宋凱洋
(內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,呼和浩特 010010)
內(nèi)蒙古電網(wǎng)作為華北電網(wǎng)的重要組成部分,其穩(wěn)定特性與華北電網(wǎng)其他省級電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與運行方式息息相關(guān)?!笆奈濉逼陂g,山西特高壓落地工程實施后,內(nèi)蒙古電網(wǎng)穩(wěn)定特性將發(fā)生重要變化。為分析上述變化的影響,本文利用PSD-BPA仿真計算平臺,對山西特高壓工程落地前后內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定特性變化情況進(jìn)行分析,并結(jié)合內(nèi)蒙古電網(wǎng)現(xiàn)狀及遠(yuǎn)期規(guī)劃,提出解決措施。
山西特高壓落地工程實施后,山西電網(wǎng)500 kV電壓等級將與華北電網(wǎng)500 kV電壓等級解環(huán)。解環(huán)后,山西電網(wǎng)4個500 kV網(wǎng)對網(wǎng)通道將調(diào)整為9回電廠點對網(wǎng)外送通道。至此,山西電網(wǎng)通過4回特高壓線路與華北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。
根據(jù)《華北電網(wǎng)2019發(fā)展規(guī)劃報告》,晉北、晉中特高壓站落地山西電網(wǎng),山西電網(wǎng)通過晉北—北京西、晉中—石家莊4回特高壓交流線路向華北主網(wǎng)送電。2022年預(yù)計蒙西地區(qū)榆恒特高壓站配套電源11.92 GW,山西電網(wǎng)改接至?xí)x北、晉中特高壓站電源4.32 GW,共計16.24 GW。受晉北—北京西暫態(tài)穩(wěn)定制約,斷面輸電能力為15.8~17.8 GW[1]。
山西電網(wǎng)解環(huán)后,調(diào)整后的9回電廠點對網(wǎng)外送通道配套電源10.54 GW。受送出線路暫態(tài)穩(wěn)定約束,4個點對網(wǎng)外送通道總送出能力為10.21 GW[2]。
為了明確山西特高壓落地工程對內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定特性的影響,分別對長南線解列、北送及南送三種典型方式進(jìn)行分析[3]。
在長南線解列方式下,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部制約故障為磴口電廠—祥泰變電站三相永久故障。通過仿真計算結(jié)果可知,山西特高壓落地工程實施后,磴口電廠—祥泰變電站故障情況下,系統(tǒng)阻尼比下降。仿真數(shù)據(jù)邊界條件如下。
(1)計算基準(zhǔn)年為2021年。
(2)內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部:布烏德河斷面1669 MW,響布坤德斷面2897 MW,呼包斷面4376 MW,呼豐斷面6622 MW,外送華北4893 MW。
(3)外部斷面:山西兩橫特高壓線路送華北電網(wǎng)15 012 MW,山東電網(wǎng)受電1066 MW,特高壓長南線解列。
在上述方式下,磴口電廠—祥泰變電站故障時,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線如圖1所示。由圖1可見,內(nèi)蒙古電網(wǎng)主要機(jī)組功角差處于弱阻尼振蕩狀態(tài),衰減較慢,40 s后機(jī)組功角差振蕩仍未結(jié)束。
圖1 長南線解列方式下,磴口電廠—祥泰變電站故障時內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線
內(nèi)蒙古電網(wǎng)呼包、呼豐斷面有功功率曲線如圖2所示。由圖2可見,永圣域變電站—豐泉變電站、響沙灣變電站—永圣域變電站線路處于弱阻尼振蕩狀態(tài)。對上述有功功率曲線進(jìn)行單通道Prony分析,提取系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比0.83%,頻率為0.350 6 Hz。根據(jù)DL/T 1234—2013《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算技術(shù)規(guī)范》,小干擾計算模式阻尼比不低于3%,故障情況下計算模式阻尼比不低于1%[4]。說明內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部存在動態(tài)穩(wěn)定性問題。
圖2 長南線解列方式下,磴口電廠—祥泰變電站故障時呼包、呼豐斷面有功功率曲線
