甘南電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行電壓及其頻率控制研究

白興東，牛啟宏，郝廣平，陶智全，王錦程，陸民，趙紅磊，劉永湘

(甘南供電公司，甘肅甘南747000)

0 引言

近年來隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施以及對環(huán)境問題的高度關(guān)注，各地區(qū)利用其豐富的水資源開發(fā)了許多清潔無污染的水電站，中小型水力發(fā)電已經(jīng)成為我國電力的重要組成部分。由于各地電網(wǎng)跨區(qū)互聯(lián)，部分電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)系薄弱，如通過單臺聯(lián)絡(luò)變壓器或者單回線路聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)絡(luò)元件一旦故障跳閘局部電網(wǎng)將脫離主網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行［1］。采用水電群孤網(wǎng)運(yùn)行可以提高電網(wǎng)應(yīng)對突發(fā)故障的能力，避免局部故障可能造成大面積停電事故，是主網(wǎng)故障發(fā)生時的應(yīng)急措施。利用小水電機(jī)組立即帶負(fù)荷向電網(wǎng)供電，既可以縮短恢復(fù)供電的時間又可以降低停電帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

甘南地區(qū)水電群逐級匯集升壓后大功率高壓外送甘肅主網(wǎng)。由于雷電等原因使上級并網(wǎng)線路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)頻率或電壓越限以及失步保護(hù)動作使小水電群容易與甘肅主網(wǎng)解列形成孤網(wǎng)，孤網(wǎng)運(yùn)行時由于系統(tǒng)功率不平衡導(dǎo)致電網(wǎng)頻率和電壓產(chǎn)生波動。當(dāng)系統(tǒng)功率過剩時可能會導(dǎo)致電壓、頻率嚴(yán)重發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行和電氣設(shè)備的壽命與絕緣特性。

1 水電群孤網(wǎng)運(yùn)行主要存在的問題

甘南電網(wǎng)位于甘肅電網(wǎng)東南部，是甘肅電網(wǎng)的末端網(wǎng)絡(luò)，主要由洛大片電網(wǎng)和多合片電網(wǎng)組成，承擔(dān)著甘南州七縣一市的負(fù)荷需求同時將多余功率送入甘肅主網(wǎng)。甘南東部電網(wǎng)以330 kV多合變電站為中心，正常運(yùn)行方式下通過30955臨多單回線與甘肅主網(wǎng)連接運(yùn)行，110 kV合作變、夏河變1114合臨線、1115夏臨線備用，其網(wǎng)內(nèi)有大量的小水電電源。甘南多合地區(qū)就是典型的小水電群區(qū)域，小水電位于線路末端逐級匯集后經(jīng)110 kV變電站升壓后送至多合變電站最后通過330 kV線路送入甘肅主網(wǎng)。圖1為多合地區(qū)電網(wǎng)主接線，網(wǎng)內(nèi)有水電廠20座，變壓器83臺，負(fù)荷母線25條。夏大運(yùn)行方式下，機(jī)組總有功出力為230.27 MW，無功出力為37.5 Mvar，其中70.34 MW供給當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求，其余通過330 kV多合變電站送入甘肅主網(wǎng)。

當(dāng)多合變電站和甘肅主網(wǎng)之間線路出現(xiàn)故障或者頻率電壓越限時并網(wǎng)斷路器跳閘后，多合地區(qū)便形成了水電群孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。水電群孤網(wǎng)運(yùn)行后因輸電線路對地電容產(chǎn)生較大的充電功率，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓會迅速升高。由于多合地區(qū)內(nèi)負(fù)荷功率較低，使大量有功功率過剩導(dǎo)致系統(tǒng)頻率發(fā)生大幅升高。頻率的大幅波動將使系統(tǒng)電抗參數(shù)發(fā)生較大改變，會大大增加線路充電無功功率，進(jìn)而使母線電壓繼續(xù)升高，加重了系統(tǒng)內(nèi)平衡無功功率的負(fù)擔(dān)［2］。當(dāng)孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率超過臨界值時還可能使水電機(jī)組步入自勵磁運(yùn)行狀態(tài)。因此，必須對水電群孤網(wǎng)運(yùn)行時的電壓和頻率進(jìn)行合理的控制，同時合理抑制區(qū)域弱聯(lián)電網(wǎng)解列引起的過電壓［3］，才能使水電群孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 多合電網(wǎng)電氣主接線

