藏區(qū)孤網(wǎng)QV特性與過電壓風(fēng)險防控

, , , , (.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 6004; .國網(wǎng)昌都供電公司, 西藏 昌都 854000; .中國三峽新能源有限公司西南分公司, 四川 成都 600)

0 引 言

四川偏遠(yuǎn)山區(qū)的電網(wǎng)通過長距離交流線路連接，這些地區(qū)水電資源豐富，但當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷水平較低。正常情況下，偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)向主網(wǎng)提供電能。但在某些特殊情況下，例如線路檢修、新站投運(yùn)，或者突發(fā)性自然災(zāi)害的條件下，地區(qū)電網(wǎng)需要保持孤網(wǎng)運(yùn)行。由于孤網(wǎng)的運(yùn)行特性存在一些特殊性，且這些地區(qū)的電網(wǎng)往往存在設(shè)備老舊、備用不足等等問題，若運(yùn)行方式、風(fēng)險防控措施安排不當(dāng)，極易造成較大事故。因此，研究偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)的運(yùn)行特性及風(fēng)險防控措施是很有必要的。

傳統(tǒng)對于孤立電網(wǎng)運(yùn)行的研究主要側(cè)重于電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題[1-2]。對于藏區(qū)孤網(wǎng)而言，這些地區(qū)的發(fā)電機(jī)容量和負(fù)荷相比比較充裕，頻率穩(wěn)定問題并不突出。然而，由于偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)通過長距離交流線路相連，線路充電無功較大，導(dǎo)致孤網(wǎng)中易出現(xiàn)工頻過電壓，機(jī)組超出進(jìn)相能力運(yùn)行。因此，偏遠(yuǎn)山區(qū)孤網(wǎng)的無功電壓特性及過電壓風(fēng)險防控問題應(yīng)該受到關(guān)注。文獻(xiàn)[3]研究了偏遠(yuǎn)地區(qū)孤網(wǎng)解列過程中高頻、高壓的相互影響以及發(fā)電機(jī)低勵限制對過電壓的影響。但是，某些偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)的主要矛盾并非是頻率穩(wěn)定或者高頻高壓相互作用，而是以電壓穩(wěn)定為主，且勵磁控制在這類過電壓問題當(dāng)中也起到了非常關(guān)鍵的作用。此外，在線路檢修、新站投運(yùn)等情況下，偏遠(yuǎn)山區(qū)孤網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行時間較長，可以到一個月甚至數(shù)月。這種情況下，原則上應(yīng)按照主網(wǎng)架的N-1原則進(jìn)行校核。但是偏遠(yuǎn)山區(qū)的電力系統(tǒng)網(wǎng)架薄弱，傳統(tǒng)的N-1校核標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)苛，如何合理考慮電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險也是亟待研究的問題。因此針對以過電壓問題為主的孤網(wǎng)進(jìn)行QV特性以及過電壓風(fēng)險的研究對電網(wǎng)的安全運(yùn)行有重要的意義。

下面首先分析了偏遠(yuǎn)山區(qū)孤網(wǎng)高電壓風(fēng)險的機(jī)理，提出適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)孤網(wǎng)運(yùn)行的N-1校核原則以及過電壓的形成機(jī)理。然后以四川某偏遠(yuǎn)山區(qū)孤立電網(wǎng)為例，研究了該系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行情況下的穩(wěn)態(tài)QV特性以及考慮發(fā)電機(jī)AVR與附加低勵限制環(huán)節(jié)特性的動態(tài)電壓特性。最后根據(jù)理論分析及仿真結(jié)果，給出了抑制偏遠(yuǎn)山區(qū)孤立電網(wǎng)過電壓風(fēng)險的可行措施。

1 偏遠(yuǎn)山區(qū)孤網(wǎng)的高電壓風(fēng)險分析

1.1 N-1故障后的工頻過電壓問題

偏遠(yuǎn)山區(qū)孤網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)系薄弱，備用不足，按照傳統(tǒng)的N-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核很難滿足要求。這些孤網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生N-1故障后丟失負(fù)荷甚至垮網(wǎng)都難以避免。在這種情況下，應(yīng)該退而求其次，針對N-1故障后可能導(dǎo)致的設(shè)備因過電壓損壞的情況進(jìn)行重點(diǎn)防范，以確保孤網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生故障以后能夠短期內(nèi)恢復(fù)供電，減少停電損失。

偏遠(yuǎn)山區(qū)線路輸電距離較長，充電無功大，因此在負(fù)荷輕的時候往往需要投入低壓電抗器以應(yīng)對系統(tǒng)的無功過剩，防止系統(tǒng)工頻過電壓以及發(fā)電機(jī)超出進(jìn)相能力運(yùn)行。