為對比上述方式計算結(jié)果,相同邊界條件下,山西特高壓落地工程實施前,磴口電廠—祥泰變電站故障時系統(tǒng)阻尼比為1.3%;對比山西特高壓落地方式,系統(tǒng)阻尼比下降0.5%;由此可得,山西特高壓落地工程對內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定特性影響較大。
山西特高壓落地工程實施后,在長南線北送方式下,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部制約故障點為特高壓長南線故障[5]。仿真數(shù)據(jù)邊界條件如下。
(1)計算基準(zhǔn)年為2020年。
(2)內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部:布烏德河斷面1649 MW,響布坤德斷面2831 MW,呼包斷面4374 MW,呼豐斷面6551 MW,外送華北4901 MW。
(3)外部斷面:山西兩橫特高壓線路送華北電網(wǎng)15 076 MW,山東電網(wǎng)送華北電網(wǎng)1061 MW,特高壓長南線北送2725 MW。制約故障為特高壓長南線故障。
在上述方式下,特高壓長南線故障時,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線如圖3所示。由圖3可見,內(nèi)蒙古電網(wǎng)主要機(jī)組功角差處于負(fù)阻尼震蕩狀態(tài),振蕩逐漸增強。內(nèi)蒙古電網(wǎng)呼包、呼豐斷面及外送斷面有功功率曲線如圖4所示,由圖4可見響沙灣變電站—永圣域變電站、永圣域變電站—豐泉變電站、汗海變電站—沽源變電站、豐泉變電站—萬全變電站有功功率曲線,說明內(nèi)蒙古電網(wǎng)呼包、呼豐斷面及外送斷面處于負(fù)阻尼振蕩狀態(tài)。對上述有功功率曲線進(jìn)行單通道Prony分析,提取系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比-1.83%,頻率為0.333 5 Hz。系統(tǒng)阻尼比遠(yuǎn)低于1%,說明內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部存在動態(tài)穩(wěn)定性問題[4]。
圖3 長南線北送方式下,特高壓長南線故障時內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線
圖4 長南線北送方式下,特高壓長南線故障時內(nèi)蒙古電網(wǎng)呼包、呼豐斷面及外送斷面有功功率曲線
為對比上述方式計算結(jié)果,設(shè)相同邊界條件下,山西特高壓落地工程實施前,特高壓長南線故障時的系統(tǒng)阻尼比為1.9%,對比山西特高壓落地方式,系統(tǒng)阻尼比下降接近4%。由此可得,在長南線北送方式下,山西特高壓落地工程對內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定特性影響極大。
在長南線南送方式下,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部制約故障為磴口電廠—祥泰變電站三相永久故障。通過仿真計算結(jié)果可知,山西特高壓落地工程實施后,磴口電廠—祥泰變電站故障情況下,系統(tǒng)阻尼比下降。仿真數(shù)據(jù)邊界條件如下。
(1)計算基準(zhǔn)年為2021年。
(2)內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部:布烏德河斷面1601 MW,響布坤德斷面2807 MW,呼包斷面4376 MW,呼豐斷面6594 MW,外送華北電網(wǎng)4912 MW。
(3)外部斷面:山西兩橫特高壓線路送華北電網(wǎng)15 312 MW,山東電網(wǎng)受電1070 MW,特高壓長南線南送2000 MW。
在上述方式下,磴口電廠—祥泰變電站故障時,相關(guān)電廠機(jī)組功角曲線如5圖所示。主要機(jī)組功角差處于弱阻尼震蕩狀態(tài),衰減較慢。呼包、呼豐斷面有功功率曲線如圖6所示,對響沙灣變電站—永圣域變電站、永圣域變電站—豐泉變電站線路有功功率曲線進(jìn)行單通道Prony分析,提取系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比4.02%,頻率為0.336 6 Hz。
圖5 長南線南送方式下,磴口電廠—祥泰變電站故障時內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線
圖6 長南線南送方式下,磴口電廠—祥泰變電站故障時呼包、呼豐斷面有功功率曲線
為對比上述方式計算結(jié)果,相同邊界條件下,山西特高壓落地工程實施前,磴口電廠—祥泰變電站故障時,系統(tǒng)阻尼比為4.83%,對比山西特高壓落地方式,系統(tǒng)阻尼比下降0.8%。由此可得,山西特高壓落地工程對內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定特性影響較大。
