王龍，曹建偉，鄭攀東，張怡心，董曉燕

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江湖州313000；2.湖州電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江湖州313000）

輸配電技術(shù)

天然氣能源站接入電網(wǎng)的運(yùn)行方式及其穩(wěn)定性研究

王龍1，曹建偉1，鄭攀東2，張怡心2，董曉燕2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江湖州313000；2.湖州電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江湖州313000）

大規(guī)模天然氣內(nèi)燃機(jī)組接入將對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和運(yùn)行方式制定產(chǎn)生較大影響。為分析天然氣機(jī)組接入對(duì)電網(wǎng)的影響，基于天然氣能源站的兩種不同運(yùn)行方式，分析了能源站接入對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。研究得到能源站機(jī)組的故障切除極限時(shí)間和穩(wěn)定控制策略，可為大規(guī)模天然氣能源站接入電網(wǎng)的工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

節(jié)能減排；暫態(tài)穩(wěn)定；極限切除時(shí)間；數(shù)字仿真；運(yùn)行方式

0 引言

隨著氣候環(huán)境的日益惡化，如何利用和發(fā)展清潔能源是近些年國內(nèi)外專家和學(xué)者的重要研究內(nèi)容[1-3]。為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，最大限度地減少能源使用對(duì)環(huán)境的影響，浙江省提出“節(jié)能優(yōu)先、結(jié)構(gòu)多元、環(huán)境友好”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。天然氣作為非常重要的一種清潔能源，可利用冷熱電三聯(lián)供方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，預(yù)計(jì)在浙江省未來幾年的能源利用比例將大幅度提高[4-5]。

文獻(xiàn)[6-10]討論了大規(guī)模天然氣機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電將對(duì)電網(wǎng)潮流分布和短路水平的影響，但對(duì)于系統(tǒng)機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定問題沒有涉及。

為分析天然氣能源站不同運(yùn)行方式的特性，及其接入對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，為今后大規(guī)模天然氣能源站接入電網(wǎng)工程提供理論指導(dǎo)和參考依據(jù)，以浙江A市電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以某天然氣能源站為研究對(duì)象，研究天然氣能源站接入對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，對(duì)比分析不同運(yùn)行方式的特性，為天然氣發(fā)電并網(wǎng)的運(yùn)行方式選擇提供參考。

1 系統(tǒng)參數(shù)

A市2015年夏季典型日的最大負(fù)荷為3 250 MW，系統(tǒng)機(jī)組出力為2 700 MW，在運(yùn)行的重要電站有5座，其關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

某天然氣能源站（以下簡稱能源站），配置有單機(jī)容量為4.3 MW的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組9臺(tái)，總裝機(jī)容量34.4 MW，通過2×63 MVA主變壓器（以下簡稱主變）接入A市電網(wǎng)，能源站的電壓等級(jí)為110 kV/10 kV。能源站內(nèi)的Ⅰ段母線帶有負(fù)荷25.3 MW，Ⅱ段母線帶有負(fù)荷19.5 MW，站內(nèi)各機(jī)組型號(hào)均相同，其關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表1 A市重要電站的機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)

表2 能源站單臺(tái)機(jī)組的關(guān)鍵參數(shù)

能源站通過2回110 kV線路接入電網(wǎng)，其中1回通過專線接入英溪變電站，1回T接到英溪-莫梁線，其接入后的A市輸電網(wǎng)電壓分布如圖1所示。

分析圖1可知，能源站接入A市電網(wǎng)，A市電網(wǎng)的各變電站母線電壓水平均在合理范圍內(nèi)。

基于表1、表2的發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)和圖1的電網(wǎng)網(wǎng)架，下面進(jìn)行能源站的運(yùn)行方式分析和電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定研究。

