西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題分析及解決措施研究

鄭 勇，張立峰,晏小彬，何志強

(1.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000)

西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題分析及解決措施研究

鄭 勇1，張立峰2,晏小彬1，何志強1

(1.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000)

西藏中部電網(wǎng)“十三五”期電力負荷增長迅猛，但電源建設滯后，冬季受電比例較高，暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題較為突出。深入研究了西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題的機理和影響因素，分析表明感應電動機、直流換流站在電網(wǎng)暫態(tài)恢復過程中的無功需求會惡化受端系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合分析本地的優(yōu)勢資源以及電網(wǎng)側(cè)可采取的穩(wěn)定措施，其中新建光熱電站、調(diào)相機等措施均能有效地抑制中部電網(wǎng)電壓失穩(wěn)，提高中部電網(wǎng)的受電能力。

西藏中部電網(wǎng)；暫態(tài)電壓穩(wěn)定；感應電動機；調(diào)相機

0 引 言

目前，西藏電網(wǎng)由西藏中部電網(wǎng)、昌都電網(wǎng)和阿里電網(wǎng)共“一大兩小”3個電網(wǎng)組成。其中西藏中部電網(wǎng)覆蓋西藏中部拉薩、日喀則、山南、那曲和林芝等地區(qū)，是西藏電網(wǎng)的主要負荷中心。目前西藏中部電網(wǎng)通過1回±400kV直流線路與西北電網(wǎng)相連。2018年左右將建成西藏中部電網(wǎng)與昌都電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程及拉林鐵路配套供電工程，實現(xiàn)西藏中部電網(wǎng)、昌都電網(wǎng)和四川電網(wǎng)的500kV交流互聯(lián)，形成西藏—四川同步電網(wǎng)。

西藏中部電網(wǎng)冬季電源出力較小，區(qū)外電力送入比例較大，規(guī)劃藏中電網(wǎng)四川電網(wǎng)2回550kV交流聯(lián)網(wǎng)線路長約1 400 km，通道缺乏電源支撐，自身動態(tài)無功支撐能力較差；加上主網(wǎng)架結(jié)構薄弱，“十三五”新增工業(yè)負荷占比又較大，受端電網(wǎng)內(nèi)部220kV線路三相短路故障后暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題較為突出。

下面對2018年西藏中部電網(wǎng)經(jīng)昌都電網(wǎng)與四川電網(wǎng)的交流聯(lián)網(wǎng)通道建成后的冬大方式進行電壓穩(wěn)定分析，詳細討論西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)的影響因素，分析提高其穩(wěn)定的措施，為電網(wǎng)規(guī)劃、建設以及運行提供參考。

1 計算模型和工具

1)負荷模型

負荷模型對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性具有復雜的影響[1-5]。目前西藏電網(wǎng)調(diào)度部門均采用綜合動態(tài)負荷模型，常規(guī)負荷感應電動機比例為30%，工業(yè)負荷感應電動機比例為70%?！笆濉逼谥胁侩娋W(wǎng)工業(yè)負荷所占總負荷比例將從35%提高到50%，主要有巨龍銅礦(220 MW)和華泰龍銅礦(110 MW)專用變壓器接入墨竹工卡220kV變電站，雄村銅礦(86 MW)專用變壓器間接接入多林220kV變電站。為分析 “十三五”期大型工業(yè)負荷對西藏中部電網(wǎng)的影響，負荷類型選擇兩種比例的負荷：Ⅰ 類全網(wǎng)采用30%的感應電動機負荷和70%的靜態(tài)負荷模型；Ⅱ 類大型工業(yè)負荷采用70%的感應電動機負荷+30%的靜態(tài)負荷，剩余負荷構成為30%的感應電動機模型和70%的靜態(tài)負荷模型。其中靜態(tài)負荷模型按照25%恒阻抗+55%恒電流+20%恒功率分配。

2)動態(tài)無功補償

動態(tài)無功補償對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定影響較大[6]，計算基礎模型考慮已建或已批準的動態(tài)無功補償設備，包括拉薩220kV環(huán)網(wǎng)和藏中交流聯(lián)網(wǎng)通道的SVC裝置。

