湖南電網(wǎng)低谷方式下調(diào)相機進相運行影響分析

張?zhí)├冢?石輝， 王玎

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司， 湖南 長沙410014；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007)

0 引言

湖南電網(wǎng)低谷小負荷時段, 特別是汛期、 春節(jié)等期間, 主網(wǎng)運行電壓偏高, 局部地區(qū)存在電壓越上限情況。 豐水期負荷水平較低時, 在株洲南部、邵陽南部、 永州南部、 懷化西部等風電和小水電上網(wǎng)較多區(qū)域, 由于并聯(lián)補償電抗器容量不足, 部分站點電壓偏高, 越上限情況時有發(fā)生。 春節(jié)小負荷運行方式下, 負荷中心部分站點電壓偏高, 特別是低谷時段, 長沙市區(qū)和寧鄉(xiāng)電壓偏高, 電壓調(diào)整手段有限。

由于湖南電網(wǎng)感性無功補償設備整體配置不足, 小機組無功調(diào)節(jié)資源沒有得到充分發(fā)掘和利用, AVC (自動電壓無功控制) 系統(tǒng)網(wǎng)省、 省地、廠站、 各電壓等級的無功電壓協(xié)調(diào)優(yōu)化控制能力不強, 在低谷小負荷方式下, 即便補償電抗器全部投入、 機組按最大進相深度運行、 調(diào)整運行方式、 開出水電機組空載調(diào)壓后, 500 / 220 kV 層面母線電壓仍然偏高甚至越限。 尤其在水電、 風電大發(fā)等時段, 低谷調(diào)峰已經(jīng)十分困難, 清潔能源無法保證全額消納, 被迫臨時開出水電機組調(diào)壓將加大棄電風險和比例。

祁韶直流一般不參與電網(wǎng)調(diào)峰是湖南電網(wǎng)低谷調(diào)峰困難的另一個因素。 此外, 祁韶直流安全穩(wěn)定運行與湘中及負荷中心火電機組開機方式、 旋轉(zhuǎn)備用容量與全省負荷水平、 祁韶直流送湘功率、 主網(wǎng)運行方式息息相關, 需時刻相應調(diào)整。 大量火電機組常年掛網(wǎng)運行并長期留有旋轉(zhuǎn)備用, 制約了火電機組開機方式、 檢修安排, 降低了負荷利用率[1-2]。

為解決湖南電網(wǎng)無功支撐不足、 電壓穩(wěn)定水平低等問題, ± 800 kV 韶山換流站投運了2 臺300 Mvar調(diào)相機, 是國內(nèi)首套用于特高壓受端換流站的調(diào)相機組[3]。 目前暫未接入全省AVC 系統(tǒng),由站內(nèi)值班人員手動控制, 輸出無功基本維持在0 Mvar, 一般不超過± 50 Mvar, 留有一定無功儲備。 若能對調(diào)相機進行精細調(diào)整, 充分發(fā)揮調(diào)相機容量大、 響應速度快等特點, 研究調(diào)相機參與地區(qū)電壓控制、 優(yōu)化火電開機方式、 釋放機組旋轉(zhuǎn)備用容量的無功策略和運行方式, 對于提升電網(wǎng)安全性與經(jīng)濟性、 提高開機方式的靈活性、 緩沖低谷調(diào)峰調(diào)壓矛盾、 減少“三棄” 等都具有實際意義[4-12]。

1 計算條件

2019 年湖南電網(wǎng)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 選取低谷小負荷運行方式, 計算數(shù)據(jù)由國家電力調(diào)度控制中心( 簡稱國調(diào)) 統(tǒng)一下發(fā)。 全省計算負荷10 600 MW, 祁韶直流送電1 400 MW、 鄂湘聯(lián)絡線送電239 MW, 負荷中心火電開機10 臺并預留1 692 MW旋轉(zhuǎn)備用容量, 韶山換流站1 臺調(diào)相機并網(wǎng)運行, 其初始無功功率0 Mvar, 全省火電機組合計預留1 690 MW 旋轉(zhuǎn)備用容量。

圖1 湖南電網(wǎng)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

韶山換流站300 Mvar 額定容量的同步調(diào)相機采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng), 仿真模型參數(shù)參考中國電力科學研究院推薦的典型值, 最大進相深度為-150 Mvar[13]。