圖1 能源站接入后的系統(tǒng)電壓分布

2 運(yùn)行方式分析

能源站的110 kV和10 kV母線均采用雙母分段方式，其運(yùn)行方式有分列、并列2種，下面依次討論這2種運(yùn)行方式的不同特性。

2.1 分列運(yùn)行

能源站的分列運(yùn)行如圖2所示。分析圖2可知，分列運(yùn)行時(shí)，能源站Ⅰ段母線和Ⅱ段母線的機(jī)組與負(fù)荷屬于2個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，當(dāng)Ⅰ段發(fā)生故障時(shí)，只需對(duì)Ⅰ段進(jìn)行操作，Ⅱ段不受影響；反之亦然。

圖2 能源站分列運(yùn)行示意

2.2 并列運(yùn)行

能源站的并列運(yùn)行如圖3所示。從圖3可看出，并列運(yùn)行時(shí)，能源站Ⅰ段母線和Ⅱ段母線的機(jī)組與負(fù)荷屬于1個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)Ⅰ段發(fā)生故障時(shí)，Ⅱ段將受到影響；反之亦然。

圖3 能源站并列運(yùn)行示意

2.3 分列、并列方式比較

分列運(yùn)行與并列運(yùn)行時(shí)的主要指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 分列與并列運(yùn)行的主要指標(biāo)對(duì)比

分析表3可得，相對(duì)于并列運(yùn)行，分列運(yùn)行時(shí)的機(jī)組穩(wěn)定性和供電可靠性較低，但其短路電流小，一旦發(fā)生故障（不考慮故障操作），其故障面積比并列運(yùn)行的故障面積小，且繼保設(shè)備的投資少；并列運(yùn)行所需的投資高，但其運(yùn)行時(shí)的機(jī)組穩(wěn)定性和供電可靠性相對(duì)較高。

2)無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)獲取速度快、影像分辨率高，在稀土開采監(jiān)測(cè)中有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為稀土開采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段。

下面依次分析能源站內(nèi)的機(jī)組和電網(wǎng)大機(jī)組在分列、并列2種運(yùn)行方式下的暫態(tài)穩(wěn)定性。

3 穩(wěn)定性分析

考慮到英溪線和英莫線發(fā)生的概率相等，且站內(nèi)其他設(shè)備故障時(shí)的電網(wǎng)運(yùn)行工況相似，下面僅就英溪線發(fā)生三相短路永久故障情況進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。

3.1 分列運(yùn)行

分列運(yùn)行，且發(fā)生故障，2 s切除故障時(shí)的系統(tǒng)大機(jī)組功角曲線如圖4所示。分析圖4可知，分列運(yùn)行的能源站出口線路發(fā)生故障不會(huì)影響系統(tǒng)大機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

英溪線發(fā)生故障，0.15 s切除后的站內(nèi)機(jī)組功角曲線如圖5所示。

圖4 2 s切除故障時(shí)的系統(tǒng)機(jī)組功角曲線

圖5 0.15 s切除故障時(shí)的站內(nèi)機(jī)組功角曲線

0.15 s為繼電保護(hù)切除故障的極限時(shí)間，分析圖5可知，英溪線發(fā)生故障時(shí)，Ⅰ段母線上的機(jī)組功角將越來越大，即Ⅰ段母線上5臺(tái)的機(jī)組均將失穩(wěn)。此情況下，能源站Ⅰ段母線上的機(jī)組將被切除，其中斷向電網(wǎng)供電，且Ⅰ段母線上的負(fù)荷供電亦被中斷。Ⅱ段母線上的機(jī)組功角差越來越小，即Ⅱ段母線上的4臺(tái)機(jī)組仍然穩(wěn)定運(yùn)行，其繼續(xù)向系統(tǒng)供電。此結(jié)論驗(yàn)證了2.1節(jié)分析結(jié)果的正確性。

3.2 并列運(yùn)行

結(jié)合3.1的分析結(jié)論可知，能源站在并列、分列運(yùn)行發(fā)生故障情況下，系統(tǒng)大機(jī)組均是穩(wěn)定性的。

并列運(yùn)行，能源站出口發(fā)生故障時(shí)，故障切除及時(shí)，則站內(nèi)的機(jī)組可繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；如果故障切除不及時(shí)，則站內(nèi)的機(jī)組將失穩(wěn)退出運(yùn)行。

