呼遼直流工程投產(chǎn)后遼寧電網(wǎng)運行特性分析

李正文,許 靜,高 凱

（1.遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006）

作為東北電網(wǎng)的負荷中心,遼寧電網(wǎng)主要通過遼吉、赤遼、霍通沙等省間輸電通道從吉林、蒙東電網(wǎng)受電。“十一五”期間,隨著遼寧經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,遼寧電網(wǎng)最大外受電力比重由2005年的36%上升至2009年的46%,省間斷面潮流不斷加重,在省內(nèi)機組缺煤停機以及集中臨檢等情況下,為防止相關(guān)斷面過載,遼寧電網(wǎng)不得不采取避峰限電措施。據(jù)統(tǒng)計,在2005～2009年間,遼寧電網(wǎng)因電力供應(yīng)不足限電19億kWh左右。“十二五”期間,隨著國家振興東北老工業(yè)基地以及遼寧沿海經(jīng)濟帶開放政策的進一步落實,遼寧電網(wǎng)用電負荷將迅猛增長,省內(nèi)電源不足問題將更加突出。

為優(yōu)化東北地區(qū)一次能源配置,緩解遼寧電網(wǎng)長期缺電的供需矛盾,國家電網(wǎng)公司歷時3年多時間完成了呼遼直流工程的建設(shè)及投運工作。呼遼直流投產(chǎn)后,遼寧電網(wǎng)的受電能力顯著增強,電網(wǎng)運行特性發(fā)生明顯變化。

1 呼遼直流工程概況

1.1 送端系統(tǒng)網(wǎng)架

呼倫貝爾-遼寧±500 kV直流輸電工程是我國首個采用直流輸電技術(shù)的煤電基地電力外送工程,是聯(lián)接內(nèi)蒙古煤炭基地與遼寧省負荷中心的能源大動脈。系統(tǒng)雙極額定輸送容量300萬kW,額定直流電壓±500 kV,采用4×ACSR-720復(fù)導(dǎo)線,線路長度約908 km,工程投產(chǎn)后將與現(xiàn)運行的500 kV伊馮雙回線形成蒙東電源外送通道。呼遼直流送端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 送端系統(tǒng)裝機

圖1 呼遼直流送端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

呼盟地區(qū)是東北電網(wǎng)內(nèi)主要的煤炭生產(chǎn)基地,長期以來,由于電源交流送出通道建設(shè)困難,目前該地區(qū)內(nèi)僅有伊敏電廠一期工程2臺50萬kW、二期工程2臺60萬kW通過500 kV交流伊馮雙回線接入龍江電網(wǎng)。呼遼直流工程投產(chǎn)后,蒙東地區(qū)將有伊敏電廠三期、鄂溫克電廠、呼倫貝爾電廠共6臺60萬kW機組并網(wǎng)運行,預(yù)計到2011年底,呼遼直流送端系統(tǒng)裝機規(guī)模將達到580萬kW。

1.3 送端系統(tǒng)運行方式

呼遼直流送端系統(tǒng)存在交直流混聯(lián)（見圖1）和孤島運行（伊敏電廠一、二期與三期分裂運行）兩種方式。為減小呼遼直流對東北電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響,在送端系統(tǒng)6臺及以下機組運行時,采取交直流混聯(lián)方式;在6臺機組以上時,采取孤島運行方式。

2 呼遼直流對遼寧電網(wǎng)的影響

2.1 雙極閉鎖對系統(tǒng)頻率的影響

在呼遼直流雙極閉鎖事故下,遼寧電網(wǎng)最嚴重將損失360萬kW電源。若不采取措施,電網(wǎng)頻率將在1min內(nèi)下降至42 Hz左右。因此,必須采取低頻切負荷措施以防止發(fā)生電網(wǎng)頻率崩潰事故。同時為縮短頻率恢復(fù)過程,東北網(wǎng)調(diào)采取了呼遼直流雙極閉鎖回降高嶺送華北75萬kW電力的措施。經(jīng)計算,在呼遼直流雙極閉鎖并且不考慮風(fēng)電低頻脫網(wǎng)的條件下,如果在系統(tǒng)頻率降至49.5 Hz時,采取回降高嶺送華北75萬kW電力的措施,東北電網(wǎng)需要切除214萬kW負荷（遼寧電網(wǎng)切除130萬kW負荷）,便可保證不發(fā)生電網(wǎng)頻率崩潰事故,如圖2所示。