根據(jù)仿真計算結(jié)果可知,上述三種方式中,長南線南送方式穩(wěn)定特性最好,因此解決措施主要以分析長南線解列、長南線北送為主[6]。
從內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可分析得出,磴口電廠—祥泰變電站故障引起蒙西地區(qū)內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定問題,主要是因為河套變電站—祥泰變電站—磴口電廠—千里山變電站通道為單回路。當(dāng)發(fā)生磴口電廠—祥泰變電站三相永久故障時,磴口電廠—祥泰變電站斷面潮流需迂回千里山變電站—烏海變電站—布日都變電站通道,造成極大的潮流轉(zhuǎn)移,使系統(tǒng)處于低頻振蕩狀態(tài)。因此,通過加快實施河套變電站—祥泰變電站—千里山變電站輸變電工程,可改善磴口電廠—祥泰變電站故障下內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定特性。
對實施河套變電站—祥泰變電站—千里山變電站輸變電工程后,磴口電廠—祥泰變電站故障下內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部穩(wěn)定特性進(jìn)行計算分析。內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線如圖7所示。由圖7可見,內(nèi)蒙古電網(wǎng)主要機(jī)組功角差雖然處于振蕩狀態(tài),但振蕩衰減速度較工程實施前已大幅增快。
圖7 實施河套變電站—祥泰變電站—千里山變電站輸變電工程后內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線
內(nèi)蒙古電網(wǎng)呼包、呼豐斷面有功功率曲線如圖8所示。由圖8可見響沙灣變電站—永圣域變電站、永圣域變電站—豐泉變電站線路有功功率曲線,內(nèi)蒙古電網(wǎng)呼包、呼豐斷面仍處于振蕩狀態(tài),但振蕩衰減速度較工程實施前已大幅增快。對上述有功功率曲線進(jìn)行單通道Prony分析,提取系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比1.38%,頻率為0.358 2 Hz。系統(tǒng)阻尼比不低于1%,滿足規(guī)范要求。
圖8 實施河套變電站—祥泰變電站—千里山變電站輸變電工程后呼包、呼豐斷面有功功率曲線
由上述計算分析可得,在長南線解列方式下,實施河套變電站—祥泰變電站—千里山變電站輸變電工程,將有效改善由山西特高壓落地工程引起的內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定特性。由此,可根據(jù)山西兩橫特高壓配套電源投產(chǎn)時序,實施河套變電站—祥泰變電站—千里山變電站輸變電工程,以應(yīng)對由山西特高壓落地工程引起的內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)特性惡化問題。
為解決上述問題,首先考慮加強呼包、呼豐斷面,呼包斷面考慮新建甘迪爾變電站—川掌變電站雙回線路,呼豐斷面考慮新建寧格爾變電站—豐泉變電站雙回線路。
在上述網(wǎng)架下,特高壓長南線故障時,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線如圖9所示。由圖9可見,內(nèi)蒙古電網(wǎng)主要機(jī)組功角差處于正阻尼振蕩狀態(tài),振蕩模式已由負(fù)阻尼變?yōu)檎枘帷?nèi)蒙古電網(wǎng)呼包、呼豐斷面及外送斷面有功功率曲線如圖10所示。由圖10可見響沙灣變電站—永圣域變電站、永圣域變電站—豐泉變電站、汗海變電站—沽源變電站、豐泉變電站—萬全變電站線路有功功率曲線,內(nèi)蒙古電網(wǎng)呼包、呼豐斷面及外送斷面處于正阻尼振蕩狀態(tài)。對上述有功功率曲線進(jìn)行單通道Prony分析,提取系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比2.03%,頻率為0.375 3 Hz。
圖9 加強呼包、呼豐斷面后,特高壓長南線故障時內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線
圖10 加強呼包、呼豐斷面后,特高壓長南線故障時呼包、呼豐斷面及外送斷面有功功率曲線
可考慮降低呼豐及外送斷面潮流:呼豐及外送斷面均下降900 MW,呼豐斷面潮流5658 MW,外送斷面潮流4027 MW。
在上述方式下,特高壓長南線故障時,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線如圖11所示。主要機(jī)組功角差阻尼比由負(fù)值變?yōu)檎怠?/p>
圖11 降低呼豐、外送斷面潮流后,特高壓長南線故障時內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線
