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金州區(qū)域電源送出安全穩(wěn)定問題分析及穩(wěn)控方案

2014-12-20 07:00:04王杰張裕李慶生顏俊張立平
電網(wǎng)與清潔能源 2014年11期
關(guān)鍵詞:切機金州盤縣

王杰,張裕,李慶生,顏俊,張立平

(1. 中國電力工程顧問集團 中南電力設(shè)計院,湖北 武漢 430071;2. 貴州電網(wǎng)公司 電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,貴州 貴陽 550003)

我國資源分布與電力需求呈現(xiàn)逆向分布,需要實現(xiàn)大容量、遠距離輸電,存在電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題。電力系統(tǒng)穩(wěn)定中,電源送端的穩(wěn)定性尤為重要,送端系統(tǒng)穩(wěn)定問題主要有暫態(tài)穩(wěn)定問題以及送出通道熱穩(wěn)問題,其中以暫態(tài)穩(wěn)定問題最為嚴重,一旦發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn),往往需要采取切機等安全穩(wěn)定控制措施[1]。

貴州省西部煤炭資源較為豐富,在畢節(jié)、六盤水、興義等地區(qū)建設(shè)有大量火電機組,是南方電網(wǎng)“西電東送”以及貴州網(wǎng)內(nèi)電源的重要組成部分。2013—2014年,盤縣地區(qū)新建盤北電廠2×300 MW機組、“盤縣上大壓小”2×660 MW機組(原有5臺200 MW機組逐步退出運行)等大型火電廠,以上電源均通過金州區(qū)域220 kV網(wǎng)絡(luò)送出[2]。由于送出通道網(wǎng)架較為薄弱,發(fā)生故障時穩(wěn)定問題較為突出。

本文通過PSD-BPA軟件完成對金州區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定計算,分析了典型鏈式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下電源送出存在的穩(wěn)定問題及特點,指出了送出通道電壓水平以及電廠開機方式對暫態(tài)穩(wěn)定結(jié)果有較大影響,并利用EEAC理論分析解釋了其影響機理;按照電力系統(tǒng)三道防線的要求,提出該區(qū)域電網(wǎng)需要采取的穩(wěn)定控制措施和穩(wěn)定控制系統(tǒng)實施方案。

1 系統(tǒng)概況

根據(jù)2013—2014年建設(shè)計劃,盤北電廠將先投一臺機組,盤縣電廠投運第一臺“上大壓小”機組,金州區(qū)域電網(wǎng)與六盤水區(qū)域電網(wǎng)在盤縣電廠開環(huán)運行,盤縣電廠仍為3號、4號、5號三臺小機組并入金州電網(wǎng)。盤北、盤縣電廠送出通道主要由紅果-香田-長征-興義以及紅果-練池塘-興義構(gòu)成。其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 金州區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定問題

根據(jù)文獻[3]的研究結(jié)論,圖1所示網(wǎng)架結(jié)構(gòu),在全接線及檢修方式下送出通道上的故障會導(dǎo)致系統(tǒng)存在以下穩(wěn)定問題:

1)暫態(tài)穩(wěn)定問題。全接線方式,盤縣、盤北電廠若出力較多,發(fā)生紅果-香田、香田-長征、練池塘-興義N-1故障,或者紅果-練池塘、金州-圍山湖N-2故障時,大量潮流將通過僅剩的一個通道送往金州變,均可能導(dǎo)致盤北、盤縣電廠機組暫態(tài)失穩(wěn)。

2)送出通道熱穩(wěn)問題。若盤縣、盤北電廠出力有所下降,全接線或送出斷面線路檢修方式,發(fā)生紅果-練池塘、金州-圍山湖N-2故障,或者紅果-香田、香田-長征、練池塘-興義N-1故障,潮流轉(zhuǎn)移將可能導(dǎo)致紅練Ⅱ回、練興線、紅香線、香長線、興龍Ⅰ回等線路過載。