3)直流模型

直流暫態(tài)過程中的無功需求遠大于穩(wěn)態(tài)運行[7]，直流模型采用青藏直流的實際控制參數(shù)，包括低壓限流環(huán)節(jié)和換向失敗模型。

4)計算工具和指標

分析計算工具采用中國電科院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析軟件(BPA)。擾動切除后電壓低于0.75 p.u.，持續(xù)超過50 Hz為電壓失穩(wěn)，擾動切除后電壓持續(xù)不可逆轉(zhuǎn)地下降至0.5 p.u.以下為電壓崩潰[8]。

2 暫態(tài)電壓穩(wěn)定主要影響因素

2.1 系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析

西藏中部電網(wǎng)2018年冬大方式分析結(jié)果表明Ⅰ類負荷模型西藏中部電網(wǎng)單一故障不會引起電壓穩(wěn)定問題，Ⅱ類負荷模型墨竹至電源或換流站的線路單一故障會造成電網(wǎng)末端電壓失穩(wěn)或崩潰。表1中給出了藏中電網(wǎng)主要故障的分析結(jié)果。

表1 系統(tǒng)故障穩(wěn)定計算結(jié)果

青藏直流單極閉鎖后原青藏直流輸送潮流轉(zhuǎn)移至藏中—四川交流聯(lián)網(wǎng)通道，故障前交流聯(lián)網(wǎng)通道芒康—林芝段送電約400 MW，單極閉鎖后聯(lián)網(wǎng)通道承擔轉(zhuǎn)移功率240 MW，芒康、波密和雅中均配置了120 Mvar的SVC，系統(tǒng)無暫態(tài)電壓跌落；此時芒康—沃卡500kV交流聯(lián)網(wǎng)通道以及藏中220kV環(huán)網(wǎng)配置的SVC無功出力能夠滿足潮流轉(zhuǎn)移所需的動態(tài)無功需求，兩種負荷模型下系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行。

500kV交流聯(lián)網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時，交流系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)電壓跌落，故障點離負荷中心和換流站均相對較遠；且林芝和山南500kV下網(wǎng)點均有一定的電源支撐。故障切除后負荷中心和換流站電壓迅速恢復至0.75 p.u.，電網(wǎng)儲備的動態(tài)無功能夠滿足此時感應電動機負荷以及直流暫態(tài)恢復的無功需求，兩種負荷模型下系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行。

區(qū)內(nèi)220kV電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，Ⅰ類負荷模型的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性較好；Ⅱ類負荷模型系統(tǒng)末端的日喀則電網(wǎng)電壓失穩(wěn)或崩潰。電壓崩潰故障控制點位于墨竹工卡附近。交流聯(lián)網(wǎng)通道落點以及主要電源支撐主要位于山南和林芝，負荷中心和換流站位于拉薩。墨竹工卡是山南和林芝至拉薩負荷中心220kV送電通道的重要樞紐站，220kV送電通道墨竹工卡側(cè)三相短路造成最大范圍的電壓跌落。故障切除后系統(tǒng)電壓約0.5～0.6 p.u.，SVC最大出力下降約70%，負荷和換流站暫態(tài)無功需求增大，系統(tǒng)電壓恢復困難，末端電壓崩潰。墨竹—沃卡三相短路故障后系統(tǒng)主要節(jié)點電壓如圖1所示。

圖1 節(jié)點電壓曲線

2.2 主要影響因素

1)感應電動機負荷

感應電動機負荷比例較高是中部電網(wǎng)電壓失穩(wěn)的主要原因，暫態(tài)擾動后感應電動機將經(jīng)歷機械和電磁相互耦合、相互作用的復雜動態(tài)過程。中部電網(wǎng)負荷中心電壓恢復困難，末端的日喀則電網(wǎng)缺乏支撐。墨竹—沃卡三相短路后雄村和巨龍的無功負荷如圖2所示，位于日喀則電網(wǎng)的雄村銅礦負荷無功需求增大至擾動前的3倍，感應電動機轉(zhuǎn)速將快速降低直至“堵轉(zhuǎn)”。

