敦化抽水蓄能電站接入后電網(wǎng)穩(wěn)定特性及控制措施

劉 洋，王聰穎，高 松，季時宇，岳 涵

(1.國家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧 沈陽 110180；2.中國能源建設(shè)集團遼寧電力勘測設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110179；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林 長春 130021；4.中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021)

1 工程概況

十四五期間，新能源將快速發(fā)展，新能源發(fā)電出力的隨機性、波動性和反調(diào)峰特性增加了系統(tǒng)調(diào)峰的難度[1-2]，而抽水蓄能電站具有啟動快速、調(diào)整靈活等優(yōu)點[3-5]，可有效提高電網(wǎng)長期調(diào)峰平衡和短期功率平衡能力。敦化抽蓄電站位于吉林省敦化市北部，通過1回500 kV線路(120 km)接入吉林東變，安裝4臺單機容量350 MW的抽水蓄能機組，總裝機容量1400 MW，計劃于2022年全部投運(如圖1所示)。機組全部投運后將增加系統(tǒng)調(diào)峰能力，降低電網(wǎng)調(diào)峰缺口，顯著減少電網(wǎng)棄風(fēng)、棄光，對提高東北電網(wǎng)新能源接納能力、促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。

圖1 敦化抽蓄電站接入系統(tǒng)示意圖

敦化抽蓄電站投運前，吉林東部電網(wǎng)沒有接入500 kV電網(wǎng)的電源，500 kV平安-吉林東-包家輸電通道的主要作用為承載黑龍江東部富裕電力外送至吉林中部電網(wǎng)。敦化抽蓄電站投運后成為吉林東部電網(wǎng)重要大型電源，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上將與黑龍江東部電網(wǎng)大型電源共同構(gòu)成黑龍江吉林東部外送系統(tǒng)，共同將富裕電力外送至吉林中部電網(wǎng)。由于其接入電網(wǎng)位置的特殊性，電站接入系統(tǒng)后將會在多個方面對電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。首先，該工程增加了吉林東部電網(wǎng)的電壓控制能力，緩解了目前運行中潮流輕載時電壓偏高的問題。其次，工程投運后將引起吉林城網(wǎng)部分變電站母線三相短路電流超標(biāo)，采取實施分區(qū)解環(huán)措施后造成部分?jǐn)嗝孑旊娔芰κ軣岱€(wěn)定約束有所下降。最后，探討了敦化抽蓄電站投運對東北電網(wǎng)阻尼水平及某些故障情況下動穩(wěn)問題的影響。

本文基于2022年東北電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，采用PSASP(7.53版本)分別從靜態(tài)電壓、熱穩(wěn)定分析、小干擾分析、暫態(tài)時域仿真分析等幾個方面研究敦化抽蓄電站投運后對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響并提出改善措施。

2 提高吉林東部電網(wǎng)電壓控制能力

實際運行中，黑龍江、吉林東部電網(wǎng)地域面積較大，線路輸電距離長(多條線路長度超過150 km)，線路輕載時無功盈余常會引起電網(wǎng)電壓水平偏高且缺乏有效的電壓控制手段。敦化抽蓄電站接入后，增加了一個電網(wǎng)電壓控制點。在小負荷方式下比較敦化抽蓄電站投運前、投運后停機、滿發(fā)電、滿抽水幾種運行方式下，吉林東變與敦化抽蓄電站500 kV母線電壓水平如表1所示。

表1 發(fā)電與抽水時電壓水平 單位：kV

可以看出，敦化抽蓄電站投運后在機組停機方式下，因敦吉線空充狀態(tài)進一步加劇了地區(qū)無功盈余，造成吉林東變母線電壓升高。機組運行后，無論是發(fā)電還是抽水，系統(tǒng)電壓均能夠得到有效的控制。因此在實際運行中，尤其是節(jié)日低谷負荷期間，當(dāng)黑龍江吉林東部系統(tǒng)線路輕載時，敦化抽蓄機組可作為重要的電壓控制點，對調(diào)整吉林東部電網(wǎng)電壓水平具有重要作用。

3 熱穩(wěn)定問題及控制措施

根據(jù)文獻[6]，變壓器熱穩(wěn)定限額計算如下：

PR=PE×Ks×λ

(1)

式中：PR為變壓器熱穩(wěn)定限額；PE為變壓器額定容量；Ks為變壓器過載系數(shù)；λ為功率因數(shù)，一般取0.85～0.9。

吉林東變現(xiàn)有2臺1000 MVA主變，且運行多年，過載系數(shù)設(shè)為1。由式(1)計算得出，2臺主變熱穩(wěn)定功率限額共1800 MW。220 kV吉林東-金珠變雙回線路導(dǎo)線型號均為LGJ-2×240，雙回線輸送限額為840 MW。