3)區(qū)域孤網(wǎng)問題。當紅果-香田-長征-興義以及紅果-練池塘-興義兩個通道中一個檢修,另一個發(fā)生N-1/N-2故障時,將有可能導(dǎo)致盤縣、盤北電廠送出近區(qū)網(wǎng)絡(luò)與主網(wǎng)解列,形成局部孤網(wǎng)問題,造成孤網(wǎng)內(nèi)頻率失穩(wěn)。若金州主變一臺檢修,一臺故障,將造成整個金州區(qū)域電網(wǎng)與主網(wǎng)解列,形成區(qū)域孤網(wǎng)。

因此,該地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定問題十分突出,按照GB/T26399—2011《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則》第二級安全穩(wěn)定標準的要求,需要采取相應(yīng)的切機切負荷的安全穩(wěn)定控制措施,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

3 穩(wěn)定問題主要特點及影響因素分析

采用中國電科院PSD-BPA軟件對金州區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定問題進行大量仿真計算,主要研究了不同的開機方式、出線電壓水平對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。仿真結(jié)果表明,故障后轉(zhuǎn)移功率是出現(xiàn)熱穩(wěn)問題的主要原因,過載程度與轉(zhuǎn)移功率直接相關(guān),呈線性關(guān)系。出現(xiàn)熱穩(wěn)問題,按照過載程度切除盤縣或盤北電廠適當機組即可消除。而孤網(wǎng)問題主要與故障前運行方式相關(guān)。下文主要開展了暫態(tài)穩(wěn)定問題影響因素的研究。

3.1 電廠送出通道電壓水平對暫態(tài)穩(wěn)定問題的影響

在一定的開機方式下,保持電廠的有功出力不變,調(diào)整機組無功出力,機端電壓將發(fā)生變化。通過調(diào)整電廠送出通道電壓水平發(fā)現(xiàn),機組總有功出力相同情況下,送出斷面功率也基本相同,不同的電壓水平下呈現(xiàn)的暫態(tài)穩(wěn)定性卻大不相同。表1給出了盤縣、盤北總出力分別為700 MW和800 MW時,在不同電壓水平下紅練N-2兩側(cè)故障的穩(wěn)定計算結(jié)果。由表1仿真結(jié)果可見,送出通道電壓降低1~3 kV,故障下系統(tǒng)即由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定,系統(tǒng)穩(wěn)定特性差異明顯。仿真結(jié)果表明金州區(qū)域電源送出暫態(tài)穩(wěn)定問題對送出通道的電壓水平極為敏感,增加電廠機組無功出力,提高送出通道電壓水平,有利于故障下系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

表1 紅練N-2故障穩(wěn)定計算結(jié)果表(調(diào)整送出通道電壓水平)Tab. 1 Calculation results under the fault of Hongguo-Lianchitang N-2(with the voltage level of the sending out passageway adjusted)

3.2 盤縣、盤北電廠機組開機臺數(shù)對暫穩(wěn)問題的影響

由于盤縣、盤北電廠機組總臺數(shù)較多,一定的電廠總出力情況下有多種開機組合方式。表2給出了盤縣盤北總出力分別為700 MW、600 MW和500 MW時,不同開機組合方式下紅練N-2兩側(cè)故障穩(wěn)定計算結(jié)果。

表2 紅練N-2故障穩(wěn)定計算結(jié)果表(調(diào)整開機組合方式)Tab.2 Calculation results under the fault of Hongguo-Lianchitang N-2(with the mode of generator combination adjusted)

由表2仿真結(jié)果可見,在一定的電廠總出力下,兩電廠不同開機組合方式對暫態(tài)穩(wěn)定結(jié)果有明顯影響。在總出力一定的條件下,增加盤縣、盤北電廠開機臺數(shù),能提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

