異步聯(lián)網(wǎng)對(duì)云南電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響

蔡葆銳,王興剛,司大軍

(云南電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,昆明 650001)

云電論壇獲獎(jiǎng)?wù)撐?/p>

異步聯(lián)網(wǎng)對(duì)云南電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響

蔡葆銳,王興剛,司大軍

(云南電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,昆明 650001)

南方電網(wǎng)確定了異步聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)路線(xiàn),計(jì)劃在2016年實(shí)現(xiàn)云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)的異步互聯(lián),這將對(duì)云南電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出新的挑戰(zhàn)。本文深入研究了異步聯(lián)網(wǎng)對(duì)云南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定性、小擾動(dòng)穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明,異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題凸顯,需要引起高度重視。文章進(jìn)一步提出了相關(guān)安全穩(wěn)定控制措施的建議。

異步聯(lián)網(wǎng)；頻率穩(wěn)定；功角穩(wěn)定；小擾動(dòng)穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定

0 前言

南方電網(wǎng)確定了異步聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)路線(xiàn),相關(guān)工程已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施。按照計(jì)劃進(jìn)度,魯西直流背靠背工程和±500 kV永仁至富寧直流工程均于2016年同時(shí)建成投運(yùn),屆時(shí)云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)異步互聯(lián)。

異步聯(lián)網(wǎng)后,云南電網(wǎng)作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱、負(fù)荷水平較低的多直流送端電網(wǎng),其頻率穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定性和小擾動(dòng)穩(wěn)定性都有何變化,需要采取哪些安全穩(wěn)定控制措施,都是非常值得研究的內(nèi)容,也是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

1 異步聯(lián)網(wǎng)方案

云南與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)主要由如下兩個(gè)直流工程組成 (方案示意見(jiàn)圖1)：

圖1 云南與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)方案示意圖

1)魯西直流背靠背工程：遠(yuǎn)期規(guī)劃3 000 MW,本期建設(shè)1 000 MW常規(guī)直流單元和1 000 MW柔性直流單元。

2)±500 kV永仁至富寧直流工程：輸送容量3 000 MW,可以實(shí)現(xiàn)雙極全送云南、雙極全送廣西和單極分送云南廣西三種運(yùn)行方式。

2 對(duì)云南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響

異步聯(lián)網(wǎng)前,由于南方電網(wǎng)容量大,任一直流單極閉鎖均不存在頻率問(wèn)題,任一直流雙極閉鎖造成系統(tǒng)功角失穩(wěn),采取切機(jī)措施后可以保持功角和頻率穩(wěn)定,切機(jī)量由功角穩(wěn)定性決定。異步聯(lián)網(wǎng)后,云南電網(wǎng)容量降低,頻率穩(wěn)定性很可能發(fā)生變化。

頻率穩(wěn)定計(jì)算采用2016年汛期小方式,針對(duì)有頻率失穩(wěn)情況的采用豐大方式進(jìn)一步校驗(yàn)。

計(jì)算原則如下：

1)按照 《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中規(guī)定的第一、二級(jí)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)要求,則直流單極閉鎖故障以及直流雙極閉鎖故障采取穩(wěn)控措施后,云南電網(wǎng)高周切機(jī)和低頻減載裝置應(yīng)不動(dòng)作,即故障后云南電網(wǎng)頻率應(yīng)不低于49.0 Hz,且不高于50.6 Hz。其中,低于49.0 Hz將造成低頻減載動(dòng)作；超出50.6 Hz將引起穩(wěn)控的高周切機(jī)動(dòng)作。

2)同時(shí),按照 “聯(lián)絡(luò)線(xiàn)因故障斷開(kāi)后,要保持各自系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行”的要求,暫態(tài)過(guò)程中云南電網(wǎng)頻率應(yīng)低于51.5 Hz、高于47.5 Hz,且事故后系統(tǒng)頻率能迅速恢復(fù)到49.2 Hz～50.5 Hz之間。其中,低于47.5 Hz可能造成系統(tǒng)頻率崩潰；超出51.5Hz將可能引起機(jī)組的OPC或高周保護(hù)動(dòng)作,造成無(wú)序跳閘,進(jìn)而造成頻率崩潰。