圖2 雙極閉鎖事故下遼寧電網(wǎng)頻率變化曲線

2.2 單極閉鎖對系統(tǒng)頻率的影響

在呼遼直流單極閉鎖損失120萬kW送端電源的情況下,遼寧電網(wǎng)頻率將下降至49.6 Hz左右,如果頻率進一步降低,高嶺變回降送華北電力措施啟動,電網(wǎng)頻率至少恢復(fù)至49.7 Hz以上。

2.3 風(fēng)電對系統(tǒng)頻率的影響

近年來,遼寧電網(wǎng)風(fēng)電裝機容量迅猛增長,截止到2010年9月底,遼寧電網(wǎng)在運行風(fēng)電容量已達到249萬kW,居全國第二位。在呼遼直流雙極閉鎖事故下,隨著電網(wǎng)頻率的不斷下降,部分風(fēng)電機組將因變頻器過熱而脫網(wǎng)運行,從而加速電網(wǎng)頻率崩潰過程。經(jīng)計算,在呼遼直流雙極閉鎖并且考慮150萬kW風(fēng)電低頻脫網(wǎng)的條件下,東北電網(wǎng)需要切除467萬kW負荷才可保證不發(fā)生電網(wǎng)頻率崩潰事故,如圖3所示。

圖3 風(fēng)機脫網(wǎng)對電網(wǎng)頻率變化過程的影響

2.4 對系統(tǒng)電壓的影響

呼遼直流投產(chǎn)后,正常方式下,穆家換流站500 kV交流母線電壓基本維持在527 kV左右,受此影響,鞍山變500 kV母線平均電壓較呼遼直流投產(chǎn)前約升高5 kV,如圖4所示。

在交流系統(tǒng)異常擾動導(dǎo)致呼遼直流雙極閉鎖的方式下,故障期間,鞍山變500 kV母線電壓最低跌落至額定電壓的70%左右,故障切除后,電壓迅速恢復(fù)至正常水平,如圖5所示。

2.5 對暫態(tài)穩(wěn)定的影響

呼遼直流對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響,主要表現(xiàn)為送端系統(tǒng)在500 kV伊馮甲、乙線跨線故障情況下的暫態(tài)穩(wěn)定問題,遼寧電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性在呼遼直流投產(chǎn)后沒有發(fā)生變化,如圖6所示。

2.6 對遼寧電網(wǎng)受電能力的影響

呼遼直流投產(chǎn)后,遼寧電網(wǎng)省間500 kV受電斷面增加至四回,受電格局發(fā)生較大變化,電網(wǎng)受電能力進一步增強,如圖7所示。

圖7 呼遼直流投產(chǎn)后遼寧電網(wǎng)受電格局示意圖

呼遼直流投產(chǎn)后,遼吉、霍通沙、赤峰等三回省間交流斷面的輸電能力基本保持不變。在呼遼直流送端系統(tǒng)交直流混聯(lián)方式下,由于遼吉斷面潮流轉(zhuǎn)移至呼遼直流系統(tǒng)送出,因此斷面的穩(wěn)定問題有所緩解,在此方式下,遼寧電網(wǎng)整體受電能力提高60萬kW左右;在呼遼直流孤島運行方式下,遼寧電網(wǎng)省間斷面的輸電能力基本保持不變,經(jīng)分析,在此方式下,遼寧電網(wǎng)整體受電能力提高150萬kW左右。