3.3 切機靈敏性分析

金州區(qū)域電源送出通道故障發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)時,穩(wěn)控措施為切除電廠機組。在進行穩(wěn)控系統(tǒng)方案及策略設(shè)計時,有必要對盤縣電廠以及盤北電廠的機組切機效果進行靈敏性分析[3]。仿真結(jié)果表明,在切機優(yōu)先級上,盤縣電廠機組應(yīng)優(yōu)先于盤北電廠機組。例如,盤縣3號~5號機、盤北1號機均出力200 MW,紅練N-2紅果側(cè)故障系統(tǒng)失穩(wěn),需切除盤縣2臺機組,而同時切盤縣1臺機和盤北1臺機,雖然總切機量相同,但系統(tǒng)仍無法保持穩(wěn)定;同樣方式下,紅練N-2練池塘側(cè)故障,系統(tǒng)也失穩(wěn),需切除盤縣1臺機組,而切除同樣出力的盤北1臺機組,系統(tǒng)卻仍然失穩(wěn)。由此可見,切除盤縣電廠機組效果要好于盤北電廠機組。

4 暫態(tài)穩(wěn)定問題及其控制措施機理

4.1 電源送出通道電壓水平對暫穩(wěn)結(jié)果的影響機理

按照EEAC理論,給定互補群可劃分為領(lǐng)先群S和余下群A,領(lǐng)先群S一般為受擾嚴重的機群,金州區(qū)域電網(wǎng)中盤縣和盤北電廠機組為領(lǐng)先群。則系統(tǒng)首擺穩(wěn)定裕度公式為:式中,δ為系統(tǒng)的等值初始功角;δs和δa分別為系統(tǒng)中領(lǐng)先群S和余下群A中等值機組的加速度;Pm為機組機械輸入功率;Pe為機組電磁輸出功率。

發(fā)電機有功出力滿足以下關(guān)系:

式中,E為發(fā)電機內(nèi)電勢;U為發(fā)電機機端電壓;X∑為系統(tǒng)等值阻抗;δ為機組功角。

保持機組有功出力不變,通過提高無功出力來增加機端電壓時,E和U都將增加,而系統(tǒng)等值阻抗X∑不變,故機組功角δ將減小[4-5]。

根據(jù)式(3),提高盤縣盤北電廠機組機端電壓,兩電廠機組初始功角δ將減小。由于兩電廠為領(lǐng)先群內(nèi)機組,故系統(tǒng)等值初始功角也將減小,由式(1)可知,系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度將增加。

4.2 開機方式對暫穩(wěn)結(jié)果的影響機理

將送端盤縣、盤北機組等效為一臺等值機組,當送端有功出力不變時,增加電廠機組開機臺數(shù),將減小系統(tǒng)等值阻抗,進而降低送端機組等值初始功角,有利于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

根據(jù)EEAC理論,系統(tǒng)主導(dǎo)映像的等值加速功率Pacc可表示為[6-7]:

式中,MT=Ms+Ma為整個系統(tǒng)的廣義總慣量;Ms為領(lǐng)先群的等值廣義慣量;Ma為余下群的等值廣義慣量;Paccs為領(lǐng)先群的等值加速功率;Pacca為余下群的等值加速功率。由式(4)可知,送端有功出力不變時,增加電廠機組開機臺數(shù),Ms和MT都將增加,而Paccs和Pacca可視為基本不變(增開機組的廠用電基本可忽略),所以Pacc將減小,即減小了系統(tǒng)映像的加速功率,有利于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

4.3 切機靈敏性的機理

分析兩電廠機組參數(shù)可知,盤縣電廠機組的轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)為13.1 t·m2,發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗X′d標幺值為0.103 2;而盤北電廠機組的轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)為18.857 t·m2,發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗X′d標幺值為0.230 5。機組轉(zhuǎn)動慣量越大,轉(zhuǎn)子角變化將越慢,加速面積A越小,暫態(tài)穩(wěn)定性越好;而發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗X′d越小,對暫態(tài)穩(wěn)定性越有利。因此,切除盤縣電廠機組效果更好。