2.1 直流單極閉鎖

楚穗直流、糯扎渡直流雙極全功率運(yùn)行時(shí),單極閉鎖后云南電網(wǎng)最高頻率分別達(dá)到50.76 Hz、50.70 Hz(如圖2、圖3所示),小于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz,但均大于云南電網(wǎng)高周切機(jī)起始值50.6 Hz,即單極閉鎖

圖2 楚穗直流全功率運(yùn)行,單極閉鎖云南電網(wǎng)頻率

圖3 糯扎渡直流全功率運(yùn)行,單極閉鎖云南電網(wǎng)頻率

不采取安穩(wěn)措施會(huì)造成高周切機(jī)動(dòng)作。

溪洛渡直流、魯西背靠背直流單極閉鎖均不會(huì)造成高周切機(jī)動(dòng)作。

2.2 直流雙極閉鎖

楚穗直流雙極全功率運(yùn)行,雙極閉鎖后云南電網(wǎng)最高頻率達(dá)到51.55 Hz,大于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz。當(dāng)切除小灣、金安橋共3 900 MW機(jī)組后,最高頻率達(dá)到50.36 Hz,小于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz與云南電網(wǎng)高周切機(jī)起始值50.6 Hz。

圖4 楚穗直流全功率運(yùn)行,雙極閉鎖云南電網(wǎng)頻率

糯扎渡直流雙極全功率運(yùn)行,雙極閉鎖后云南電網(wǎng)最高頻率達(dá)到51.55 Hz,大于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz。當(dāng)切除糯扎渡電站、景洪電站、墨江水電共3 930 MW機(jī)組后,最高頻率達(dá)到50.34 Hz,小于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz與云南電網(wǎng)高周切機(jī)起始值50.6 Hz。

圖5 糯扎渡直流全功率運(yùn)行,雙極閉鎖云南電網(wǎng)頻率

溪洛渡直流雙極全功率運(yùn)行,雙極閉鎖后云南電網(wǎng)最高頻率達(dá)到50.97 Hz。當(dāng)切除溪洛渡電站2 800 MW機(jī)組后,最高頻率達(dá)到50.22 Hz,小于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz與云南電網(wǎng)高周切機(jī)起始值50.6 Hz。

魯西背靠背直流全功率運(yùn)行,全部閉鎖損失2 000 MW后云南電網(wǎng)最高頻率達(dá)到50.63 Hz,小于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz,但大于云南電網(wǎng)高周切機(jī)起始值50.6 Hz,如果不采取安穩(wěn)措施會(huì)造成高周切機(jī)動(dòng)作。

圖6 溪洛渡直流全功率運(yùn)行,雙極閉鎖云南電網(wǎng)頻率

2.3 直流雙回四極閉鎖

溪洛渡直流雙回四極全功率運(yùn)行,送出功率6 400 MW時(shí),雙回四極閉鎖后電網(wǎng)失穩(wěn),切除溪洛渡電站1 400 MW機(jī)組,系統(tǒng)功角穩(wěn)定,但是云南電網(wǎng)最高頻率達(dá)到51.81 Hz,不滿(mǎn)足頻率要求。

再切除溪洛渡電站2 800 MW、龍開(kāi)口電站720 MW機(jī)組后,最高頻率達(dá)到50.48 Hz,小于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz與云南電網(wǎng)高周切機(jī)起始值50.6 Hz。

圖7 溪洛渡直流全功率運(yùn)行,四極閉鎖云南電網(wǎng)頻率

2.4 大方式校核

根據(jù)前面分析,小方式下楚穗直流、糯扎渡直流單極閉鎖后電網(wǎng)頻率均大于云南電網(wǎng)高周切機(jī)起始值50.6 Hz,不滿(mǎn)足N-1原則,下面采用2016年汛期大方式進(jìn)行校核,各直流均采用雙極全功率運(yùn)行。