故障在極限時(shí)間前后切除時(shí)的站內(nèi)機(jī)組功角曲線如圖7所示。經(jīng)過理論計(jì)算和實(shí)際仿真分析可知，本算例中，故障的極限切除時(shí)間是0.20 s，即11個(gè)周波。當(dāng)出口線路發(fā)生三相短路永久故障時(shí)，如果0.20 s內(nèi)切除故障，則能源站內(nèi)的機(jī)組均可繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，如圖7的虛線所示，站內(nèi)機(jī)組的功角曲線收斂；如果超過0.20 s再切除故障，則能源站內(nèi)的機(jī)組均失穩(wěn)定運(yùn)行，如圖7的實(shí)線所示，站內(nèi)機(jī)組的功角曲線發(fā)散。

圖6 2 s切除故障時(shí)的站內(nèi)機(jī)組功角曲線

圖7 極限時(shí)間前后切除時(shí)的站內(nèi)機(jī)組功角曲線

基于上述分析結(jié)論，為實(shí)現(xiàn)故障在0.20 s切除，則需要在能源站出口線路側(cè)安裝一套光線差動(dòng)保護(hù)裝置。

4 結(jié)論

以浙江A市電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以某天然氣能源站為研究對(duì)象，研究得到如下結(jié)論：

（1）分列運(yùn)行時(shí)的站內(nèi)負(fù)荷供電可靠性較低，并列運(yùn)行時(shí)的站內(nèi)負(fù)荷供電可靠性相對(duì)較高；分列運(yùn)行發(fā)生短路時(shí)的高/低壓側(cè)短路電流值小，并列運(yùn)行發(fā)生短路時(shí)的高/低壓側(cè)短路電流值相對(duì)較大；分列運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障時(shí)的故障面積相對(duì)較小，并列運(yùn)行時(shí)，如果故障切除不及時(shí)，則其故障面積相對(duì)較大。

（2）為保證故障能夠及時(shí)切除，并列運(yùn)行需安裝一套光差保護(hù)，其繼保投資費(fèi)用相對(duì)更高。

（3）小容量天然氣能源站接入電網(wǎng)，不影響原電網(wǎng)大機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）分列運(yùn)行時(shí)，出口線路側(cè)發(fā)生故障，則故障側(cè)母線的機(jī)組將失穩(wěn)，非故障側(cè)母線的機(jī)組繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）并列運(yùn)行時(shí)，出口線路側(cè)發(fā)生故障，故障在極限切除時(shí)間內(nèi)切除，則站內(nèi)的機(jī)組將繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

研究結(jié)論可為天然氣能源站的運(yùn)行方式選擇提供參考，為其接入對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定影響分析提供理論指導(dǎo)。在研究過程中，能源站內(nèi)的機(jī)組容量設(shè)為固定，分析能源站配置不同容量機(jī)組時(shí)的經(jīng)濟(jì)收益，是今后的研究重點(diǎn)。

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（本文編輯：陸瑩）

Research on Operation Mode and Stability of Natural Gas Energy Station Integrated into Power Grid

WANG Long1，CAO Jianwei1，ZHENG Pandong2，ZHANG Yixin2，DONG Xiaoyan2
（1.State Grid Huzhou Power Supply Company，Huzhou Zhejiang 313000，China；2.Huzhou Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Huzhou Zhejiang 313000，China）

The integration of large scale natural gas engine units has a great impact on operation stability and operation mode of power grid.In order to analyze the impact of natural gas engine units on power grid，the influence of energy station on transient operation stability of power grid is analyzed based on the two different operation modes of natural gas energy station.Critical fault clearing time and stability control strategy of the energy station engine units are concluded through the research to provide theoretical guidance for engineering design of the integration of large scale natural gas energy station into power grid.

energy saving and emission reduction；transient stability；critical clearing time；digital simulation；operation mode

10.19585/j.zjdl.201705001

：1007-1881（2017）05-0001-04

：TM712

：A

2016-11-07

王龍（1983），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。