水電機(jī)組調(diào)速特性對(duì)聯(lián)絡(luò)線極限傳輸功率影響分析

吳茂乾，白宇輝，任錫林，錢 霞，王勝利，張 鋒

(1.奎屯市電業(yè)局，新疆奎屯 833200;2.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830008)

0 引言

近兩年奎屯地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，負(fù)荷增長(zhǎng)較快，但電源和網(wǎng)架建設(shè)相對(duì)滯后。受網(wǎng)內(nèi)電源結(jié)構(gòu)不合理以及用電負(fù)荷季節(jié)性、時(shí)段性的影響，地區(qū)電網(wǎng)呈現(xiàn)季節(jié)性電力供需不平衡的現(xiàn)象。在枯水季節(jié)，一旦地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)唯一聯(lián)絡(luò)線——220 kV聯(lián)絡(luò)線(A站至B站)事故跳閘，地區(qū)電網(wǎng)將成為了一個(gè)孤立電網(wǎng)，屆時(shí)，孤網(wǎng)內(nèi)水電機(jī)組的調(diào)速特性對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大影響。

1 地區(qū)電網(wǎng)簡(jiǎn)介

地區(qū)電網(wǎng)目前通過單回286.3 km的220 kV聯(lián)絡(luò)線和單回167.87 km的110 kV葉皮線(正常方式下斷開備用)與主網(wǎng)相連，距離主系統(tǒng)2 000 km以上，與主系統(tǒng)聯(lián)系極其薄弱，網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)雖然達(dá)到331 MW，但電源結(jié)構(gòu)不合理，78%的電源為水電機(jī)組，受季節(jié)變化影響，存在“以水定電”問題。電網(wǎng)地理接線示意圖如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)地理接線圖

地區(qū)電網(wǎng)存在著季節(jié)性供需不平衡問題，本地區(qū)電源供電能力和從主網(wǎng)受電能力均有不足，主要原因如下。

(1)全地區(qū)水能發(fā)電站受河床來水不足的制約，發(fā)電能力十分有限，存在與負(fù)荷增長(zhǎng)反時(shí)限特性。

(2)網(wǎng)內(nèi)應(yīng)急電源燃機(jī)電站出力不穩(wěn)定，因設(shè)備缺陷的種種原因(氣源不足、氣候太冷等)無法投運(yùn)，造成冬季負(fù)荷高峰時(shí)段無法提供穩(wěn)定的電力支撐和電力供應(yīng)。

(3)冬季期間，地區(qū)最大的A水電站受B水電站大壩蓄水的制約，不能在負(fù)荷高峰時(shí)段發(fā)揮最大效益。

上述3種因素造成冬季地區(qū)網(wǎng)內(nèi)所有電廠的最大發(fā)電出力僅為90 MW，缺額部分全部通過220 kV聯(lián)絡(luò)線從主網(wǎng)下網(wǎng)功率來彌補(bǔ)。

因此，220 kV聯(lián)絡(luò)線的極限傳輸功率對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的供電能力有著直接影響。

2 水電機(jī)組控制特性

水電機(jī)組控制特性與火電機(jī)組不同，當(dāng)一次調(diào)頻投入，網(wǎng)頻下降時(shí)，水電機(jī)組的出力變化特性是先下降后上升，這種特性為水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性。如圖2所示的即為某水電機(jī)組在一次調(diào)頻試驗(yàn)過程中的負(fù)荷與導(dǎo)葉開度的錄波曲線，可以清晰地看到水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性，水電機(jī)組的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性對(duì)全部由水電機(jī)組構(gòu)成的區(qū)域電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性有很強(qiáng)的影響作用。

圖2 水電機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性圖

3 仿真分析

為保證220 kV聯(lián)絡(luò)線跳閘后，孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)最大限度地提高地區(qū)電網(wǎng)受電能力，本著提高聯(lián)絡(luò)線下網(wǎng)功率和在電網(wǎng)發(fā)生不可預(yù)見事故時(shí)將造成的危害、損失降低到最小程度的原則，對(duì)220 kV聯(lián)絡(luò)線跳閘后的孤網(wǎng)進(jìn)行了仿真分析，求得聯(lián)絡(luò)線的極限傳輸功率。

