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    天然氣能源站接入電網(wǎng)的運行方式及其穩(wěn)定性研究

    2017-06-13 10:44:57王龍曹建偉鄭攀東張怡心董曉燕
    浙江電力 2017年5期
    關(guān)鍵詞:功角暫態(tài)短路

    王龍,曹建偉,鄭攀東,張怡心,董曉燕

    (1.國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司,浙江湖州313000;2.湖州電力設(shè)計院有限公司,浙江湖州313000)

    輸配電技術(shù)

    天然氣能源站接入電網(wǎng)的運行方式及其穩(wěn)定性研究

    王龍1,曹建偉1,鄭攀東2,張怡心2,董曉燕2

    (1.國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司,浙江湖州313000;2.湖州電力設(shè)計院有限公司,浙江湖州313000)

    大規(guī)模天然氣內(nèi)燃機組接入將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和運行方式制定產(chǎn)生較大影響。為分析天然氣機組接入對電網(wǎng)的影響,基于天然氣能源站的兩種不同運行方式,分析了能源站接入對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定運行的影響。研究得到能源站機組的故障切除極限時間和穩(wěn)定控制策略,可為大規(guī)模天然氣能源站接入電網(wǎng)的工程設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

    節(jié)能減排;暫態(tài)穩(wěn)定;極限切除時間;數(shù)字仿真;運行方式

    0 引言

    隨著氣候環(huán)境的日益惡化,如何利用和發(fā)展清潔能源是近些年國內(nèi)外專家和學(xué)者的重要研究內(nèi)容[1-3]。為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),最大限度地減少能源使用對環(huán)境的影響,浙江省提出“節(jié)能優(yōu)先、結(jié)構(gòu)多元、環(huán)境友好”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。天然氣作為非常重要的一種清潔能源,可利用冷熱電三聯(lián)供方式,實現(xiàn)節(jié)能減排,預(yù)計在浙江省未來幾年的能源利用比例將大幅度提高[4-5]。

    文獻[6-10]討論了大規(guī)模天然氣機組并網(wǎng)發(fā)電將對電網(wǎng)潮流分布和短路水平的影響,但對于系統(tǒng)機組的暫態(tài)穩(wěn)定問題沒有涉及。

    為分析天然氣能源站不同運行方式的特性,及其接入對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響,為今后大規(guī)模天然氣能源站接入電網(wǎng)工程提供理論指導(dǎo)和參考依據(jù),以浙江A市電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以某天然氣能源站為研究對象,研究天然氣能源站接入對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響,對比分析不同運行方式的特性,為天然氣發(fā)電并網(wǎng)的運行方式選擇提供參考。

    1 系統(tǒng)參數(shù)

    A市2015年夏季典型日的最大負(fù)荷為3 250 MW,系統(tǒng)機組出力為2 700 MW,在運行的重要電站有5座,其關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

    某天然氣能源站(以下簡稱能源站),配置有單機容量為4.3 MW的內(nèi)燃發(fā)電機組9臺,總裝機容量34.4 MW,通過2×63 MVA主變壓器(以下簡稱主變)接入A市電網(wǎng),能源站的電壓等級為110 kV/10 kV。能源站內(nèi)的Ⅰ段母線帶有負(fù)荷25.3 MW,Ⅱ段母線帶有負(fù)荷19.5 MW,站內(nèi)各機組型號均相同,其關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

    表1 A市重要電站的機組關(guān)鍵參數(shù)

    表2 能源站單臺機組的關(guān)鍵參數(shù)

    能源站通過2回110 kV線路接入電網(wǎng),其中1回通過專線接入英溪變電站,1回T接到英溪-莫梁線,其接入后的A市輸電網(wǎng)電壓分布如圖1所示。

    分析圖1可知,能源站接入A市電網(wǎng),A市電網(wǎng)的各變電站母線電壓水平均在合理范圍內(nèi)。

    基于表1、表2的發(fā)電機組數(shù)據(jù)和圖1的電網(wǎng)網(wǎng)架,下面進行能源站的運行方式分析和電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定研究。