2 頻率控制策略

圖2 多合電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行頻率變化曲線

當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致多合330 kV變電站與甘肅主網(wǎng)裂解形成孤網(wǎng)，該孤網(wǎng)由于大量功率的過剩導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅增加。圖2為多合地區(qū)孤網(wǎng)運(yùn)行時頻率隨時間變化曲線，從圖看出，當(dāng)形成孤網(wǎng)瞬間系統(tǒng)頻率由50 Hz迅速升高，而且陡度較大。若不立即采取切機(jī)措施，將會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率反復(fù)振蕩，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［4］。為解決多合電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時的高頻問題，應(yīng)采取連鎖切機(jī)措施，在連鎖切機(jī)措施部分或全部拒動的情況下，再采取發(fā)電機(jī)高頻切機(jī)措施，當(dāng)頻率升高到一定值時，經(jīng)過一定延時切除設(shè)定的發(fā)電機(jī)組，使系統(tǒng)有功功率最終達(dá)到平衡，頻率恢復(fù)到可接受范圍之內(nèi)。

孤網(wǎng)形成初期，因網(wǎng)內(nèi)功率不平衡故要求每臺機(jī)組具有相應(yīng)的調(diào)節(jié)能力，即根據(jù)頻率或者轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。水輪機(jī)調(diào)速器轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制功能是反饋轉(zhuǎn)速誤差信號來改變導(dǎo)葉開度，控制水量的變化從而實現(xiàn)有功調(diào)節(jié)，其響應(yīng)特性主要取決于水輪機(jī)的響應(yīng)特性［5］。發(fā)電機(jī)組功頻特性的調(diào)差系數(shù)主要取決于調(diào)速器的靜態(tài)調(diào)節(jié)特性，它與機(jī)組間功率分配密切相關(guān)。為了使多臺機(jī)組并列穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)速器工作特性應(yīng)具有下垂特性，才能保證各發(fā)電機(jī)之間負(fù)荷的合理分配。在系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行模式下要求速度控制具備良好的穩(wěn)定性，這與正常同步運(yùn)行條件下需要快速帶負(fù)荷和切負(fù)荷的調(diào)速器整定值相矛盾。為了快速改變負(fù)荷，必須具有較快的調(diào)速器響應(yīng)速度。但是造成快速響應(yīng)的調(diào)速器整定值，在電網(wǎng)解列時會造成頻率不穩(wěn)定。若通過機(jī)組自調(diào)節(jié)能力無法使孤網(wǎng)穩(wěn)定，則需要通過切機(jī)或切負(fù)荷方案來實現(xiàn)。

針對甘南孤網(wǎng)高頻現(xiàn)象，僅憑借水輪機(jī)調(diào)節(jié)能力無法達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，必須通過切機(jī)方案才能實現(xiàn)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行后，根據(jù)孤網(wǎng)運(yùn)行特性對相應(yīng)的自動裝置進(jìn)行合理的調(diào)整以保證孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。夏大運(yùn)行方式下，當(dāng)發(fā)生故障并網(wǎng)斷路器跳閘使多合變電站與甘肅主網(wǎng)解裂后，相當(dāng)于多合網(wǎng)突然失去了159.93 WM負(fù)荷。因此形成孤網(wǎng)后，為了使孤網(wǎng)能保持功率平衡以及穩(wěn)定運(yùn)行必須切除部分機(jī)組。經(jīng)PSASP仿真計算，確定了以下切機(jī)方案表1所示，該切機(jī)方案下孤網(wǎng)系統(tǒng)可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 高頻切機(jī)方案