圖2 節(jié)點無功負荷曲線

2)直流換流站暫態(tài)后無功需求

在穩(wěn)態(tài)階段時，直流系統(tǒng)吸收的無功功率由換流站濾波器組提供，與交流系統(tǒng)基本不發(fā)生無功交換；但在故障后暫態(tài)過程中，直流系統(tǒng)所消耗的無功功率遠大于穩(wěn)態(tài)運行，而濾波器組發(fā)出的無功功率與母線電壓平方成正比。如當電壓跌至0.7 p.u.時，靜態(tài)無功補償將降至50%，直流系統(tǒng)將從交流系統(tǒng)吸入大量無功功率，惡化交流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定特性。若交流系統(tǒng)強壯，可提供足夠的動態(tài)無功支撐，則影響不大；但對藏中電網(wǎng)而言，系統(tǒng)規(guī)模較小，如圖3所示，墨竹—沃卡三相短路后暫態(tài)恢復期間換流站從電網(wǎng)吸收的無功最高達到135 Mvar，青藏直流系統(tǒng)的無功電壓特性對西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性有重要影響。

圖3 換流站從電網(wǎng)吸收的無功功率

綜上所述，網(wǎng)內(nèi)220kV電網(wǎng)三相短路故障系統(tǒng)暫態(tài)電壓跌落，網(wǎng)內(nèi)電源支撐較弱，SVC出力受限，感應電動機負荷誘發(fā)系統(tǒng)電壓失穩(wěn)；此外直流功率恢復需要吸收大量的無功，進一步惡化了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

3 解決措施研究

3.1 措施可實施性分析

采用Ⅱ類負荷模型時西藏中部電網(wǎng)存在暫態(tài)電壓失穩(wěn)，主要原因是感應電動機負荷所占比例較大、直流換流站暫態(tài)后無功需求增大、網(wǎng)內(nèi)特別是電網(wǎng)末端電源支撐較弱缺乏足夠的動態(tài)無功支撐。為提高電網(wǎng)枯期暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，可選擇的措施主要有3類：1)增加電源；2)增加調(diào)相機；3)裝設SVC或SVG等動態(tài)無功補償裝置。

1)增加電源

西藏水能、地熱、太陽能和風能等可再生資源十分豐富，化石能源缺乏。區(qū)內(nèi)規(guī)劃電源主要有水電、光伏、光熱、風電以及燃氣機組，其中水電、地熱、光熱和燃機可以有效增強枯期電源支撐。但是地熱資源遠離負荷中心，建設工期長，目前只能小規(guī)模開發(fā)；水電站建設工期長，建設難度相對較大，規(guī)劃電源提前建成難度較大。故“十三五”期增加電源方案可用的解決措施如下：

①光熱電站

光熱電站類似于常規(guī)火電站具有出力平穩(wěn)、可參與調(diào)峰、有效改善電源結(jié)構、建設周期相對較短等優(yōu)點，根據(jù)《十三五西藏太陽能熱發(fā)電規(guī)劃》，西藏中部的日喀則、山南和拉薩等地區(qū)均具備建設大規(guī)模光熱電站的條件?？稍谀┒说娜湛t電網(wǎng)建設200 MW光伏電站接入多林或羊湖220kV變電站。

②燃氣電站

規(guī)劃“十三五”期建設格拉輸氣管道，屆時在燃料供應充裕時可將拉薩1號燃油機組改為燃氣機組；同時建設2號燃氣機組。2臺燃機均通過燃乃線接入乃瓊220kV變電站。

③電源多開機

西藏中部電網(wǎng)電源以水電為主，電源多開機有2種方式：一是部分水電機組調(diào)相運行[9]，目前羊湖電廠具備調(diào)相機運行的條件；二是水電機組采用低負荷方式，西藏大部分水電機組避開振動區(qū)的穩(wěn)定出力范圍在額定出力的45%～100%[10]。在旁多和藏木等主力水電站能夠適應調(diào)相機運行或者機組低負荷運行情況下，水電多開機組約250 MW。

2)調(diào)相機

同步調(diào)相機在1～2 s內(nèi)無功出力可達到其額定容量的2倍以上，為系統(tǒng)提供無功電壓支撐，提高電壓穩(wěn)定性。朗塘換流站站外具備擴建同步調(diào)相機的條件，考慮在換流站擴建2臺100 Mvar調(diào)相機。