1.2 AVR作用

AVR的調(diào)節(jié)控制見圖1。在孤網(wǎng)高峰負(fù)荷下，若發(fā)生B站電網(wǎng)下網(wǎng)的110 kV線路N-1的故障，系統(tǒng)當(dāng)中同時出現(xiàn)有功過剩和無功過剩的情況。此時由于文獻(xiàn)[3]中的分析，高頻對高壓有一定促進(jìn)作用，會造成過電壓水平高于單純的無功過剩導(dǎo)致的過電壓。并且，由于該過程中過電壓和頻率產(chǎn)生聯(lián)系，使得過電壓和發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)過程耦合，增加了分析的復(fù)雜度。

圖1 11型AVR控制框圖

1.3 低勵限制環(huán)節(jié)不能起到正確的作用

低勵限制的基本邏輯是通過抬升電壓，達(dá)到減少機(jī)組進(jìn)相無功的目的。由于無功總是從電壓高處向電壓低處流動，不同支路的無功分配又取決于電壓差和支路電抗。因此在大電網(wǎng)中，抬升機(jī)端電壓會使得發(fā)電機(jī)機(jī)端和系統(tǒng)的電壓差減小，無功潮流重新分配，流入發(fā)電機(jī)的感性無功減少，從而降低發(fā)電機(jī)的進(jìn)相。但是在所研究的電網(wǎng)當(dāng)中(如圖2所示)，A電廠機(jī)組的容量比其余小水電機(jī)組的容量大很多，即使抬升A電廠機(jī)組的機(jī)端電壓，對改變無功潮流的作用也有限，反而使得系統(tǒng)電壓水平上升，充電無功增大，進(jìn)一步增加了A電廠機(jī)組的進(jìn)相水平。因此，A電廠機(jī)組的低勵限制不僅不會降低機(jī)組的進(jìn)相，反而會使進(jìn)相持續(xù)增加，直到AVR的某個限幅環(huán)節(jié)起作用為止(低勵輸出限幅或Efd限幅)。進(jìn)一步可以推知，在單個電廠占主導(dǎo)的孤網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，由于無功電壓特性和聯(lián)網(wǎng)方式有較大區(qū)別，機(jī)組的低勵限制環(huán)節(jié)是沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用的。

圖2 某偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 孤網(wǎng)無功電壓特性分析

算例電網(wǎng)(見圖2)較長時間的孤網(wǎng)運(yùn)行，需考慮N-1風(fēng)險。由于該電網(wǎng)內(nèi)聯(lián)絡(luò)線路長、充電無功較大，工頻過電壓問題將成為影響該電網(wǎng)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。因此，合理設(shè)置孤網(wǎng)的運(yùn)行點(diǎn)，包括機(jī)組的機(jī)端電壓和投退的低抗數(shù)量，才能使得該孤網(wǎng)的電壓運(yùn)行在安全范圍內(nèi)。

2.1 算例電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該偏遠(yuǎn)山區(qū)孤網(wǎng)由A電廠經(jīng)220 kV雙回交流線連接到220 kV變電站B，再經(jīng)110 kV雙回線連接至110 kV變電站G。整個孤網(wǎng)呈樹形結(jié)構(gòu)，在變電站G下有少數(shù)35 kV上網(wǎng)的小水電，但小水電容量和電廠A相比顯著較小，這些機(jī)組的進(jìn)相能力對抑制主網(wǎng)架的過電壓幾乎沒有幫助。因此，在考慮過電壓的問題時，該地區(qū)電網(wǎng)可以近似看做一個單機(jī)系統(tǒng)。

2.2 小方式下的電壓特性

A電廠開一臺機(jī)組，B-C線路投運(yùn)，小水電全部退出。A電廠機(jī)組機(jī)端電壓設(shè)定為最低值9.975 kV。該方式下，A電廠機(jī)組由于容量較大，進(jìn)相能力足夠，因此無需退出B-C線路。調(diào)節(jié)此電網(wǎng)電壓的手段主要有投切B變電站35 kV低壓電抗器(每組6 Mvar)，以及調(diào)節(jié)A電廠機(jī)端電壓。下面研究這兩種調(diào)節(jié)手段的效果。

投切低壓電抗器對A電廠機(jī)組進(jìn)相以及重要節(jié)點(diǎn)電壓的影響如表1所示。投入低壓電抗器的情況下，系統(tǒng)中的無功消耗增加，因此需要A電廠進(jìn)相減少以平衡無功。同時無功富余也導(dǎo)致了系統(tǒng)的電壓下降。