3.1 計(jì)算條件

3.1.1 計(jì)算手段

穩(wěn)定計(jì)算采用電科院電力系統(tǒng)計(jì)算綜合程序PSASP 6.28版。計(jì)算中A水電站按照考慮與不考慮調(diào)速器特性兩種情況分析，地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)其余機(jī)組不考慮調(diào)速器特性，但所有機(jī)組均考慮了調(diào)壓器特性，發(fā)電機(jī)采用實(shí)測(cè)的勵(lì)磁系統(tǒng)模型和PSS模型。負(fù)荷模型采用40%～70%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型，廠用電模型采用80%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，線路快速保護(hù)、重合閘，廠、站母線母差保護(hù)均可靠投入。

3.1.2 穩(wěn)定判據(jù)

(1)電網(wǎng)遭受每一次大擾動(dòng)后，引起系統(tǒng)各機(jī)組之間功角相對(duì)增大，在經(jīng)過第1、第2搖擺不失步;相對(duì)功角為減幅振蕩。

(2)在電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的暫態(tài)過程中，220 kV變電站的110 kV母線電壓能夠恢復(fù)到0.80 p.u.以上。

(3)聯(lián)絡(luò)線功率振蕩呈衰減趨勢(shì)。

(4)系統(tǒng)低頻率時(shí)，正常情況下應(yīng)不導(dǎo)致低頻率減負(fù)荷裝置動(dòng)作，特殊情況下可以考慮低頻率減負(fù)荷裝置動(dòng)作，但系統(tǒng)不能發(fā)生頻率崩潰，即系統(tǒng)最低頻率不應(yīng)低至低頻率減負(fù)荷裝置最低頻率的頻率值;系統(tǒng)高頻率時(shí)，最高頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組高頻率保護(hù)最低頻率整定值，一般應(yīng)不高于50.5～51 Hz。

3.1.3 邊界條件

(1)220 kV聯(lián)絡(luò)線潮流方向?yàn)锽→A。(2)220～110 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行。(3)地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組開機(jī)方式安排如表1。

表1 機(jī)組開機(jī)安排

(4)地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷為185 MW。

3.2 仿真分析

3.2.1 甲水電站水電機(jī)組考慮調(diào)速特性

220 kV聯(lián)絡(luò)線(A→B)的傳輸功率為100 MW時(shí)發(fā)生三永故障，0.12 s切除線路兩側(cè)斷路器，地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)頻率變化特性如圖3所示，甲水電站2號(hào)機(jī)組的有功變化特性如圖4所示，220 kV B站的110 kV側(cè)電壓變化特性如圖5所示。

圖3 解網(wǎng)后地區(qū)電網(wǎng)的頻率曲線(Hz)

圖4 甲水電站2號(hào)機(jī)有功曲線(MW)

圖5 220 kV B站110 kV母線電壓曲線

從上述3張圖可以看出220 kV聯(lián)絡(luò)線(A→B)的傳輸功率為100 MW時(shí)發(fā)生三永故障，線路被切除，地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。依靠甲水電站水電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性和低頻減載裝置動(dòng)作特性(動(dòng)作4輪切除了72 MW負(fù)荷)，最終頻率可以恢復(fù)到合理范圍之內(nèi)，地區(qū)電網(wǎng)110 kV電壓上升6～8 kV，需注意電壓控制。

圖6 解網(wǎng)后地區(qū)電網(wǎng)的頻率曲線

3.2.2 不考慮甲水電站水電機(jī)組調(diào)速特性

220 kV聯(lián)絡(luò)線(A→B)的傳輸功率為80 MW時(shí)發(fā)生三永故障，0.12 s切除線路兩側(cè)斷路器，地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)頻率變化特性如圖6所示，甲水電站2號(hào)機(jī)組的有功變化特性如圖7所示，220 kV B站的110 kV側(cè)電壓變化特性如圖8所示。

圖7 甲水電站2號(hào)機(jī)有功曲線

圖8 220 kV B站110 kV母線電壓曲線

從上述3張圖可以看出220 kV聯(lián)絡(luò)線(A→B)的傳輸功率為80 MW時(shí)發(fā)生三永故障，線路被切除，地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。依靠低頻減載裝置動(dòng)作特性(切除了83 MW負(fù)荷)，最終頻率可以恢復(fù)到合理范圍之內(nèi)，地區(qū)電網(wǎng)110 kV電壓上升6～8 kV。

