大電廠電力外送穩(wěn)定性研究

張新德，徐晃，周良松

（1.湖北華電西塞山發(fā)電有限公司，湖北黃石 435001；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

大電廠電力外送穩(wěn)定性研究

張新德1，徐晃2，周良松2

（1.湖北華電西塞山發(fā)電有限公司，湖北黃石 435001；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

湖北華電西塞山發(fā)電有限公司二期680MW新機(jī)組的投運(yùn)給系統(tǒng)帶來了暫態(tài)穩(wěn)定問題，分析了電廠母線各種接線方案下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，指出了穩(wěn)定問題最小的母線接線方式并提出了運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)措施。

外送電力；暫態(tài)穩(wěn)定；失步；電壓穩(wěn)定；主接線

0 引言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，單機(jī)容量進(jìn)一步提高，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題日趨嚴(yán)重。電力系統(tǒng)一旦失去穩(wěn)定，往往會(huì)造成大范圍、長時(shí)間停電，甚至使系統(tǒng)崩潰和瓦解［1］。2003年美加大停電以及2005年的莫斯科大停電，停電面積超過上萬平方公里，受影響人口達(dá)幾百萬甚至上千萬［2-3］。

大電廠長距離外送電力往往會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定問題［4-5］。2014年湖北華電西塞山發(fā)電有限公司（以下簡稱西塞山電廠）二期新投產(chǎn)一臺(tái)680MW機(jī)組，機(jī)組投運(yùn)后系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定問題，當(dāng)外送線路發(fā)生故障跳閘時(shí)，導(dǎo)致黃石黃岡地區(qū)的發(fā)電機(jī)組失步。本文以西塞山電廠二期＃4機(jī)組為例，研究大電廠外送穩(wěn)定問題及其對(duì)策。

1 系統(tǒng)和機(jī)組概況及存在的問題

西塞山電廠二期位于湖北省黃石市，黃石市黃岡地區(qū)220 kV電網(wǎng)接線如圖1所示（圖中，主變壓器簡稱主變，變壓器簡稱變，下同）。一般情況下，該地區(qū)與附近地區(qū)電網(wǎng)之間的220 kV聯(lián)絡(luò)線斷開，僅通過大吉變電站和磁湖變電站與系統(tǒng)的500 kV電網(wǎng)相聯(lián)。區(qū)內(nèi)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組均為火電機(jī)組，見表1。

表1 黃石市黃岡地區(qū)發(fā)電機(jī)組

新投運(yùn)的機(jī)組命名為西塞山＃4機(jī)組，它和＃3機(jī)組的參數(shù)完全相同。區(qū)內(nèi)的黃石＃209機(jī)組和天堂小水電機(jī)組停運(yùn)。

圖1 黃石市黃岡地區(qū)220 kV電網(wǎng)接線

西塞山電廠二期共有4條220 kV出線：塞磁雙回線，長25.0 km；塞泥雙回線，長51.4 km，均為同桿并架線路。新機(jī)組投運(yùn)前，與之相連的500 kV磁湖變電站也將完成220 kV母線雙母雙分的改造。磁湖變電站220 kV母線雙母雙分后的接線如圖2所示。

圖2 磁湖變電站母線排列方式

正常運(yùn)行時(shí)，磁湖變電站＃3母線和＃5母線的母聯(lián)開關(guān)以及＃4母線和＃6母線的母聯(lián)開關(guān)閉合。

穩(wěn)定計(jì)算選用電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP軟件，采用2013年特高壓投運(yùn)后華北華中聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫，內(nèi)含華中五省一市網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)湖北省2014年電網(wǎng)運(yùn)行方式，本文所有的計(jì)算條件均為黃石市黃岡地區(qū)2014年大負(fù)荷，考察的故障形式為區(qū)內(nèi)220 kV主要電力元件發(fā)生三相永久金屬性接地故障（簡稱三永故障），故障發(fā)生后0.12 s故障元件跳閘。一般情況下所有機(jī)組滿發(fā)，切機(jī)時(shí)間為故障后0.25 s。

首先分析西塞山電廠二期合母運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。將合母方案記為方案1，如圖3所示。

圖3 方案1接線

計(jì)算結(jié)果為塞磁雙回線中的Ⅰ回線或Ⅱ回線同時(shí)發(fā)生三永故障，經(jīng)0.12 s雙回線路均跳閘，會(huì)導(dǎo)致西塞山電廠二期機(jī)組失步，系統(tǒng)失去暫態(tài)穩(wěn)定。