2.7 對500 kV系統(tǒng)潮流分布的影響

呼遼直流投產(chǎn)前,遼吉斷面、遼寧中部斷面是遼寧電網(wǎng)“北電南送”的重要通道,尤其是遼吉斷面經(jīng)常滿載運行。呼遼直流投產(chǎn)后,遼吉斷面、遼寧中部斷面潮流顯著降低。呼遼直流投產(chǎn)前后,遼寧電網(wǎng)尖峰時段主要斷面潮流變化情況如圖8所示。

圖8 呼遼直流投產(chǎn)前后主要斷面潮流變化圖

3 應(yīng)對措施

3.1 簡化送端系統(tǒng)運行方式

為防止發(fā)生送端系統(tǒng)580萬kW電源同時損失事故,確定了“在送端系統(tǒng)6臺及以下機組運行時,采用交直流混聯(lián)方式;在送端系統(tǒng)7臺及以上機組運行時,采用孤島方式”的簡化策略。采取此方式后,在最嚴重的事故方式下,遼寧電網(wǎng)僅損失300萬kW電源。

3.2 回降高嶺送華北電力

在呼遼直流雙極閉鎖事故下,減少送華北電力是緩解遼寧電網(wǎng)頻率穩(wěn)定壓力的最有效方法。初步確定在東北電網(wǎng)頻率降至49.5 Hz時,延時0.3 s,回降東北送華北一半電力的措施。

3.3 低頻切負荷

低頻切負荷措施是防止發(fā)生電網(wǎng)頻率崩潰事故的最后一道防線。在呼遼直流雙極閉鎖、送端系統(tǒng)損失300萬kW電源的事故下,遼寧電網(wǎng)低頻減載方案的第一輪負荷將從電網(wǎng)中切除。嚴格保證低頻切負荷數(shù)量,將高危及重要負荷移出基本級第一輪,是應(yīng)對呼遼直流投產(chǎn)的最重要措施。

3.4 水電機組低頻自啟動

當(dāng)電網(wǎng)頻率持續(xù)降低時,自動投入處于備用狀態(tài)的水電機組,是減少電網(wǎng)低頻甩負荷數(shù)量、縮短頻率恢復(fù)時間的主要手段。目前,桓仁、回龍等5個水廠已完成相關(guān)設(shè)備的采購工作,并計劃結(jié)合機組檢修作業(yè),實現(xiàn)機組低頻自啟動功能。

3.5 調(diào)整風(fēng)電機組低頻保護定值

當(dāng)電網(wǎng)頻率降低時,風(fēng)電機組從系統(tǒng)中切除會加速電網(wǎng)頻率下降過程,擴大電網(wǎng)頻率事故。根據(jù)呼遼直流研究結(jié)論,對不滿足要求的風(fēng)機頻率保護定值進行調(diào)整,是避免遼寧電網(wǎng)出現(xiàn)大面積負荷損失事故的關(guān)鍵。目前,遼寧電網(wǎng)已投運風(fēng)電機組的頻率保護定值均已調(diào)整至48Hz以下,滿足呼遼直流投產(chǎn)后電網(wǎng)對風(fēng)機頻率保護定值的要求。

3.6 事故預(yù)案編制及應(yīng)急演練

針對呼遼直流雙極閉鎖事故,健全公司系統(tǒng)應(yīng)對電網(wǎng)大面積停電的應(yīng)急處置機制,提升調(diào)度、營銷、安監(jiān)、生技等部門在損失負荷統(tǒng)計、停電用戶供電恢復(fù)、事故信息發(fā)布等方面的能力。

4 結(jié)束語

呼遼直流投產(chǎn)后,遼寧電網(wǎng)的受電格局及潮流分布均發(fā)生了較大變化,尤其是雙極閉鎖事故下的頻率穩(wěn)定問題,成為威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的主要隱患。以呼遼直流研究結(jié)論為依托,嚴格落實應(yīng)對呼遼直流的各項措施,不斷總結(jié)呼遼直流系統(tǒng)調(diào)度運行及管理維護經(jīng)驗,才能發(fā)揮呼遼直流對于提升遼寧電網(wǎng)受電能力、緩解遼寧電網(wǎng)供需矛盾的積極作用。