何文博,關(guān)煥新,高慶忠
(沈陽(yáng)工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110136)
扎魯特—青州±800kV高壓直流工程是落實(shí)中央全面振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略部署,推動(dòng)?xùn)|北電力協(xié)調(diào)發(fā)展的重大工程。扎魯特直流投運(yùn)后,遼寧、黑龍江、吉林、蒙東地區(qū)的大部分電力將通過(guò)扎魯特直流送出,遼寧電網(wǎng)500kV層面更多的電力將向扎魯特匯集,形成東電西送為主的特高壓交直流混聯(lián)格局[1],遼寧電網(wǎng)主要輸送斷面的暫態(tài)穩(wěn)定極限均將重新界定,運(yùn)行特性發(fā)生較大改變。本文主要通過(guò)對(duì)遼寧部分電網(wǎng)的仿真分析了扎魯特直流工程投運(yùn)后發(fā)生直流閉鎖故障[2]對(duì)遼寧地區(qū)部分電網(wǎng)的影響,并基于以上分析制訂了應(yīng)對(duì)措施。
遼寧電網(wǎng)位于東北電網(wǎng)的南端,是東北電網(wǎng)與華北電網(wǎng)的聯(lián)系樞紐。根據(jù)負(fù)荷電源布局及網(wǎng)架結(jié)構(gòu),可分為遼西電網(wǎng)、遼中電網(wǎng)和遼南電網(wǎng)。
扎魯特直流輸電工程投運(yùn)后,對(duì)遼寧地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行、頻率、無(wú)功動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、原有繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定裝置等各個(gè)方面都產(chǎn)生了不同程度的影響。為研究遼寧直流系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題,需要將遼寧直流系統(tǒng)整體關(guān)聯(lián)起來(lái),對(duì)遼寧直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,了解直流系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理和各元器件設(shè)備特性,進(jìn)而研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和故障特性。
扎魯特直流定位是送出遼寧目前盈余電力,10 000 MW功率通過(guò)500 kV線路從全網(wǎng)遠(yuǎn)距離匯集,電壓控制十分困難,集中表現(xiàn)在直流初始功率超過(guò)一定限值時(shí)交直流系統(tǒng)故障過(guò)程中,換流站及其近區(qū)暫態(tài)電壓和故障后的穩(wěn)態(tài)電壓直接威脅一、二次設(shè)備安全。
暫態(tài)電壓升高引起的設(shè)備安全問(wèn)題成為影響扎魯特直流輸電能力的關(guān)鍵因素。扎魯特直流雙極閉鎖,采取不同電容切頭策略下?lián)Q流站交流側(cè)母線電壓暫態(tài)過(guò)程如圖1、圖2所示。
圖1 直流雙極閉鎖,不同電容投切策略下扎魯特?fù)Q流站交流母線暫態(tài)電壓
圖2 直流雙極閉鎖,不同電容投切策略下穆家換流站交流母線暫態(tài)電壓
由圖1、圖2可見(jiàn),若不采取任何措施,扎魯特直流雙極閉鎖后,對(duì)遼寧電網(wǎng)電壓沖擊很大,換流站交流母線暫態(tài)電壓最高超過(guò)1.3 pu,恢復(fù)穩(wěn)態(tài)后的電壓超過(guò)1.2 pu,其他母線暫態(tài)電壓超過(guò)1.1 pu,恢復(fù)穩(wěn)態(tài)后的電壓超過(guò)1.05 pu,系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。