其中塞磁雙回線西塞山側(cè)發(fā)生三永故障而雙回線同時(shí)跳閘前后的機(jī)組功角搖擺曲線如圖4所示（所有機(jī)組功角均以三峽電廠左＃1機(jī)組為參照）。故障發(fā)生后黃石市黃岡區(qū)內(nèi)機(jī)組功角增大，西塞山電廠二期的＃3，＃4機(jī)組功角持續(xù)增大至最終失步，其他機(jī)組經(jīng)過功角振蕩后在新的運(yùn)行狀態(tài)下恢復(fù)同步。如果故障后僅切除西塞山電廠二期的一臺(tái)機(jī)組，另一臺(tái)機(jī)組仍會(huì)失步（如圖5所示），只有當(dāng)2臺(tái)機(jī)組全部切除后才能使整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定（如圖6所示）。

圖4 發(fā)電機(jī)功角搖擺曲線1

穩(wěn)定計(jì)算得出的使系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的具體結(jié)果見表2。

圖5 發(fā)電機(jī)功角搖擺曲線2

圖6 發(fā)電機(jī)功角搖擺曲線3

表2 方案1導(dǎo)致暫態(tài)失穩(wěn)故障

由計(jì)算結(jié)果可知，西塞山電廠二期采用方案1合母運(yùn)行時(shí)，塞磁雙回線的嚴(yán)重故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)，切機(jī)后整個(gè)電廠停運(yùn)。

系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的主要原因是西塞山電廠二期出線的塞泥雙回線長度較長，電廠到黃泥湖的電氣距離過遠(yuǎn)，當(dāng)塞磁雙回線故障跳閘后，發(fā)電機(jī)的功率極限大幅降低，軸系上的不平衡轉(zhuǎn)矩使西塞山＃3，＃4機(jī)組功角持續(xù)增大，最終導(dǎo)致失步。

為應(yīng)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定問題，需研究其他接線方式是否比合母方式更合理。

2 不同接線方式的穩(wěn)定性分析

2.1 方案2穩(wěn)定性分析

方案2：西塞山＃3機(jī)組通過塞磁雙回線向磁湖變電站供電，同時(shí)通過塞泥Ⅰ回線向黃泥湖供電；西塞山＃4機(jī)組通過塞泥Ⅱ回線饋供黃泥湖，如圖7所示。暫態(tài)失穩(wěn)故障見表3。

另外，吉張線故障雙回跳閘會(huì)導(dǎo)致張家灣電壓失穩(wěn)，需切除張家灣部分負(fù)荷。

圖7 方案2接線

表3 方案2導(dǎo)致暫態(tài)失穩(wěn)故障

2.2 方案3穩(wěn)定性分析

方案3：西塞山＃3機(jī)組通過塞磁雙回線向磁湖變電站供電；西塞山＃4機(jī)組通過塞泥雙回線向黃泥湖供電，如圖8所示。暫態(tài)失穩(wěn)故障見表4。

圖8 方案3接線

表4 方案3導(dǎo)致暫態(tài)失穩(wěn)故障

另外，吉張雙回線或張春雙回線故障跳閘并切除西塞山＃4機(jī)組后，張家灣、蘄春、蔡城、黃泥湖將大量缺電，需再切除該地大量負(fù)荷。

2.3 方案4穩(wěn)定性分析

方案4：西塞山＃3機(jī)組接塞磁Ⅰ回線和塞泥Ⅰ回線；西塞山＃4機(jī)組接塞磁Ⅱ回線和塞泥Ⅱ回線，如圖9所示。暫態(tài)失穩(wěn)故障見表5。

圖9 方案4接線

表5 方案4導(dǎo)致暫態(tài)失穩(wěn)故障

3 方案選擇

西塞山電廠二期母線4種接線方案穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表6。

（1）方案1。當(dāng)塞磁Ⅰ回線、Ⅱ回線或雙回線同時(shí)發(fā)生三永故障而同時(shí)切除塞磁雙回線時(shí)，必須切除西塞山電廠二期2臺(tái)機(jī)組才能保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