2 調(diào)相機靜態(tài)調(diào)壓效果

目前韶山換流站調(diào)相機正常運行控制在±50 Mvar范圍內(nèi), 極少參與地區(qū)電壓控制, 而湘中地區(qū)在負荷低谷時段多發(fā)電壓偏高問題。 按照無功補償分層分區(qū)和就地平衡原則, 考慮調(diào)相機參與近區(qū)電壓控制, 可以緩解湖南電網(wǎng)低谷小負荷方式下局部電壓偏高問題, 特別是湘中地區(qū)電壓越限情況。 取2019 年湖南電網(wǎng)低谷小負荷方式, 計算韶山換流站1 臺調(diào)相機在不同無功運行工況下的近區(qū)500 / 220 kV母線電壓結(jié)果見表1、 表2。

表1 不同進相條件下的500 kV 母線電壓 kV

表2 不同進相條件下的220 kV 母線電壓 kV

在低谷小負荷方式下, 韶山換流站1 臺調(diào)相機進相運行50 Mvar 時, 近區(qū)500 kV 母線電壓降低1～2 kV, 220 kV 母線電壓基本不變； 1 臺調(diào)相機進相運行100 Mvar 時, 近區(qū)500 kV 母線電壓降低2～3 kV, 220 kV 母線電壓降低約1 kV； 1 臺調(diào)相機進相運行150 Mvar 時, 近區(qū)500 kV 母線電壓降低4～5 kV, 220 kV 母線電壓降低約2 kV。

由此可見, 低谷小負荷方式下, 韶山換流站1臺調(diào)相機進相運行時, 對湘中地區(qū)500 kV 云田、星城、 古亭、 鶴嶺等電壓調(diào)整效果較好, 但對近區(qū)220 kV母線電壓的調(diào)整效果不明顯。 調(diào)相機參與地區(qū)電壓控制時, 只能用于500 kV 層面調(diào)壓, 對220 kV層面調(diào)壓基本沒有效果。

3 調(diào)相機暫態(tài)調(diào)壓效果

湖南電網(wǎng)負荷與電源逆向分布, 主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱, 電壓不穩(wěn)定問題突出。 500 kV 鶴嶺、 沙坪變電站近區(qū)發(fā)生三相故障時, 負荷中心電壓跌落后不能恢復, 存在電壓不穩(wěn)定問題。 祁韶直流大功率饋入后, 若在電網(wǎng)交流側(cè)發(fā)生大擾動、 換相失敗等故障, 逆變器會持續(xù)從交流系統(tǒng)吸收大量無功功率,進一步惡化受端電網(wǎng)動態(tài)無功平衡, 加劇了電壓不穩(wěn)定問題[14～16]。 基于此, 研究低谷小負荷方式下調(diào)相機進相運行時, 負荷中心500 kV 線路三永N-1 故障、 祁韶直流雙極閉鎖故障后系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性至關重要。

3.1 負荷中心500 kV 線路三永N-1 故障

湖南電網(wǎng)低谷小負荷方式, 主要面臨靜態(tài)電壓過高問題, 調(diào)相機進相運行能抑制電壓偏高, 同時也可能影響近區(qū)嚴重故障下的暫態(tài)電壓支撐能力。為此, 對比調(diào)相機在不同初始方式下, 500 kV 韶鶴線鶴嶺側(cè)N-1 三永故障時近區(qū)暫態(tài)電壓變化, 如圖2 所示(以淮川變220 kV 母線電壓為例)。

圖2 500 kV 韶鶴線N-1 三永故障時淮川站母線電壓響應特性

由圖2 可見, 電網(wǎng)小負荷方式下, 調(diào)相機加大進相運行深度后, 系統(tǒng)應對故障時的暫態(tài)電壓恢復時間縮短, 電壓穩(wěn)定特性有所改善。

3.2 祁韶直流雙極閉鎖故障

湖南電網(wǎng)低谷小負荷方式, 祁韶直流雙極閉鎖后, 韶山換流站濾波和無功補償裝置不能立即切除, 導致系統(tǒng)峰值電壓過高。 若調(diào)相機初始方式加大進相深度、 拉低近區(qū)系統(tǒng)電壓水平, 可降低故障后系統(tǒng)電壓峰值, 緩解甚至避免電壓過高問題。