一次性投切電容和分組逐步投切電容,二者在系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)后電壓基本保持一致,逐步投切條件下,電壓暫態(tài)恢復(fù)相對(duì)慢一些,暫態(tài)電壓超標(biāo)的時(shí)段更長(zhǎng)。由以上分析可見(jiàn),為了抑制遼寧特高壓電網(wǎng)發(fā)生直流閉鎖故障后的電壓超標(biāo)問(wèn)題,迅速切除換流站電容器組和濾波器組是有效措施之一。
直流輸送容量與閉鎖故障后的電壓暫態(tài)特性密切相關(guān)[3],若直流輸送容量大,閉鎖后系統(tǒng)失去電壓較多,無(wú)功不平衡功率差額也較大,對(duì)電網(wǎng)電壓的沖擊和影響就更大。不同輸送容量下,扎魯特直流雙極閉鎖,扎魯特直流輸送容量分別為10 000 MW、8 000 MW、6 000 MW時(shí),換流站交流側(cè)母線電壓暫態(tài)過(guò)程如圖3、圖4所示。
圖3 直流雙極閉鎖,不同直流輸送容量下扎魯特?fù)Q流站交流母線暫態(tài)電壓
圖4 直流雙極閉鎖,不同直流輸送容量下穆家換流站交流母線暫態(tài)電壓
由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),隨著扎魯特直流輸送容量的增加,扎魯特直流雙極閉鎖后,對(duì)遼寧電網(wǎng)電壓沖擊也逐漸增加,系統(tǒng)暫態(tài)電壓隨著扎魯特直流傳輸容量的增加而不斷增加。三者的主要區(qū)別在于初始暫態(tài)過(guò)電壓不同,電壓恢復(fù)過(guò)程中的暫態(tài)電壓不同,而穩(wěn)態(tài)恢復(fù)電壓基本相近。由以上分析可見(jiàn),為了抑制遼寧特高壓電網(wǎng)發(fā)生直流閉鎖故障后的電壓超標(biāo)問(wèn)題,在某些運(yùn)行方式下,限制扎魯特直流輸送容量也是有效措施之一。
輸送容量最大(10 000 MW)時(shí),當(dāng)扎魯特直流雙極閉鎖時(shí),扎魯特?fù)Q流站和遼寧典型500 kV母線電壓計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。
圖5 扎魯特直流10 000 MW,雙極閉鎖時(shí)扎魯特?fù)Q流站母線電壓曲線
圖6 扎魯特直流10 000 MW,雙極閉鎖時(shí)遼寧典型500 kV母線電壓曲線
由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn):①扎魯特直流發(fā)生閉鎖故障后,大量容性無(wú)功注入交流系統(tǒng),導(dǎo)致?lián)Q流站周邊電網(wǎng)電壓迅速升高。電網(wǎng)其余各部分的電壓也有較大的暫態(tài)電壓,但換流站附近暫態(tài)電壓的升高最為顯著。②雙極閉鎖時(shí)近區(qū)500 kV母線瞬間電壓接近1.4 pu??梢?jiàn)直流閉鎖瞬間由于無(wú)功大量剩余,換流站周圍變電站母線電壓快速升高,但在無(wú)功裝置切除后,近區(qū)變電站母線電壓均能夠恢復(fù)到正常水平附近。
雙級(jí)閉鎖故障下電壓穩(wěn)定性及控制策略如下。
a.直流換相[4]失敗,如果直流輸送功率10 000 MW,換流母線暫態(tài)電壓最高將達(dá)到1.4 pu;若要控制暫態(tài)電壓不超過(guò)1.3 pu,需控制直流初始功率不大于8 400 MW;如果控制暫態(tài)電壓不超過(guò)1.1 pu(風(fēng)場(chǎng)的220 kV電壓母線),需控制直流初始功率不大于6 200 MW。
b.直流閉鎖后系統(tǒng)的電壓暫態(tài)過(guò)程和恢復(fù)后的電壓運(yùn)行狀態(tài),與直流閉鎖故障前的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、無(wú)功配置、直流功率、開(kāi)機(jī)方式等多種因素有關(guān),為保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定運(yùn)行和新能源的大規(guī)模送出,建議開(kāi)展針對(duì)遼寧特高壓電網(wǎng)直流閉鎖故障下的遼寧地區(qū)無(wú)功和電壓優(yōu)化配置和運(yùn)行的研究。