（2）方案2。除塞磁雙回線外，還有黃泥湖母線、泥春線以及塞泥Ⅰ回線三永故障也會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)失穩(wěn)。塞磁雙回線磁湖側(cè)三永故障同跳，仍須切除2臺(tái)機(jī)組才能保持穩(wěn)定。另外，吉張雙回線同跳會(huì)導(dǎo)致張家灣電壓失穩(wěn)。

（3）方案3。黃石黃岡地區(qū)220 kV及以上交流線或一些重要電力設(shè)備發(fā)生三永故障，均可只切除1臺(tái)機(jī)組保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。但當(dāng)吉張雙回線或張春雙回線發(fā)生三永故障同跳時(shí)，為保持暫態(tài)穩(wěn)定，須切西塞山電廠二期饋供黃泥湖的一臺(tái)機(jī)組，切機(jī)后張家灣、蘄春、蔡城、黃泥湖將大量缺乏電力供應(yīng)，造成大面積停電。

表6 各方案系統(tǒng)穩(wěn)定問題匯總

（4）方案4。塞磁雙回線三永故障同跳，需切除西塞山電廠二期2臺(tái)機(jī)組才能保持暫態(tài)穩(wěn)定，且磁湖＃5，＃6母線三永故障和塞磁Ⅱ回線磁湖側(cè)三永故障跳閘也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。

對(duì)比4個(gè)方案：方案1暫態(tài)穩(wěn)定問題比較嚴(yán)重，為保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，在某些故障下必須同時(shí)切除西塞山電廠二期2臺(tái)機(jī)組，但是暫態(tài)穩(wěn)定問題和電壓穩(wěn)定問題較少；方案2不能解決暫態(tài)失穩(wěn)須切2臺(tái)機(jī)組的問題，暫態(tài)穩(wěn)定問題的故障形式比方案1多，而且張家灣容易發(fā)生電壓失穩(wěn)；方案3雖然暫態(tài)失穩(wěn)只需切1臺(tái)機(jī)組即可保持穩(wěn)定，但暫態(tài)穩(wěn)定問題的故障形式較多，而且黃岡地區(qū)供電可靠性嚴(yán)重下降；方案4不能解決暫態(tài)失穩(wěn)須切2臺(tái)機(jī)組的問題，而且暫態(tài)穩(wěn)定問題的故障形式比方案1多。

綜合考慮，選擇方案1最為合適。機(jī)組投運(yùn)時(shí)，電廠應(yīng)配備穩(wěn)控裝置，當(dāng)塞磁雙回線發(fā)生相間故障時(shí)切除發(fā)電機(jī)。在線路或主變壓器檢修時(shí)應(yīng)采取限制機(jī)組出力的措施，必要時(shí)須限制地區(qū)內(nèi)的負(fù)荷。

4 結(jié)束語

應(yīng)特別注意大型發(fā)電廠，特別是新投產(chǎn)機(jī)組外送電力是否會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)穩(wěn)定問題。西塞山電廠二期680MW機(jī)組從接入系統(tǒng)審查至投運(yùn)，歷時(shí)6年多，期間電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致出現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定問題。機(jī)組投產(chǎn)前，通過分析4種不同的母線接線方案，得出方案1合母運(yùn)行方式最為合理的結(jié)論，并提出了運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)措施。

［1］李寶興，全宇文，任敏哲.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的分析與展望［J］.西北電力技術(shù)，2005，33（5）：18-21.

［2］陳海波.國內(nèi)外城市大面積停電分析及啟示［J］.廣東電力，2008，21（2）：34-39.

［3］尚敬福.大面積停電應(yīng)急關(guān)鍵理論及技術(shù)研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2009.

［4］張林，王璟，宋曉凱，等.2004年河南龍崗電廠外送穩(wěn)定問題研究及對(duì)策［J］.河南電力，2004（4）：1-4.

［5］陸建忠.陽城發(fā)輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式分析［J］.華東電力，2000（9）：12-15.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 712

：B

：1674-1951（2015）06-0009-04

張新德（1976—），男，湖北京山人，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，從事火電廠基本建設(shè)管理和電氣工程研究等方面的工作（E-mail：zhang.xd＠hxpgc.com）。

2014-10-17；

2015-04-20

徐晃（1991—），男，安徽渦陽人，在讀碩士研究生，從事電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制方向的研究。

周良松（1967—），男，江西上饒人，副教授，工學(xué)博士，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定在線決策及控制系統(tǒng)研究等方面的工作。