與此同時, 為考察調(diào)相機加大進相深度對故障后近區(qū)動態(tài)電壓支撐的影響, 對比了調(diào)相機在不同初始方式下, 祁韶直流雙極閉鎖后近區(qū)動態(tài)電壓響應情況, 如圖3 所示。 可見, 在不同進相深度下,故障對韶山換流站近區(qū)500 kV、 220 kV 母線動態(tài)電壓的影響幾乎一致, 調(diào)相機加大進相深度不會惡化故障時對動態(tài)電壓的支撐能力。

圖3 不同進相深度下近區(qū)動態(tài)電壓響應特性對比(祁韶直流雙極閉鎖)

調(diào)相機對祁韶直流雙極閉鎖故障的動態(tài)無功響應曲線如圖4 所示。 故障后, 調(diào)相機在暫態(tài)過程中首先將持續(xù)吸收無功功率25 ～30 Mvar, 抑制系統(tǒng)電壓升高； 在換流站濾波器及無功補償裝置切除后, 系統(tǒng)電壓跌落, 調(diào)相機快速減小無功吸收量并向系統(tǒng)注入無功, 由進相變遲相運行； 最后, 無功輸出趨于穩(wěn)定, 系統(tǒng)電壓恢復。

圖4 祁韶直流雙極閉鎖下調(diào)相機動態(tài)無功功率輸出

由此可見, 在湖南低谷小負荷方式下, 調(diào)相機加大進相運行深度, 有助于抑制系統(tǒng)電壓過高, 同時保持嚴重故障下對動態(tài)電壓的支撐能力。

4 調(diào)相機與負荷中心火電關聯(lián)關系及置換后暫態(tài)特性

低谷小負荷、 祁韶直流運行方式下, 系統(tǒng)主要面臨動態(tài)無功儲備不足與基礎有功出力過剩的問題, 直觀體現(xiàn)為對負荷中心火電機組開機方式的擠壓。 前者制約祁韶直流運行及送湘功率, 后者制約清潔能源出力消納, 若能在保證系統(tǒng)動態(tài)無功儲備的同時減少負荷中心火電機組開機, 則能釋放清潔能源發(fā)電空間、 緩解矛盾。 為此, 通過加大調(diào)相機進相深度、 提升動態(tài)無功儲備的方式來置換負荷中心火電開機。 基于典型小負荷方式, 祁韶直流運行要求負荷中心火電開機10 臺, 當調(diào)相機加大進相深度、 替代長沙地區(qū)1 臺機組后, 低谷時段可安排長沙地區(qū)1 臺機組停機, 釋放約300 MW 出力,增加清潔能源消納空間, 減少窩電、 棄電, 見表3。

表3 韶山站調(diào)相機不同初始無功工況下與負荷中心火電開機和旋轉(zhuǎn)備用容量置換關系

為考察調(diào)相機加大進相深度、 置換負荷中心1臺火電機組對系統(tǒng)動態(tài)無功儲備水平的影響, 對比調(diào)相機在不同初始工況下進行火電機組置換前后的動態(tài)無功響應特性曲線, 如圖5 所示( 以淮川變母線電壓為例)。 仿真結(jié)果表明, 火電機組置換前后系統(tǒng)動態(tài)無功響應特性基本無變化, 暫態(tài)電壓恢復能力良好。

圖5 調(diào)相機無功響應曲線

5 結(jié)語

本文研究了湖南電網(wǎng)低谷小負荷方式下, 韶山換流站調(diào)相機進相運行對系統(tǒng)電壓控制、 動態(tài)電壓支撐及火電機組置換的影響, 主要結(jié)論如下:

1) 韶山站調(diào)相機進相運行時, 對湘中500 kV系統(tǒng)電壓過高的抑制效果較好, 最大下降幅度達5 kV； 對近區(qū)220 kV 系統(tǒng)電壓的抑制效果有限,電壓下降幅度1～2 kV。

2) 韶山換流站調(diào)相機進相運行時, 系統(tǒng)應對近區(qū)故障的暫態(tài)電壓恢復特性略好于調(diào)相機非進相方式； 調(diào)相機加大進相深度, 不影響對祁韶直流雙極閉鎖故障的動態(tài)電壓支撐能力。

3) 韶山換流站調(diào)相機加大進相深度, 能置換負荷中心火電開機, 同時不削弱系統(tǒng)動態(tài)無功支撐能力, 有助于負荷低谷時段清潔能源消納。