為抑制地區(qū)短路電流而采取吉林城網(wǎng)分區(qū)后，部分線路輸電能力下降[7]，吉林東變至包家變輸電通道故障斷開后，敦化抽蓄發(fā)電出力和平安-吉林東斷面輸送的潮流全部通過吉林東變2臺主變流入吉林城網(wǎng)，導(dǎo)致吉林東變主變以及220 kV吉林東-金珠線路潮流加重。在夏季大負荷方式下，吉林城網(wǎng)內(nèi)開機方式較小，過載問題將更加嚴(yán)重。本文探討采取預(yù)控平吉斷面潮流、預(yù)控敦化抽蓄發(fā)電或切除敦化抽蓄機組安控措施3種方法均可有效解決該過載問題。計算結(jié)果如表2所示。

表2 吉林東-包家跨線故障后潮流表(發(fā)電工況) 單位：MW

4 動穩(wěn)問題分析及控制措施

系統(tǒng)阻尼水平受發(fā)電機參數(shù)、聯(lián)絡(luò)線阻抗、輸送潮流等多個因素影響[8]。一般情況下系統(tǒng)聯(lián)系阻抗越大(線路越長)、輸送潮流越多，系統(tǒng)阻尼轉(zhuǎn)矩越低。

系統(tǒng)阻尼水平也與發(fā)電機快速勵磁密切相關(guān)，快速勵磁的使用有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，但如果勵磁參數(shù)不適配則會引起系統(tǒng)阻尼降低。以前，黑龍江東部、呼倫貝爾、赤峰電網(wǎng)均為大火電機基地，大量富裕電力通過長距離輸電線路連接至東北電網(wǎng)主網(wǎng)，為防止長距離大功率外送的暫態(tài)功角穩(wěn)定問題，火電機組勵磁參數(shù)放大倍數(shù)通常設(shè)置較高。但隨著近年來大量電網(wǎng)工程投運，以上外送系統(tǒng)與主網(wǎng)電氣聯(lián)系不斷加強，為防止暫態(tài)問題而設(shè)置的勵磁參數(shù)適配性有所下降，逐漸降低了系統(tǒng)阻尼水平。

4.1 小干擾分析

敦化抽蓄電站投運前，東北電網(wǎng)主要振蕩模式為遼寧、赤峰等南部電源對黑龍江、吉林、呼倫貝爾北部電源的振蕩模式，如圖2所示。

圖2 區(qū)域主要振蕩模式模態(tài)圖

敦化抽蓄投運后，雖然不會改變目前的主要振蕩模式，但會對該模式下的阻尼產(chǎn)生影響，本文在不考慮新能源發(fā)電的前提下主要從發(fā)電機參數(shù)和線路輸送潮流兩方面探討敦化抽蓄電站機組的影響。

a.發(fā)電機參數(shù)的影響

抽蓄機組慣性時間常數(shù)、勵磁參數(shù)等與火電機組不同[9]，抽蓄電站發(fā)電時黑龍江吉林東部火電、水電打捆外送，較純火電方式下阻尼比有所提升。但抽水時，在保持相同外送潮流情況下，斷面內(nèi)火電機組發(fā)電開機進一步增大，加劇了勵磁參數(shù)不適配的問題，從而降低電網(wǎng)阻尼水平。

在保持黑龍江吉林東部外送斷面潮流相同情況下，敦化抽蓄機組不同運行工況時電網(wǎng)小干擾分析結(jié)果如表3所示。

表3 敦化抽蓄機組不同運行方式小干擾分析結(jié)果(保持黑龍江吉林東部外送潮流相同)

b.輸送潮流的影響

在黑龍江吉林東部外送系統(tǒng)內(nèi)火電機組開機方式相同情況下，敦化抽蓄電站滿發(fā)加重了斷面外送潮流，降低系統(tǒng)阻尼水平，敦化抽蓄機組不同運行工況時電網(wǎng)小干擾分析結(jié)果如表4所示。

表4 敦化抽蓄機組不同運行方式小干擾分析結(jié)果(保持黑龍江吉林東部火電開機方式相同)