考慮B變電站投入兩組低壓電抗器情況下，A電廠機(jī)組的機(jī)端電壓對孤網(wǎng)中重要母線及A電廠機(jī)組進(jìn)相的影響如表2所示。

可以看出，抬高A電廠的機(jī)端電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓也隨之升高。由于系統(tǒng)呈容性，電壓升高導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中無功產(chǎn)生增加。由于孤網(wǎng)系統(tǒng)中其余發(fā)電機(jī)容量遠(yuǎn)小于A電廠發(fā)電機(jī)容量，其最終結(jié)果是多產(chǎn)生的無功幾乎都流向了A電廠的機(jī)組，增加了A電廠機(jī)組的進(jìn)相水平。

可見，對于所研究的這種以單臺發(fā)電機(jī)進(jìn)相為主的系統(tǒng)，調(diào)高機(jī)端電壓反而加重了發(fā)電機(jī)進(jìn)相水平。這和大電網(wǎng)中的無功電壓特性有區(qū)別。

表1 低壓電抗器投切對重要母線電壓及機(jī)組進(jìn)相的影響

表2 機(jī)組機(jī)端電壓對重要母線電壓及機(jī)組進(jìn)相的影響

2.3 孤網(wǎng)運(yùn)行下AVR和低勵限制動態(tài)特性分析

根據(jù)1.2節(jié)的發(fā)電機(jī)低勵限制模型，搭建電磁暫態(tài)仿真模型，并進(jìn)行B變電站35 kV母線故障切低壓電抗器的仿真。分成有低勵限制環(huán)節(jié)和無低勵限制環(huán)節(jié)兩種情況對切除低壓電抗器后的暫態(tài)過電壓進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 機(jī)組低勵限制對孤網(wǎng)過電壓的影響

低壓電抗器切除后損失無功負(fù)荷18 Mvar，系統(tǒng)無功富余較多，A電廠發(fā)電機(jī)超出最大進(jìn)相深度運(yùn)行，觸發(fā)低勵限制環(huán)節(jié)動作。如圖3所示，低勵限制環(huán)節(jié)動作后，勵磁電壓Ef抬升導(dǎo)致機(jī)端電壓抬升。由于外部電網(wǎng)呈容性，反而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度增加。

因此，可以看出在孤網(wǎng)運(yùn)行時，如果退出機(jī)組的低勵限制環(huán)節(jié)，反而可以使得系統(tǒng)獲得更好的動態(tài)特性，防止過電壓損壞設(shè)備。

3 抑制高電壓風(fēng)險的技術(shù)措施

針對上節(jié)所分析的偏遠(yuǎn)地區(qū)孤網(wǎng)電壓特性，綜合考慮已有條件，針對該孤立電網(wǎng)，可行的過電壓抑制方法如下：

1)合理安排運(yùn)行方式

選擇充電無功少的路徑為全網(wǎng)供電，減小孤網(wǎng)中長線路的充電無功，使得投入的低壓電抗器也相應(yīng)減小。此時，在N-1損失低壓電抗器后，系統(tǒng)富余的無功總量就會減小，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險。

2)低勵限制退出運(yùn)行

由前面理論分析和仿真分析可知，低勵限制在某些孤網(wǎng)中不但不會降低發(fā)電機(jī)進(jìn)相水平，反而還會加深進(jìn)相水平，且?guī)硐到y(tǒng)的過電壓問題。因此，退出低勵限制可以使得發(fā)電機(jī)在孤網(wǎng)運(yùn)行時獲得更好的控制性能和安全性。

3)緊急控制措施

條件允許情況下，考慮35 kV母線故障后的長線路解列措施，可以在發(fā)生N-1后降低充電無功，將系統(tǒng)電壓維持在安全的水平。

4 結(jié) 論

前面提出適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)長期運(yùn)行的N-1準(zhǔn)則，即發(fā)生N-1故障后的設(shè)備安全準(zhǔn)則。對于這類有功備用充足的系統(tǒng)，其長期孤網(wǎng)運(yùn)行最大風(fēng)險在于N-1故障后的過電壓問題。在穩(wěn)態(tài)特性上，偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)的QV特性與大電網(wǎng)有明顯區(qū)別，抬升機(jī)端電壓會導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)相水平加深；在動態(tài)特性上，低勵限制的投入對過電壓和機(jī)組進(jìn)相均起到惡化的作用。為了有效應(yīng)對該電網(wǎng)的過電壓風(fēng)險，可以采取合理安排運(yùn)行方式、退出低勵限制以及緊急解列等措施。

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