呼包、呼豐斷面及外送斷面有功功率曲線如圖12所示。圖中可見響沙灣變電站—永圣域變電站、永圣域變電站—豐泉變電站、汗海變電站—沽源變電站、豐泉變電站—萬全變電站線路有功功率曲線,呼包、呼豐斷面及外送斷面功率曲線由負(fù)值變?yōu)檎?。對上述有功功率曲線進(jìn)行單通道Prony分析,提取系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比2.13%,頻率為0.361 3 Hz。
圖12 降低呼豐、外送斷面潮流后,特高壓長南線故障時呼包、呼豐斷面及外送斷面有功功率曲線
上述山西特高壓落地工程引起的內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)問題,仍為內(nèi)蒙古電網(wǎng)與華北電網(wǎng)的弱聯(lián)系導(dǎo)致。根據(jù)《內(nèi)蒙古電網(wǎng)主網(wǎng)架發(fā)展思路及重大問題研究》重要研究結(jié)論,實施內(nèi)蒙古電網(wǎng)與華北電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程是內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV網(wǎng)架發(fā)展規(guī)劃的前置條件[7]。
實施異步聯(lián)網(wǎng)工程后,蒙西地區(qū)內(nèi)部動態(tài)特性將大為改善,同時,華北電網(wǎng)運行方式將不再對內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)問題造成影響。磴口電廠—祥泰變電站線路故障時,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組電廠功角曲線如圖13所示。對上述功角曲線進(jìn)行單通道Prony分析,提取系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比23.98%,頻率為0.438 Hz,阻尼比遠(yuǎn)高于1.0%,因此內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部不存在動態(tài)穩(wěn)定制約[8-14]。
圖13 實施異步聯(lián)網(wǎng)后內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線
根據(jù)《內(nèi)蒙古電網(wǎng)主網(wǎng)架發(fā)展思路及重大問題研究》重要研究結(jié)論,蒙西地區(qū)鄂中特高壓站與蒙西特高壓站相連、烏蘭察布南特高壓站與晉北特高壓站相連,同時斷開原汗海變電站—沽源變電站、豐泉變電站—萬全變電站500 kV通道[7]。內(nèi)蒙古電網(wǎng)與華北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)將變?yōu)樘馗邏郝?lián)絡(luò),內(nèi)部動態(tài)特性將大為改善,同時,華北電網(wǎng)運行方式對內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部動態(tài)問題造成的影響減少。在特高壓長南線故障時,內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組電廠功角曲線如圖14所示。對上述功角曲線進(jìn)行單通道Prony分析,提取系統(tǒng)振蕩模式的阻尼比63.87%,頻率為0.391 Hz,阻尼比遠(yuǎn)高于1.0%,說明內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部不存在動態(tài)穩(wěn)定制約。
圖14 實施特高壓聯(lián)網(wǎng)后,特高壓長南線故障時內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組功角曲線
山西特高壓落地工程實施后,不同運行方式下,均會對內(nèi)蒙古電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定特性造成一定影響,對內(nèi)蒙古電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提出新的考驗。建議通過加強網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵輸電斷面、實施內(nèi)蒙古電網(wǎng)與華北電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程或?qū)崿F(xiàn)內(nèi)蒙古電網(wǎng)與華北電網(wǎng)特高壓聯(lián)網(wǎng)三種途徑,解決由山西特高壓落地工程引起的內(nèi)蒙古電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定問題。