在盤縣、盤北均開2臺機,每臺機出力均為200 MW方式下,對切除盤縣機組和盤北機組進行了仿真。仿真表明,若采用原始參數(shù),紅練N-2故障下系統(tǒng)失穩(wěn),切除盤縣一臺機組,系統(tǒng)保持穩(wěn)定,而切除盤北電廠一臺機組,系統(tǒng)仍然處于失穩(wěn)狀態(tài);當把盤縣電廠機組轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)修改為與盤北電廠一樣后,切除盤縣一臺機組或切除盤北電廠一臺機組,系統(tǒng)均可保持穩(wěn)定。

5 安全穩(wěn)定控制措施

通過仿真可知,某些檢修方式下采用調(diào)度預(yù)控措施,可避免故障時部分線路的過載問題,即熱穩(wěn)問題,不必采取切負荷措施。例如,興龍單線檢修時,預(yù)控興龍斷面負荷,可避免金圍N-2故障興龍單線過載需切安龍變負荷。

為解決金州區(qū)域電網(wǎng)存在的其他穩(wěn)定問題,需要在金州電網(wǎng)配置安全穩(wěn)定控制系統(tǒng),具體配置如下:

1)在500 kV金州變配置區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)主站,主要實現(xiàn)區(qū)域孤網(wǎng)切機切負荷、金圍N-2暫穩(wěn)切機、近區(qū)環(huán)網(wǎng)線路熱穩(wěn)切機等功能。

2)在220 kV練池塘變配置區(qū)域穩(wěn)定控制子站。主要實現(xiàn)局部孤網(wǎng)切機切負荷、電廠送出線路N-1/N-2暫穩(wěn)切機、電廠送出線路熱穩(wěn)切機等功能。

3)在盤縣電廠、盤北電廠配置切機執(zhí)行站,執(zhí)行金州主站以及練池塘子站發(fā)送來的切機命令。

4)在220 kV紅果、香田、興義、李關(guān)、安龍、圍山湖等變電站配置切負荷執(zhí)行站及檢測站,執(zhí)行金州主站以及練池塘子站發(fā)送來的切負荷命令,并檢測相關(guān)線路工況信息。

金州區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 金州區(qū)域安穩(wěn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure of security and stability control system in Jinzhou

在穩(wěn)控措施及策略制定方面,在一定的外送斷面功率下,不同的送出通道電壓水平、電廠開機組合方式均會造成暫穩(wěn)結(jié)果不同。通過仿真發(fā)現(xiàn),盤縣、盤北電廠外送斷面功率小于350 MW時,無論開機方式如何,甚至外送通道電壓水平低至223 kV左右,紅練N-2兩側(cè)故障也不會造成失穩(wěn)。因此,若金州區(qū)域電源外送暫穩(wěn)控制策略按照最嚴苛條件考慮,則暫穩(wěn)斷面功率動作門檻值將整定得較低,極易滿足動作條件,誤切機風(fēng)險較大。在實際運行中,調(diào)度需要控制外送通道電壓水平變電站不低于225 kV,電廠側(cè)不低于230 kV;同時,在總開機水平一定的條件下,盡量安排兩電廠機組開機臺數(shù)最大。

為彌補某些方式下調(diào)度無法預(yù)控(如機組檢修造成的開機組合變化),而故障下暫態(tài)失穩(wěn)時穩(wěn)控裝置由于定值設(shè)置等方面的原因可能無法動作,實際工程實施中在盤縣、盤北電廠加裝了失步解列裝置。失步解列裝置可在系統(tǒng)失步后2到3個振蕩周期內(nèi),根據(jù)動作范圍低電壓定值解列電廠相關(guān)機組,保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

貴州金州區(qū)域電網(wǎng)是一個以電源送出為主的網(wǎng)絡(luò),本文首先利用PSD-BPA開展了金州區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定計算。計算結(jié)果表明,不同的送出通道電壓水平和電廠開機組合方式對暫態(tài)穩(wěn)定影響明顯。進而利用EEAC分析了其影響機理,并提出了安全穩(wěn)定控制措施。仿真結(jié)果表明,提出的安全穩(wěn)定控制措施有效。

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