李積泰,省天驕,田 旭,劉 飛,王世斌,張桂紅
(國(guó)網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 青海 西寧 810008)
近年來(lái),隨著人類(lèi)社會(huì)的高速發(fā)展,一次能源可用量已經(jīng)有些捉襟見(jiàn)肘,一次能源消費(fèi)所產(chǎn)生的碳排放還對(duì)地球生態(tài)環(huán)境造成了較大的危害,因此,各國(guó)都開(kāi)始響應(yīng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的號(hào)召,我國(guó)也一直走在能源轉(zhuǎn)型的第一梯隊(duì)〔1,2〕。
青海省是我國(guó)新能源資源最豐富的地區(qū),具有良好的發(fā)展條件以及廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)習(xí)近平總書(shū)記視察青海時(shí)提出堅(jiān)持生態(tài)保護(hù)優(yōu)先的“綠色發(fā)展”理念,青海省政府確立了“生態(tài)立省”的發(fā)展方針,省內(nèi)新能源即將井噴式發(fā)展,但是青海省內(nèi)負(fù)荷增長(zhǎng)速度過(guò)慢,亟需開(kāi)展青海第二條特高壓直流外送方案研究工作,推動(dòng)青海第二條特高壓直流前期工作〔3〕。
青海電網(wǎng)位于陜寧甘青電網(wǎng)的西部,是西北主網(wǎng)重要組成部分。目前電網(wǎng)已覆蓋西寧市、海東市以及海南、海北、黃南、海西四個(gè)州和果洛、玉樹(shù)州大部,西寧及海東是電網(wǎng)的核心地區(qū),主網(wǎng)最高電壓等級(jí)為750 kV。截至2020年底,通過(guò)6回750 kV交流線(xiàn)路與西北主網(wǎng)相連,通過(guò)1回±400 kV直流線(xiàn)路與西藏電網(wǎng)相連、1回±800 kV直流線(xiàn)路與河南電網(wǎng)相連。省內(nèi)750 kV形成拉西瓦—西寧—官亭三角環(huán)網(wǎng)、塔拉—日月山—西寧—青南雙環(huán)網(wǎng)和海西—日月山—塔拉雙環(huán)網(wǎng),海西西部通過(guò)海西—柴達(dá)木雙回750 kV線(xiàn)路向西延伸至魚(yú)卡。通過(guò)6回750 kV聯(lián)絡(luò)線(xiàn)與甘肅電網(wǎng)相連,分別為官亭—蘭州東雙回、郭隆—武勝雙回以及魚(yú)卡—沙洲雙回。330 kV東部電網(wǎng)以雙環(huán)網(wǎng)為主,中西部以單環(huán)網(wǎng)和輻射為主,省內(nèi)電網(wǎng)整體呈現(xiàn)“東密西疏”的特點(diǎn)。
截至2020年底,青海電網(wǎng)總裝機(jī)容量為4 029萬(wàn)kW,其中,水電裝機(jī)1 192萬(wàn)kW,占總裝機(jī)容量的29.6 %,火電裝機(jī)393萬(wàn)kW,占總裝機(jī)容量的9.75 %,風(fēng)電裝機(jī)843萬(wàn)kW,占總裝機(jī)容量的20.92 %,太陽(yáng)能裝機(jī)1 601萬(wàn)kW,占總裝機(jī)容量的39.74 %。
隨著青海電網(wǎng)光伏能源基地建設(shè)及風(fēng)電的迅速發(fā)展,青海電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了重要變化,原本占主導(dǎo)地位的是水電、火電等常規(guī)電源,現(xiàn)在已變?yōu)榭偭砍^(guò)50 %的光伏和風(fēng)電等新能源電源;另外,隨著海南特高壓直流的建成,青海電網(wǎng)將由原有的交流通道受入電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻恢绷魍馑碗娋W(wǎng),青海電網(wǎng)特性將發(fā)生重大變化,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:電源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化,電網(wǎng)調(diào)頻能力下降;常規(guī)電源開(kāi)機(jī)受限,電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題突出;新能源出力隨機(jī)性放大,電網(wǎng)調(diào)峰壓力增大;交直流送端電網(wǎng)建成,威脅電網(wǎng)穩(wěn)定因素增加。風(fēng)光基地和直流建設(shè)使得青海電網(wǎng)電力電子化特征凸顯,電網(wǎng)穩(wěn)定形態(tài)更加復(fù)雜,系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行與控制規(guī)律面臨全新挑戰(zhàn)〔4,5〕。