由以上分析可以得出，敦化抽蓄投運后系統(tǒng)阻尼變化主要受發(fā)電機參數(shù)及外送潮流兩方面共同作用。在保持黑龍江吉林東部外送斷面輸送潮流相同時，敦化抽蓄抽水將會加重地區(qū)火電機組勵磁參數(shù)不適配的問題引發(fā)系統(tǒng)阻尼水平下降。在保持火電機組開機方式相同時，敦化抽蓄機組發(fā)電將增大外送潮流，引發(fā)系統(tǒng)阻尼水平下降。

4.2 大干擾時域仿真分析

敦化抽蓄電站投運前后，在黑龍江吉林東部系統(tǒng)內(nèi)，平吉雙回線跨線故障、林平線故障、方永甲乙線跨線故障后均存在動穩(wěn)問題。以平吉斷面跨線故障為例，在保持平吉斷面輸送潮流相同情況下，改變敦化抽蓄運行工況，某發(fā)電機相對功角曲線如圖3所示。

圖3 平吉跨線故障后發(fā)電機相對功角曲線

對該功角曲線進行Prony分析，結(jié)果如表5所示。

表5 Prony分析結(jié)果

敦化抽蓄滿發(fā)時如果保持平吉斷面功率相同則需要增加黑龍江東部電源開機方式，系統(tǒng)阻尼比降低為1.1%，不滿足1.5%的運行要求，將該斷面潮流下降100 MW后阻尼比達到運行要求，由此看出，敦化抽蓄滿發(fā)電時將惡化平吉跨線故障后的動穩(wěn)問題。

本文探討從優(yōu)化黑龍江吉林東部機組PSS參數(shù)、調(diào)整黑龍江吉林東部機組有功、無功等運行控制措施以及新建外送通道3種方式提高動穩(wěn)水平。

a.優(yōu)化機組PSS參數(shù)

近年來工程實踐表明通過優(yōu)化相關(guān)機組PSS參數(shù)，可增大阻尼力矩提升阻尼水平。圖4為調(diào)整黑龍江、吉林東部機組PSS增益前后的功角曲線對比，阻尼比由1.1%提升至2.2%。

圖4 優(yōu)化PSS功角曲線對比圖

b.調(diào)整運行方式

在實際運行中，可通過調(diào)整發(fā)電機有功出力、降低機組功率因數(shù)、提高電網(wǎng)電壓水平等措施抑制故障后的動穩(wěn)問題。圖5為調(diào)整黑龍江吉林東部系統(tǒng)內(nèi)火電機組出力及功率因數(shù)后的功角曲線對比，阻尼比由1.1%提升至4.4%。

圖5 采取預(yù)控旋備和電壓措施功角曲線對比

c.新建外送通道

動穩(wěn)問題與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線阻抗大小密切相關(guān)，一般聯(lián)絡(luò)線阻抗越大，系統(tǒng)阻尼水平越低，因此長鏈?zhǔn)?、弱?lián)系的電網(wǎng)動穩(wěn)問題更嚴(yán)重[10]。

黑龍江吉林東部系統(tǒng)外送潮流主要方向為向西輸送至吉林中部電網(wǎng)，若新建1條南送(平安-通化)500 kV線路，能顯著提高系統(tǒng)阻尼水平，抑制動穩(wěn)問題。系統(tǒng)接線如圖6所示，功角曲線如圖7所示。

圖6 新建平安-通化線路示意圖

圖7 新建外送通道功角曲線對比

5 結(jié)論

敦化抽蓄電站因其接入系統(tǒng)位置的特殊性，投運后存在熱穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定等問題，本文通過仿真分析得出如下結(jié)論。

a.敦化抽蓄電站投運后作為吉林東部電網(wǎng)的重要電源對控制地區(qū)電網(wǎng)電壓水平將起到積極作用。

b.吉林東-包家輸電通道斷開后吉林城網(wǎng)主變及線路過載的熱穩(wěn)定問題制約了敦化抽蓄發(fā)電、抽水功率以及平吉斷面輸電能力，同時也成為制約黑龍江吉林東部外送系統(tǒng)外送能力的重要因素，采取安控切敦化抽蓄機組措施后可滿足正常方式下電站滿發(fā)電與滿抽水的需求，提高電網(wǎng)輸電能力。

c.敦化抽蓄電站接入后對目前東北電網(wǎng)主要振蕩模式下的阻尼水平產(chǎn)生了一定影響。滿發(fā)電狀態(tài)惡化了平吉斷面跨線故障后的動穩(wěn)問題，進而制約了平吉斷面的輸電能力。本文給出了3種解決方式:①優(yōu)化黑龍江吉林東部機組PSS參數(shù)；②調(diào)整地區(qū)機組有功、無功等運行控制措施；③新建外送通道。