c.為提高遼寧交直流混合電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和抵御事故的能力,建議開(kāi)展主干網(wǎng)架動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償220 kV風(fēng)電接入網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償策略的研究。
扎魯特直流發(fā)生單極閉鎖或雙極閉鎖,遼寧送端電網(wǎng)均會(huì)失去大量負(fù)荷,產(chǎn)生電源過(guò)剩,從而引發(fā)較為劇烈的功率振蕩和發(fā)電機(jī)功角擺動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中,伴隨著頻率變化和電壓的變化,為此從功角角度來(lái)分析直流發(fā)生閉鎖后電網(wǎng)的故障特性。
按照扎魯特直流分別輸送10 000 MW、8 000 MW、6 000 MW條件下,冬季大負(fù)荷,發(fā)生雙極閉鎖故障,研究遼寧電網(wǎng)典型機(jī)組功角特性。計(jì)算過(guò)程中暫不考慮切除機(jī)組措施,換流站電容器組在故障后0.5 s一次性投切,計(jì)算結(jié)果如圖7—圖9所示。
圖7 扎魯特直流雙極閉鎖,不同直流輸送容量下,綏中—伊敏機(jī)組功角特性曲線
圖8 扎魯特直流雙極閉鎖,不同直流輸送容量下,綏中—霍林河機(jī)組功角特性曲線
圖9 扎魯特直流雙極閉鎖,不同直流輸送容量下,綏中—白音華機(jī)組功角特性曲線
經(jīng)仿真計(jì)算結(jié)果可知:扎魯特直流雙極閉鎖后遼寧電網(wǎng)重要機(jī)組的功角搖擺曲線如能夠保持一致,典型大機(jī)組將發(fā)生功角搖擺[5],最大功角差為20°,這表明同步穩(wěn)定性[6]不是制約系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題的主要因素。
扎魯特直流工程投產(chǎn)后,當(dāng)扎魯特直流出現(xiàn)單極閉鎖時(shí),遼寧電網(wǎng)頻率變化如圖10—圖12所示。
圖10 扎魯特直流雙極閉鎖時(shí)遼寧頻率特性曲線
圖11 扎魯特直流雙極閉鎖時(shí),切機(jī)5 900 MW,遼寧頻率特性曲線
圖12 扎魯特直流雙極閉鎖時(shí),切機(jī)8 540 MW,遼寧頻率特性曲線
雙級(jí)閉鎖故障下頻率穩(wěn)定性及控制策略如下。
a.若扎魯特直流雙極閉鎖,不采取任何切機(jī)措施,東北電網(wǎng)頻率最高可能升至53.12 Hz。
b.若扎魯特直流雙極閉鎖或雙極閉鎖后再啟動(dòng)失敗,為控制頻率最高不超過(guò)51 Hz,需切除東北電網(wǎng)5 900 MW電力,為控制穩(wěn)態(tài)頻率不超過(guò)50.2 Hz需切除東北電網(wǎng)8 890 MW電力。
由仿真結(jié)果可見(jiàn),為應(yīng)對(duì)遼寧電網(wǎng)的高頻問(wèn)題,應(yīng)在全網(wǎng)范圍內(nèi)組建頻率穩(wěn)定控制系統(tǒng),系統(tǒng)以扎魯特?fù)Q流站為主站,以遍布全網(wǎng)的火電、風(fēng)電、水電電源點(diǎn)或匯聚站為執(zhí)行站,控制措施包括:集中切除運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng);切除運(yùn)行水電機(jī)組;切除常規(guī)火電機(jī)組,切除不影響或影響可以接受的供熱火電機(jī)組。
對(duì)扎魯特直流輸電系統(tǒng)投運(yùn)后,遼寧地區(qū)部分電網(wǎng)進(jìn)行了仿真分析,研究了直流閉鎖故障下,切投電容以及輸送容量對(duì)遼寧部分電網(wǎng)電壓特性的影響,并給出了相關(guān)應(yīng)對(duì)措施;計(jì)算了遼寧部分電網(wǎng)在不同輸送容量下的功角特性曲線,并通過(guò)分析得到了同步穩(wěn)定性不是制約系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題的主要因素這一結(jié)論;研究了直流閉鎖故障對(duì)遼寧部分電網(wǎng)頻率的影響并制訂相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。