圖8 大方式下楚穗直流單極閉鎖云南電網(wǎng)頻率

圖9 大方式下糯扎渡直流單極閉鎖云南電網(wǎng)頻率

如圖8、圖9所示,楚穗直流單極閉鎖,最高頻率50.66 Hz；糯扎渡直流單極閉鎖,最高頻率50.65 Hz。

校核結(jié)果表明：2016年汛期大方式下,楚穗直流、糯扎渡直流單極閉鎖后電網(wǎng)頻率小于云南電網(wǎng)火電機(jī)組過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值51.5 Hz,但大于云南電網(wǎng)高周切機(jī)起始值50.6 Hz,即單極閉鎖不采取安穩(wěn)措施會(huì)造成高周切機(jī)動(dòng)作。

3 對(duì)云南電網(wǎng)功角穩(wěn)定性的影響

功角穩(wěn)定計(jì)算采用2016年汛期大方式,異步聯(lián)網(wǎng)前、后云南省內(nèi)主要斷面潮流基本一致,云南外送潮流基本一致。

3.1 直流雙極閉鎖

由表1可知,異步聯(lián)網(wǎng)前,楚穗直流、糯扎渡直流雙極閉鎖功角失穩(wěn),均需要切除約200萬(wàn)機(jī)組；異步聯(lián)網(wǎng)后,各回直流雙極閉鎖均能保持功角穩(wěn)定。

主要原因在于：異步聯(lián)網(wǎng)前,直流雙極閉鎖后大量功率轉(zhuǎn)移到交流通道引起功角失穩(wěn)。

表1 異步聯(lián)網(wǎng)前后直流雙極閉鎖功角穩(wěn)定情況

3.2 交流線(xiàn)路、主變N-2

經(jīng)過(guò)全網(wǎng)掃描計(jì)算,異步聯(lián)網(wǎng)后紅河至硯山線(xiàn)路N-2將使云南文山地區(qū)孤網(wǎng)；除此以外,異步聯(lián)網(wǎng)前、后,云南500 kV交流線(xiàn)路、主變N-2故障功角穩(wěn)定情況一致。

下圖為500 kV大理至和平線(xiàn)路N-2故障,云南異步聯(lián)網(wǎng)前、后仁和至廠(chǎng)口線(xiàn)路有功曲線(xiàn)的對(duì)比,可以看出,異步聯(lián)網(wǎng)前的阻尼略好于異步聯(lián)網(wǎng)后的阻尼,0.6 Hz左右振蕩頻率,異步聯(lián)網(wǎng)前阻尼比為 1.886%,異步聯(lián)網(wǎng)后阻尼比為0.935%。阻尼比的變化與異步聯(lián)網(wǎng)前、后系統(tǒng)容量的變化有關(guān)。

圖10 大和線(xiàn)N-2,仁廠(chǎng)線(xiàn)有功

4 對(duì)云南電網(wǎng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響

采用與功角穩(wěn)定計(jì)算相同的計(jì)算數(shù)據(jù)。

異步聯(lián)網(wǎng)前,云南與香港廣東振蕩模式的振蕩頻率0.31 Hz,阻尼比27.9%；異步聯(lián)網(wǎng)后,該振蕩模式消失。

異步聯(lián)網(wǎng)前、后,云南電網(wǎng)內(nèi)部的振蕩模式?jīng)]有變化,振蕩頻率和阻尼比非常接近,阻尼比均大于4.5%,詳見(jiàn)表2。

表2 異步聯(lián)網(wǎng)前后小擾動(dòng)穩(wěn)定情況

5 對(duì)云南電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

異步聯(lián)網(wǎng)前,各直流閉鎖故障后,由于潮流大量轉(zhuǎn)移至交流通道,導(dǎo)致500 kV西電東送交流通道電壓顯著降低。如圖11所示,當(dāng)糯扎渡直流單極閉鎖后,云南外送交流通道的電壓下降較大,硯山變電壓穩(wěn)定在499 kV,崇左變電壓穩(wěn)定在478 kV左右,但尚能滿(mǎn)足大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定的判據(jù)(中樞點(diǎn)母線(xiàn)電壓不低于0.9 p.u.)。

