

Fig.4 Power flow distribution of auxiliary power III segment bus bar after closed loop

從圖4中可見(jiàn),在這種運(yùn)行方式下進(jìn)行合環(huán),所產(chǎn)生的均衡電流與負(fù)荷電流進(jìn)行幾何疊加后造成III段母線的電源電纜流過(guò)的電流顯著增大,極易造成該線路過(guò)負(fù)荷而引發(fā)連鎖事故。

4 均衡電流控制措施

電磁環(huán)網(wǎng)中產(chǎn)生的均衡電流對(duì)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全運(yùn)行均會(huì)產(chǎn)生不利影響,如何將其控制在一定范圍內(nèi)是合環(huán)前必須考慮的問(wèn)題。從式(5) 中可知,控制均衡電流須從控制合環(huán)點(diǎn)電位差和環(huán)路阻抗兩個(gè)方面入手:1)通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器分接頭、在低壓母線做無(wú)功補(bǔ)償減小壓降，調(diào)整負(fù)荷改變運(yùn)行方式等方法控制電位差;2)通過(guò)增加限流電抗器等方法增大環(huán)路阻抗。

此外,在改變輸電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)上,國(guó)外已廣泛應(yīng)用柔性控制技術(shù)[6],這也為解決發(fā)電廠內(nèi)部電磁環(huán)網(wǎng)問(wèn)題開(kāi)了一扇窗,在兼顧經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),也可考慮引入此技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新嘗試。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)廠內(nèi)不同運(yùn)行方式下出現(xiàn)的50種電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行了分析和計(jì)算,得到了最大均衡電流為415 A,平均值維持在150 A左右。

由于在發(fā)電廠內(nèi)形成的電磁環(huán)網(wǎng)環(huán)路阻抗較小,即使合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓的輕微波動(dòng)也會(huì)使均衡電流產(chǎn)生較大變化,在不同的開(kāi)機(jī)及負(fù)荷條件下,均衡電流值將在一個(gè)較大的范圍內(nèi)浮動(dòng),因此上述計(jì)算結(jié)果僅作為選擇設(shè)備和調(diào)整運(yùn)行方式時(shí)的參考,在實(shí)際生產(chǎn)中,針對(duì)特定的運(yùn)行情況還需做進(jìn)一步的計(jì)算分析,以確定是否存在合環(huán)條件。

[1] 印永華,郭劍波,趙建軍，等.美加“8.14”大停電事故初步分析以及應(yīng)吸取的教訓(xùn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(10):8-11.

YIN Yonghua, GUO Jianbo, ZHAO Jianjun, et al. Preliminary analysis of large-scale blackout in interconnected North America power grid on August 14 and lessons to be drawn [J]. Power System Technology, 2003,27(10):8-11.

[2] 東北電業(yè)管理局調(diào)度局.電力系統(tǒng)運(yùn)行操作和計(jì)算[M].北京：水利電力出版社,1977.

Dispatching Bureau of Northeast Electric Power Management Bureau. Power system operation and calculation [M]. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 1977.

[3] 程林,劉文穎,王維州,等.電磁環(huán)網(wǎng)中無(wú)功環(huán)流的分析與控制[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(8):63-67.

CHENG Lin, LIU Wenying, WANG Weizhou, et al. Analysis and control of reactive circular power flow in looped electromagnetically coupled power networks[J]. Power System Technology, 2007,31(8):63-67.

[4] 多海龍,盧亮.電磁環(huán)網(wǎng)中環(huán)流的分析及控制[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2012(2):81-82.

DUO Haihong, LU Liang. Analysis and control of circular power flow in looped electromagnetically coupled power networks [J]. Inner Mongolia Science Technology and Economy, 2012(2):81-82.

[5] 何仰贊,溫增銀.電力系統(tǒng)分析[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002.HE Yangzan, WEN Zengyin. Electric power system analysis [M]. Wuhan:Huazhong University of Science and Technology Press, 2002.

[6] MATSUNO K,IYODA I,OUE Y.An experience of FACTS development 1980s and 1990s [C].Transmission and Distribution Conference and Exhibition,Yokohama,Japan,2002(2):1378-1381.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Analysis of electromagnetic looped networks inside the power plant

LIU Zhiyang1, SONG Hangxuan1, LU Hang2, DONG Erjia1

(1. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2. State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited, Harbin 150090, China)

This paper analyzed the new electrical connections and parameters after technical reformation of a power plant affiliated to China Huadian Corporation, established the equivalent model, classified and discussed the electromagnetic looped networks which were generated under different operation modes, calculated the example under 50 different conditions, and on the basis of the results gave suggestions on how to control the equilibrium current effectively.

equivalent model; operation mode; electromagnetic looped network; equilibrium current

2015-08-19。

劉智洋(1984—),男,工程師,主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行方式計(jì)算、電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算、電力供需、電網(wǎng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及應(yīng)用。

TM712

A

2095-6843(2016)01-0011-04