3)SVC

除新建電源、調(diào)相機或電源多開機等方案外，可采用SVC等快速響應的FACTS設備提高受端電網(wǎng)的動態(tài)無功支撐能力。朗塘換流站具備站外擴建SVC的條件，考慮在朗塘建設200 Mvar的SVC。

3.2 措施效果比較

針對Ⅱ類負荷模型分別采用上述措施后，西藏中部電網(wǎng)末端電壓曲線如圖4所示，結(jié)果表明上述措施均能有效提高西藏中部電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

圖4 電網(wǎng)末端電壓曲線

對于增加電源類方案，電網(wǎng)末端建設光熱電站接入多林220kV變電站的系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性明顯優(yōu)于羊湖和乃瓊220kV變電站接入新增電源或電源多開機方案，西藏中部電網(wǎng)電源建設于電網(wǎng)末端更有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

對于上述3類方案，由于調(diào)相機1～2 s內(nèi)無功出力可達到其額定容量的2倍以上，SVC或SVG無功出力和電壓的平方成正比，受參數(shù)等多方面因素的限制發(fā)電機無功出力比調(diào)相機小。在3類方案接入點和規(guī)?；鞠喈敃r，調(diào)相機方案的系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性明顯優(yōu)于其余方案。

4 結(jié)論和建議

通過對西藏中部電網(wǎng)2018年冬大運行方式暫態(tài)電壓穩(wěn)定分析，結(jié)果表明：

1)中部電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)220kV電網(wǎng)三相短路故障后，由于網(wǎng)內(nèi)電源支撐較弱，感應電動機負荷比例較大以及直流功率恢復需要吸收大量的無功導致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。

2)結(jié)合西藏資源條件，“十三五”期建設光熱、燃機、調(diào)相機、SVC以及電源多開機等措施均可增強西藏中部電網(wǎng)動態(tài)無功支撐，有效提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。西藏中部電網(wǎng)電源建設于電網(wǎng)末端的日喀則電網(wǎng)更有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，同等規(guī)模下調(diào)相機方案的電源支撐和電壓穩(wěn)定性優(yōu)于增加電源方案和SVC方案。

3)建議“十三五”期在換流站建設一定容量的調(diào)相機，應鼓勵建設一定規(guī)模的光熱電站，新建發(fā)電機組應具備低負荷運行能力；調(diào)度安排運行方式時應盡量降低單臺機組出力，增大中部電網(wǎng)開機容量。新增工業(yè)負荷應盡可能降低感應電動機的使用比例。

[1] 西藏地區(qū)大中型礦業(yè)負荷特性對聯(lián)網(wǎng)通道穩(wěn)定性的影響研究[R]．北京：中國電力科學研究院，2015．

[2] 孫華東，周孝信，李若梅．感應電動機負荷參數(shù)對電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響[J]．電網(wǎng)技術，2005，29(23)：1-6．

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[10] GB/T 15468-2006，水輪機基本技術條件[S]．北京：中國國家標準化管理委員會，2006．

鄭 勇(1975)，碩士、高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計工作；

張立峰(1978)，碩士、高級工程師，研究方向為電網(wǎng)技術與控制；

晏小彬(1987)，碩士、工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計工作；

何志強(1979)，碩士、高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計工作。

Power load of central Tibet power grid will be growing rapidly in 13th Five-Year period, but the power construction lags, the proportion of receiving power in winter will be higher, and the transient voltage stability problem is much more outstanding. The mechanism and influencing factors of transient voltage stability problem in central Tibet power grid are deeply studied. The analysis shows that the reactive power demand of induction motor and DC converter station will worsen the stability of the receiving system in the process of transient recovery. The advantages of local resources and the stability measures on grid side are comprehensively analyzed, wherein newly-built solar-thermal power generation stations and synchronous condenser can effectively restrain the voltage instability of central power grid and increase the power receiving capability of central power grid.

central Tibet power grid; transient voltage stability; induction motor; synchronous condenser

TM712

A

1003-6954(2017)02-0071-04

2016-10-18)