    圖1 能源站接入后的系統(tǒng)電壓分布

    2 運行方式分析

    能源站的110 kV和10 kV母線均采用雙母分段方式,其運行方式有分列、并列2種,下面依次討論這2種運行方式的不同特性。

    2.1 分列運行

    能源站的分列運行如圖2所示。分析圖2可知,分列運行時,能源站Ⅰ段母線和Ⅱ段母線的機組與負(fù)荷屬于2個獨立子系統(tǒng),當(dāng)Ⅰ段發(fā)生故障時,只需對Ⅰ段進行操作,Ⅱ段不受影響;反之亦然。

    圖2 能源站分列運行示意

    2.2 并列運行

    能源站的并列運行如圖3所示。從圖3可看出,并列運行時,能源站Ⅰ段母線和Ⅱ段母線的機組與負(fù)荷屬于1個系統(tǒng),當(dāng)Ⅰ段發(fā)生故障時,Ⅱ段將受到影響;反之亦然。

    圖3 能源站并列運行示意

    2.3 分列、并列方式比較

    分列運行與并列運行時的主要指標(biāo)對比結(jié)果如表3所示。

    表3 分列與并列運行的主要指標(biāo)對比

    分析表3可得,相對于并列運行,分列運行時的機組穩(wěn)定性和供電可靠性較低,但其短路電流小,一旦發(fā)生故障(不考慮故障操作),其故障面積比并列運行的故障面積小,且繼保設(shè)備的投資少;并列運行所需的投資高,但其運行時的機組穩(wěn)定性和供電可靠性相對較高。

    2)無人機航測數(shù)據(jù)獲取速度快、影像分辨率高,在稀土開采監(jiān)測中有不可比擬的優(yōu)勢,已成為稀土開采動態(tài)監(jiān)測的重要手段。

    下面依次分析能源站內(nèi)的機組和電網(wǎng)大機組在分列、并列2種運行方式下的暫態(tài)穩(wěn)定性。

    3 穩(wěn)定性分析

    考慮到英溪線和英莫線發(fā)生的概率相等,且站內(nèi)其他設(shè)備故障時的電網(wǎng)運行工況相似,下面僅就英溪線發(fā)生三相短路永久故障情況進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。

    3.1 分列運行

    分列運行,且發(fā)生故障,2 s切除故障時的系統(tǒng)大機組功角曲線如圖4所示。分析圖4可知,分列運行的能源站出口線路發(fā)生故障不會影響系統(tǒng)大機組的穩(wěn)定運行。

    英溪線發(fā)生故障,0.15 s切除后的站內(nèi)機組功角曲線如圖5所示。

    圖4 2 s切除故障時的系統(tǒng)機組功角曲線

    圖5 0.15 s切除故障時的站內(nèi)機組功角曲線

    0.15 s為繼電保護切除故障的極限時間,分析圖5可知,英溪線發(fā)生故障時,Ⅰ段母線上的機組功角將越來越大,即Ⅰ段母線上5臺的機組均將失穩(wěn)。此情況下,能源站Ⅰ段母線上的機組將被切除,其中斷向電網(wǎng)供電,且Ⅰ段母線上的負(fù)荷供電亦被中斷。Ⅱ段母線上的機組功角差越來越小,即Ⅱ段母線上的4臺機組仍然穩(wěn)定運行,其繼續(xù)向系統(tǒng)供電。此結(jié)論驗證了2.1節(jié)分析結(jié)果的正確性。

    3.2 并列運行

    結(jié)合3.1的分析結(jié)論可知,能源站在并列、分列運行發(fā)生故障情況下,系統(tǒng)大機組均是穩(wěn)定性的。

    并列運行,能源站出口發(fā)生故障時,故障切除及時,則站內(nèi)的機組可繼續(xù)穩(wěn)定運行;如果故障切除不及時,則站內(nèi)的機組將失穩(wěn)退出運行。