海西地區(qū)新能源資源稟賦及土地開(kāi)發(fā)條件優(yōu)于海南地區(qū)〔6〕,同時(shí),青豫直流已落點(diǎn)海南地區(qū),配套新能源以海南地區(qū)為主,青海第二條直流落點(diǎn)于海西地區(qū),可兼顧匯集外送海南地區(qū)新能源,符合海南海西地區(qū)共同協(xié)調(diào)發(fā)展的原則,所以本文將青海第二條特高壓直流落點(diǎn)海西地區(qū),以下簡(jiǎn)稱(chēng)海西直流。
設(shè)想方案一:海西直流落點(diǎn)烏圖美仁,為滿(mǎn)足新能源匯集需求,建設(shè)丁字口、烏圖、大灶火750 kV輸變電工程;為增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),建設(shè)大灶火—大格勒—切吉雙回750 kV線(xiàn)路工程。方案接線(xiàn)示意圖如圖1所示。
圖1 方案一接線(xiàn)示意圖
設(shè)想方案二:海西直流落點(diǎn)大格勒,為滿(mǎn)足新能源匯集需求,建設(shè)丁字口、烏圖、大灶火750 kV輸變電工程;為提高柴達(dá)木西部地區(qū)新能源送出能力,建設(shè)魚(yú)卡—托素雙回750 kV線(xiàn)路工程;為增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),建設(shè)大灶火—大格勒—切吉—紅旗雙回750 kV線(xiàn)路工程。方案接線(xiàn)示意圖如圖2所示。
圖2 方案二接線(xiàn)示意圖
設(shè)想方案三:海西直流落點(diǎn)魚(yú)卡,為滿(mǎn)足新能源匯集需求,建設(shè)丁字口、烏圖、大灶火750 kV輸變電工程;為提高柴達(dá)木西部地區(qū)新能源送出能力,建設(shè)魚(yú)卡—托素雙回750 kV線(xiàn)路工程;為提高柴達(dá)木西部地區(qū)新能源送出能力,建設(shè)魚(yú)卡—托素雙回750 kV線(xiàn)路工程。方案接線(xiàn)示意圖如圖3所示。
圖3 方案三接線(xiàn)示意圖
2.2.1 電氣計(jì)算邊界條件:
(1)海西直流按±800 kV,最大輸送功率800萬(wàn)kW考慮。
(2)本次計(jì)算考慮所有新能源電站裝設(shè)25 %的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。330 kV新能源匯集站僅考慮加裝靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。
(3)本次計(jì)算海南特高壓直流換流站加裝4臺(tái)300 Mvar調(diào)相機(jī)。
2.2.2 方式選擇
本次計(jì)算考慮冬大(冬季晚21點(diǎn))及冬13(冬季中午13點(diǎn))兩個(gè)方式。典型運(yùn)行方式下負(fù)荷和出力情況見(jiàn)表1。
表1 青海電網(wǎng)典型運(yùn)行方式下負(fù)荷和出力情況 (萬(wàn)kW)
2.2.3 短路比計(jì)算
本章采用以下計(jì)算條件開(kāi)展短路比計(jì)算:
(1)基于潮流計(jì)算結(jié)果;
(2)考慮靜態(tài)負(fù)荷(采用等值阻抗模型);
(3)考慮馬達(dá)負(fù)荷(如忽略則視同靜態(tài));
(4)正序考慮并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償(零序一律考慮);
(5)正序考慮線(xiàn)路充電功率;
(6)考慮線(xiàn)路和變壓器的電阻;
(7)故障期間串補(bǔ)全部旁路。
經(jīng)計(jì)算校核,以上三種方案下,系統(tǒng)均屬于弱交流系統(tǒng)。方案三(落點(diǎn)魚(yú)卡)有效短路比最高,方案二(落點(diǎn)烏圖)有效短路比最低。
海西直流750 kV換流母線(xiàn)側(cè)在三種落點(diǎn)方案下有效短路比(ESCR)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 各方案下海西直流750 kV換流母線(xiàn)側(cè)ESCR
2.2.4 潮流計(jì)算
本節(jié)對(duì)海西直流落點(diǎn)的三個(gè)方案下青海電網(wǎng)的潮流分布情況進(jìn)行了計(jì)算分析,三個(gè)方案潮流均合理,無(wú)過(guò)載問(wèn)題。
2.2.5 穩(wěn)定計(jì)算
(1)落點(diǎn)方案一:
青海電網(wǎng)冬季13點(diǎn)方式下,落點(diǎn)方案一海西直流雙極閉鎖故障時(shí),電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定;海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后,存在過(guò)電壓?jiǎn)栴},暫態(tài)最高電壓1.48 p.u.,直流近區(qū)光伏全部脫網(wǎng)。研究發(fā)現(xiàn),增加調(diào)相機(jī)至22臺(tái)的極端情況下,海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后750 kV母線(xiàn)的暫態(tài)電壓最高值在1.35 p.u.,仍然存在過(guò)電壓?jiǎn)栴}。