對(duì)比圖7和圖4可以看出:圖7中由于沒有考慮甲水電站水電機(jī)組的調(diào)速特性，聯(lián)絡(luò)線跳閘前后，有功功率變化不大。地區(qū)電網(wǎng)的頻率主要依靠低頻減載裝置動(dòng)作和負(fù)荷自身的頻率特性來尋找功率平衡，最終達(dá)到頻率穩(wěn)定。圖4中考慮了甲水電站水電機(jī)組的調(diào)速特性，聯(lián)絡(luò)線跳閘后，水電機(jī)組調(diào)速器動(dòng)作，增加了水電機(jī)組的有功出力，同時(shí)低頻減載裝置動(dòng)作切除部分負(fù)荷，加之負(fù)荷自身的頻率特性，三者共同作用達(dá)到頻率穩(wěn)定。

通過上述分析可知:由于考慮了水電機(jī)組調(diào)速特性，聯(lián)絡(luò)線的極限功率比不考慮水電機(jī)組調(diào)速特性時(shí)有所提高。但從圖4中也可以明顯看出:聯(lián)絡(luò)線跳開的瞬間，水電機(jī)組的功率并非直接上升，而是因?yàn)樗姍C(jī)組的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性作用，機(jī)組出力先下降后上升。在機(jī)組出力下降過程中，地區(qū)電網(wǎng)頻率加速下降，有可能造成低頻減載裝置滑差閉鎖或者切荷量不足，最終造成頻率失穩(wěn)，電壓崩潰。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1)考慮水電機(jī)組調(diào)速特性時(shí)，聯(lián)絡(luò)線(220 kV聯(lián)絡(luò)線)極限傳輸功率為100 MW，略大于不考慮水電機(jī)組調(diào)速特性時(shí)的極限傳輸功率80 MW。

(2)地區(qū)電網(wǎng)絕大部分電源為水電機(jī)組，由于水電機(jī)組動(dòng)態(tài)反調(diào)特性的影響，考慮水電機(jī)組調(diào)速特性時(shí)聯(lián)絡(luò)極限傳輸功率提高幅度有限。

4.2 建 議

(1)加快建設(shè)與主網(wǎng)聯(lián)系第二通道，增強(qiáng)地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。

(2)盡快在地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)建設(shè)火電機(jī)組，利用火電機(jī)組一次調(diào)頻作用中和水電機(jī)組動(dòng)態(tài)反調(diào)特性，提高地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后頻率穩(wěn)定性。

(3)加強(qiáng)對(duì)應(yīng)急燃機(jī)電源的維護(hù)及相關(guān)工作，確保應(yīng)急電源在關(guān)鍵時(shí)刻可以起到電源作用。

［1］時(shí)珊珊，魯宗相，閔勇，等.微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率特性分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(9):36 －41.

［2］趙強(qiáng)，張麗，王琦，等.系統(tǒng)負(fù)荷頻率特性對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(3):69－73.

［3］陳橋平，蔡澤洋，李愛民，等.互聯(lián)電網(wǎng)的地區(qū)頻率特性差異性及其對(duì)低頻減載的影響研究［J］.中國(guó)電力，2009，42(8):1 －5.

［4］熊小伏，周永忠，周家啟.計(jì)及負(fù)荷頻率特性的低頻減載方案研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(19):48－51.

［5］趙慶波，曾鳴，劉敏，等.電力市場(chǎng)中的負(fù)荷頻率控制方案研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(11):45－50.

［6］曾啟明，陳偉樂，謝志堂，等.電力系統(tǒng)頻率新的跟蹤算法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(19):48 －51.

［7］秦明亮，楊秀朝.減少低頻減載方案過切的措施的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(2):83－86.

［8］肖遙，孟·讓·柯洛德.電力系統(tǒng)頻率測(cè)量誤差成因分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(1):29 －42.

［9］新疆電力調(diào)度通信中心.2011年度運(yùn)行方式［R］.2011.

［10］QIU Bin，LIU Yi－ yu.Lan － based Control for Load Shedding［J］.IEEE Computer Applications in Power，2001，14(12):38 －43.