    故障在極限時間前后切除時的站內(nèi)機組功角曲線如圖7所示。經(jīng)過理論計算和實際仿真分析可知,本算例中,故障的極限切除時間是0.20 s,即11個周波。當(dāng)出口線路發(fā)生三相短路永久故障時,如果0.20 s內(nèi)切除故障,則能源站內(nèi)的機組均可繼續(xù)穩(wěn)定運行,如圖7的虛線所示,站內(nèi)機組的功角曲線收斂;如果超過0.20 s再切除故障,則能源站內(nèi)的機組均失穩(wěn)定運行,如圖7的實線所示,站內(nèi)機組的功角曲線發(fā)散。

    圖6 2 s切除故障時的站內(nèi)機組功角曲線

    圖7 極限時間前后切除時的站內(nèi)機組功角曲線

    基于上述分析結(jié)論,為實現(xiàn)故障在0.20 s切除,則需要在能源站出口線路側(cè)安裝一套光線差動保護裝置。

    4 結(jié)論

    以浙江A市電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以某天然氣能源站為研究對象,研究得到如下結(jié)論:

    (1)分列運行時的站內(nèi)負(fù)荷供電可靠性較低,并列運行時的站內(nèi)負(fù)荷供電可靠性相對較高;分列運行發(fā)生短路時的高/低壓側(cè)短路電流值小,并列運行發(fā)生短路時的高/低壓側(cè)短路電流值相對較大;分列運行時發(fā)生故障時的故障面積相對較小,并列運行時,如果故障切除不及時,則其故障面積相對較大。

    (2)為保證故障能夠及時切除,并列運行需安裝一套光差保護,其繼保投資費用相對更高。

    (3)小容量天然氣能源站接入電網(wǎng),不影響原電網(wǎng)大機組的暫態(tài)穩(wěn)定運行。

    (4)分列運行時,出口線路側(cè)發(fā)生故障,則故障側(cè)母線的機組將失穩(wěn),非故障側(cè)母線的機組繼續(xù)穩(wěn)定運行。

    (5)并列運行時,出口線路側(cè)發(fā)生故障,故障在極限切除時間內(nèi)切除,則站內(nèi)的機組將繼續(xù)穩(wěn)定運行。

    研究結(jié)論可為天然氣能源站的運行方式選擇提供參考,為其接入對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定影響分析提供理論指導(dǎo)。在研究過程中,能源站內(nèi)的機組容量設(shè)為固定,分析能源站配置不同容量機組時的經(jīng)濟收益,是今后的研究重點。

    [1]范嵐嵐,何邦全.天然氣發(fā)動機的研究現(xiàn)狀[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2007,36(1)∶74-79.

    [2]周杰,陳植,李勇,等.變電站所用電系統(tǒng)的2種優(yōu)化方案[J].浙江電力,2016,35(2)∶14-17.

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    [9]黃碧斌,李瓊慧,孫李平,陶佩軍.分布式天然氣發(fā)電在上海電網(wǎng)中的應(yīng)用及其影響[J].中國電力,2014,47(2)∶106-109.

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    (本文編輯:陸瑩)

    Research on Operation Mode and Stability of Natural Gas Energy Station Integrated into Power Grid

    WANG Long1,CAO Jianwei1,ZHENG Pandong2,ZHANG Yixin2,DONG Xiaoyan2
    (1.State Grid Huzhou Power Supply Company,Huzhou Zhejiang 313000,China;2.Huzhou Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Huzhou Zhejiang 313000,China)

    The integration of large scale natural gas engine units has a great impact on operation stability and operation mode of power grid.In order to analyze the impact of natural gas engine units on power grid,the influence of energy station on transient operation stability of power grid is analyzed based on the two different operation modes of natural gas energy station.Critical fault clearing time and stability control strategy of the energy station engine units are concluded through the research to provide theoretical guidance for engineering design of the integration of large scale natural gas energy station into power grid.

    energy saving and emission reduction;transient stability;critical clearing time;digital simulation;operation mode

    10.19585/j.zjdl.201705001

    :1007-1881(2017)05-0001-04

    :TM712

    :A

    2016-11-07

    王龍(1983),男,碩士,工程師,主要研究方向為電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計。

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