(2)落點(diǎn)方案二:
青海電網(wǎng)冬季13點(diǎn)方式下,落點(diǎn)方案二海西直流雙極閉鎖故障時(shí),電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定;海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后,存在過(guò)電壓?jiǎn)栴},暫態(tài)最高電壓1.47 p.u.,直流近區(qū)光伏全部脫網(wǎng)。研究發(fā)現(xiàn),增加調(diào)相機(jī)至20臺(tái)的極端情況下,海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后750 kV母線(xiàn)的暫態(tài)電壓最高值在1.35 p.u.,仍然存在過(guò)電壓?jiǎn)栴}。
(3)落點(diǎn)方案三:
青海電網(wǎng)冬季13點(diǎn)方式下,落點(diǎn)方案三海西直流雙極閉鎖故障時(shí),電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定;海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后,存在過(guò)電壓?jiǎn)栴},暫態(tài)最高電壓1.4 p.u.,直流近區(qū)光伏全部脫網(wǎng)。研究發(fā)現(xiàn),增加調(diào)相機(jī)至15臺(tái)的情況下,海西直流連續(xù)3次換相失敗故障后750 kV母線(xiàn)的暫態(tài)電壓最高值可以控制在1.2 p.u.。
就穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果而言,解決故障后的暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴},方案三所需的措施是三個(gè)落點(diǎn)方案中代價(jià)最小的方案。
經(jīng)綜合比較,方案三(落點(diǎn)魚(yú)卡)安全穩(wěn)定水平最高,方案二(落點(diǎn)大格勒)次之,方案一(落點(diǎn)烏圖)最差,故海西直流落點(diǎn)方案推薦方案三(落點(diǎn)魚(yú)卡)。
海西特高壓直流輸電工程是青海電網(wǎng)第二條外送特高壓直流輸電工程,其配套電源近80 %為新能源,相較于海南直流,配套電源新能源占比更高,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更薄弱,對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性提出了更高要求〔7,8〕。本章首先分析在典型方式下,新能源大發(fā)且常規(guī)機(jī)組開(kāi)機(jī)較小方式下分析青海電網(wǎng)存在的安全穩(wěn)定問(wèn)題,并對(duì)此存在的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題提出解決方案。
在冬13方式下,拉西瓦、龍羊峽、李家峽、瑪爾擋、班多、羊曲各開(kāi)一臺(tái)機(jī),神華火電兩臺(tái)機(jī)組全開(kāi),燃?xì)鈾C(jī)組不開(kāi)機(jī)。
青海電網(wǎng)在海西直流發(fā)生3次換相失敗故障后,海西直流近區(qū)750 kV變電站高壓母線(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓變化如圖4所示,最高達(dá)到1.4 p.u.;新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓變化如圖5所示,最高達(dá)到1.6 p.u.。
圖4 直流近區(qū)750 kV母線(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓變化曲線(xiàn)
圖5 直流近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓變化曲線(xiàn)
為保證青海電網(wǎng)及直流安全穩(wěn)定運(yùn)行,針對(duì)青海電網(wǎng)在典型運(yùn)行方式下,海西直流近區(qū)系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴},采取以下解決方案〔9〕:
(1) 增開(kāi)燃?xì)鈾C(jī)組;
(2) 增加分布式調(diào)相機(jī)。
3.2.1 增開(kāi)燃?xì)鈾C(jī)組對(duì)電壓穩(wěn)定性影響