圖11 糯扎渡直流單極閉鎖后硯山、崇左電壓

異步聯(lián)網(wǎng)后,西電東送各回直流閉鎖故障后云南電網(wǎng)電壓情況極大好轉(zhuǎn)；永仁至富寧直流閉鎖故障會(huì)引起云南省內(nèi)東西交流通道電壓降低,但由于受端富寧換流站裝設(shè)了STATCOM,電壓均可以穩(wěn)定在510 kV以上。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)異步聯(lián)網(wǎng)后,云南電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題凸顯。楚穗直流或者糯扎渡直流單極閉鎖故障有可能導(dǎo)致云南電網(wǎng)高周切機(jī)動(dòng)作；雙極閉鎖故障不再會(huì)導(dǎo)致功角失穩(wěn),但是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率失穩(wěn),通過(guò)切除機(jī)組可以保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

2)異步聯(lián)網(wǎng)避免了直流故障后大量功率轉(zhuǎn)移到交流通道,有利于提高直流故障后的功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性。

3)異步聯(lián)網(wǎng)后,云南500 kV交流線(xiàn)路故障功角穩(wěn)定情況與異步聯(lián)網(wǎng)前一致,但是阻尼比略有降低。

4)異步聯(lián)網(wǎng)后,云南與香港廣東振蕩模式消失,云南電網(wǎng)內(nèi)部的振蕩模式?jīng)]有變化。

5)針對(duì)異步聯(lián)網(wǎng)后的頻率穩(wěn)定性問(wèn)題,建議加強(qiáng)云南電網(wǎng)二、三道防線(xiàn)配置研究；考慮在直流單極閉鎖后切除部分機(jī)組,防止高周切機(jī)動(dòng)作；盡早開(kāi)展異步聯(lián)網(wǎng)方式下的直流頻率限制控制 (FLC)技術(shù)研究,及時(shí)投入工程應(yīng)用。

[1] 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院.云南電網(wǎng)與南方主網(wǎng)背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程可行性研究報(bào)告[R].2014.3.

[2] 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院.西南電力設(shè)計(jì)院.云南永仁至富寧±500 kV直流輸變電工程可行性研究報(bào)告[R].2014.1.

[3] 云南電網(wǎng)公司.云南電網(wǎng)2014年運(yùn)行方式 [Z]. 2014,2.

[4] 云南省電力設(shè)計(jì)院.云南電網(wǎng)2016～2018年專(zhuān)題規(guī)劃研究報(bào)告 [R].2014.1.

Impact of Asynchronous Networking for Yunnan Power Grid Security and Stability

CAI Baorui,WANG Xinggang,SI Dajun
(Yunnan Power Grid Planning＆Research Center,Kunming 650011,China)

China Southern Power Grid has determined the technical route of asynchronous network,and plan to achieve asynchronous interconnection of Yunnan power system and Southern Power Grid in 2016.This will bring new challenges to the safety and stability of Yunnan power grid.This paper deeply studies the influence of asynchronous network on the frequency stability,power angle stability,small disturbance stability and voltage stability in Yunnan power grid.The results show that,after asynchronous networking,frequency stability problem is very serious,need to pay close attention to.The paper further puts forward safety and stability control measures.

asynchronous network；frequency stability；power angle stability；small disturbance stability；voltage stability

TM935

B

1006-7345(2015)01-0083-04

2014-10-28

蔡葆銳 (1975),男,高級(jí)工程師,云南電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,從事電網(wǎng)規(guī)劃工作 (e-mail)cbaorui＠sina.com。

王興剛,男,博士,高級(jí)工程師,云南電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,主要從事電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性分析、電網(wǎng)規(guī)劃、新能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)方面的研究工作 (e-mail)68529848＠qq.com。

司大軍 (1976),男,博士,高級(jí)工程師,云南電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析工作,在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真、電磁暫態(tài)仿真、電網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃等方面開(kāi)展理論與應(yīng)用研究 (email)dajunsi1976＠163.com。