水電群孤網(wǎng)運(yùn)行利用高頻切機(jī)措施來抑制孤網(wǎng)高頻現(xiàn)象，可以預(yù)先制定發(fā)電機(jī)的控制策略、自身轉(zhuǎn)速以及電網(wǎng)頻率信號等切機(jī)方案。多合地區(qū)小水電主要為低水頭徑流式水電機(jī)組，孤網(wǎng)時可能會出現(xiàn)頻率控制的穩(wěn)定性問題，解決措施是孤網(wǎng)后切換調(diào)速器參數(shù)，整定適合孤網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)速器參數(shù)在水電群孤網(wǎng)后切換參數(shù)。這種控制措施的關(guān)鍵在于通過外送通道的功率和電流信號判斷孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、判斷電網(wǎng)調(diào)度中心或地區(qū)調(diào)度中心再依次執(zhí)行孤網(wǎng)控制策略。一般情況下小機(jī)組因調(diào)頻能力有限，在大電網(wǎng)運(yùn)行時不參與頻率的調(diào)節(jié)，相當(dāng)于恒定功率的電源，系統(tǒng)調(diào)頻主要通過大機(jī)組良好的調(diào)頻能力來實現(xiàn)。孤網(wǎng)運(yùn)行時由于孤網(wǎng)區(qū)域功率過剩，所有機(jī)組的出力均加重功率過剩程度，使得系統(tǒng)調(diào)頻越難。所以在孤網(wǎng)運(yùn)行時，應(yīng)嚴(yán)格控制恒定有功出力機(jī)組的運(yùn)行。

3 電壓控制策略

圖3 多合地區(qū)220 kV母線電壓隨發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度變化曲線

電壓控制可以利用投切電抗器或者機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力來平衡系統(tǒng)過剩無功。投切電抗器需要增加額外的無功補(bǔ)償裝置費(fèi)用以及控制成本，成本較大不經(jīng)濟(jì)。同步發(fā)電機(jī)通過勵磁電流來控制無功出力，當(dāng)發(fā)電機(jī)由滯相運(yùn)行轉(zhuǎn)入進(jìn)相運(yùn)行時，進(jìn)一步減小勵磁電流，發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)提供有功的同時吸收系統(tǒng)無功。利用發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力平衡系統(tǒng)過剩無功功率可以有效地控制系統(tǒng)電壓。利用發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行能力不僅響應(yīng)速度快而且控制成本也低，因此利用發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行實現(xiàn)快速連續(xù)調(diào)節(jié)是一種有效的措施［6-7］。

從圖3可以看出，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行深度越深，母線電壓越高。多合電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時，因線路對地充電電容較大，系統(tǒng)呈容性。當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時，向系統(tǒng)提供大量的容性無功，即吸收系統(tǒng)大量的感性無功，系統(tǒng)母線電壓升高。為了使孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行必須使發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行在某一深度范圍，同時需要考慮發(fā)電機(jī)端電壓的安全運(yùn)行范圍。針對多合孤網(wǎng)，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行深度處在0.28-0.34范圍內(nèi)，可以使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在正常水平。發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力主要由定子鐵心端部熱極限、靜態(tài)穩(wěn)定極限和定子過電流極限共同決定，所以對發(fā)電機(jī)進(jìn)行低勵磁限制和保護(hù)，以限制發(fā)電機(jī)進(jìn)相功率，避免因勵磁過小而威脅發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

甘南地區(qū)水電群孤網(wǎng)運(yùn)行下由于系統(tǒng)內(nèi)有功功率和無功功率的嚴(yán)重過剩導(dǎo)致系統(tǒng)頻率和電壓發(fā)生大幅波動。本文結(jié)合甘南電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行存在的問題，初步探討了水電群孤網(wǎng)運(yùn)行后電壓和頻率控制措施，為甘南電網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的參考。

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