通過(guò)安全穩(wěn)定分析,需增開(kāi)燃?xì)鈾C(jī)組360萬(wàn)kW,分別在魚(yú)卡地區(qū)增開(kāi)90萬(wàn)kW燃?xì)鈾C(jī)組、大灶火地區(qū)增開(kāi)150萬(wàn)kW燃?xì)鈾C(jī)組、烏圖地區(qū)增開(kāi)120萬(wàn)kW燃?xì)鈾C(jī)組,全部以330 kV電壓等級(jí)接入750 kV變電站,發(fā)生海西直流3次換相失敗及750 kV線(xiàn)路三永N-1故障后,系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓變化如圖6、7所示,均降至1.3 p.u.以下。
圖6 增開(kāi)燃?xì)鈾C(jī)組后直流近區(qū)750 kV母線(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓變化曲線(xiàn)
圖7 增開(kāi)燃?xì)鈾C(jī)組后直流近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓變化曲線(xiàn)
3.2.2 燃?xì)鈾C(jī)組布局敏感性方案分析
若考慮燃?xì)鈾C(jī)組全部以750 kV電壓接入海西直流近區(qū)750 kV變電站,通過(guò)安全穩(wěn)定分析,為抑制系統(tǒng)側(cè)暫態(tài)過(guò)電壓和新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓,需增開(kāi)燃?xì)鈾C(jī)組480萬(wàn)kW,此方案下系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓變化如圖8、圖9所示。
圖8 敏感性方案直流近區(qū)750 kV母線(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓變化曲線(xiàn)
圖9 敏感性方案直流近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓變化曲線(xiàn)
3.2.3 增加分布式調(diào)相機(jī)對(duì)電壓穩(wěn)定性影響
通過(guò)安全穩(wěn)定分析,需加裝分布式調(diào)相機(jī)20×50 Mvar,分別布置在大灶火地區(qū)12臺(tái)、烏圖地區(qū)8臺(tái),以35 kV電壓等級(jí)接入330 kV匯集站,發(fā)生海西直流3次換相失敗及750 kV線(xiàn)路三永N-1故障后,系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓變化如圖10、11所示,降至1.3 p.u.以下。
表3 分布式調(diào)相機(jī)布置位置
圖10 增加分布式調(diào)相機(jī)后直流近區(qū)750 kV母線(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓變化曲線(xiàn)
圖11 增加分布式調(diào)相機(jī)后直流近區(qū)新能源機(jī)端暫態(tài)過(guò)電壓變化曲線(xiàn)
增開(kāi)燃?xì)鈾C(jī)組和增加分布式調(diào)相機(jī),均可解決發(fā)生海西直流3次換相失敗及750 kV線(xiàn)路三永N-1故障后,系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴};燃?xì)鈾C(jī)組以330 kV接入變電站比以750 kV接入變電站更能有效解決發(fā)生海西直流3次換相失敗及750 kV線(xiàn)路三永N-1故障后系統(tǒng)側(cè)及新能源機(jī)端出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。
4.1從電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平層面,直流落點(diǎn)魚(yú)卡安全穩(wěn)定水平最高,且能滿(mǎn)足海西地區(qū)新能源就近匯集,兼顧海南地區(qū)部分新能源外送,因此,推薦海西直流接入系統(tǒng)方案落點(diǎn)魚(yú)卡地區(qū)。
4.2從新增常規(guī)電源方面,為保障海西直流安全穩(wěn)定運(yùn)行,需配套360萬(wàn)kW燃?xì)鈾C(jī)組,全部位于海西地區(qū),分別布置在魚(yú)卡地區(qū)開(kāi)90萬(wàn)kW、大灶火地區(qū)150萬(wàn)kW、烏圖地區(qū)120萬(wàn)kW,全部以330 kW電壓等級(jí)接入750 kV變電站。
4.3從加裝分布式調(diào)相機(jī)方面,為保障海西直流安全穩(wěn)定運(yùn)行,須加裝分布式調(diào)相機(jī)20×50 Mvar,分別布置在大灶火地區(qū)12臺(tái)、烏圖地區(qū)8臺(tái),以35 kV電壓等級(jí)接入330 kV匯集站。