永州電廠2×1 000 MW機(jī)組接入系統(tǒng)對(duì)湖南電網(wǎng)穩(wěn)定影響研究

胡果莉，柳永妍，咼虎

(1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

十三五期間，湖南省用電負(fù)荷快速增長(zhǎng)，但常規(guī)火電、水電等裝機(jī)容量增長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致當(dāng)前湖南電網(wǎng)供電緊張。永州電廠2×1 000 MW火電機(jī)組計(jì)劃于2021年投運(yùn)，將提高湖南電網(wǎng)的供電能力。但大容量火電機(jī)組接入系統(tǒng)，電廠近區(qū)普遍存在潮流疏散困難，同時(shí)相關(guān)站點(diǎn)短路電流超標(biāo)等問題嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行安全[1－3]。尤其是百萬容量機(jī)組接入系統(tǒng)，上述問題更為突出[4]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)大容量機(jī)組接入系統(tǒng)存在的安全穩(wěn)定問題及對(duì)策進(jìn)行了較多研究。文獻(xiàn)[5]分析了百萬機(jī)組接入220 kV系統(tǒng)后對(duì)電網(wǎng)分區(qū)供電能力、短路電流及接入點(diǎn)電壓波動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[6]從穩(wěn)態(tài)潮流、暫態(tài)穩(wěn)定等方面對(duì)電廠臨時(shí)接入500 kV系統(tǒng)展開計(jì)算分析。文獻(xiàn)[7]通過優(yōu)化電廠運(yùn)行方式提高電廠送出能力。文獻(xiàn)[8]通過對(duì)電廠近區(qū)小截面導(dǎo)線進(jìn)行增容改造來緩解電廠近區(qū)潮流疏散困難問題。

本文依據(jù)文獻(xiàn)[9]—[12]等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，從靜態(tài)安全、暫態(tài)穩(wěn)定、短路電流三個(gè)方面，開展永州電廠接入系統(tǒng)存在的安全穩(wěn)定問題分析，提出相應(yīng)穩(wěn)定控制措施及建議，以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升永州電廠送出能力。

1 永州電廠接入系統(tǒng)方案

永州電廠1號(hào)機(jī)通過220 kV永州電廠—老山界線(永老線)、永州電廠—谷源線(永谷線)、永州電廠—宗元Ⅰ線(永宗I線)接入系統(tǒng)220 kV電網(wǎng)；永州電廠2號(hào)機(jī)通過500 kV永州電廠—宗元Ⅱ線(永宗Ⅱ線)接入系統(tǒng)500 kV電網(wǎng)。永州電廠接入系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 永州電廠接入系統(tǒng)

2 潮流疏散問題及控制措施研究

2.1 計(jì)算條件

永州電廠接入水電、風(fēng)電較為富集的地區(qū)，在豐水期，小水電、風(fēng)電大發(fā)，近區(qū)潮流疏散困難。采用豐水期平負(fù)荷、豐水期大負(fù)荷、枯水期大負(fù)荷三種典型方式開展潮流分析[13]。豐水期平負(fù)荷方式是指汛期4—5月份水電大發(fā)，電網(wǎng)日最大負(fù)荷的平均水平；豐水期大負(fù)荷方式是指夏季電網(wǎng)最大負(fù)荷；枯水期大負(fù)荷方式是指冬季電網(wǎng)最大負(fù)荷。永州電廠接入電網(wǎng)安全穩(wěn)定校核計(jì)算采用湖南電網(wǎng)2021年運(yùn)行方式，三種典型方式下的計(jì)算 負(fù)荷水平見表1。

表1 2021年湖南全省計(jì)算負(fù)荷數(shù)據(jù)(不含廠用電負(fù)荷和網(wǎng)損) MW

2.2 靜態(tài)安全分析

2.2.1 豐水期平負(fù)荷方式

2021年豐水期平負(fù)荷方式，宗元近區(qū)220 kV變電站上網(wǎng)功率340 MW。永州電廠兩臺(tái)機(jī)組全開滿發(fā)，永老線輸送功率171 MW，永谷線輸送功率433 MW，永宗I線輸送功率392 MW。永州電廠近區(qū)靜態(tài)安全校核N－1、N－2分別見表2和表3。

表2 豐水期平負(fù)荷方式永州電廠近區(qū)220kV線路N-1靜態(tài)安全校核 MW

表3 豐水期平負(fù)荷方式永州電廠近區(qū)220 k V線路N-2靜態(tài)安全校核 MW

由表2可見，永宗Ⅰ線N－1，永谷線潮流710 MW；宗浯Ⅲ線N－1，宗浯Ⅰ線潮流349 MW；勾浯Ⅱ線N－1，勾浯Ⅰ線潮流－421 MW，不滿足N－1靜態(tài)安全校核。需對(duì)永谷－永宗Ⅰ線斷面、宗浯斷面、勾浯斷面進(jìn)行功率預(yù)控。

由表3可知，共桿架設(shè)的永谷、永宗線N－2，永老線潮流995 MW，谷老線潮流－595 MW，均超過相應(yīng)線路熱穩(wěn)極限。建議永老＋永谷＋永宗Ⅰ斷面功率超過一定值時(shí)，永谷、永宗線N－2，采取切除永州電廠1號(hào)機(jī)的穩(wěn)控措施，以保證永老線、谷老線均不過載。

綜上，在豐水期平負(fù)荷方式下，220 kV層面，受限于宗浯Ⅰ線、勾浯Ⅰ線、船勾Ⅰ線熱穩(wěn)極限，永州電廠近區(qū)外送斷面受限。

上述方式下，500 kV長(zhǎng)宗線輸送功率－574 MW，紫宗Ⅰ、Ⅱ線路輸送功率－313～323 MW，艷宗Ⅱ線路輸送功率380 MW，牌長(zhǎng)雙回線潮流861＋888 MW，長(zhǎng)民線送民豐潮流1543 MW。長(zhǎng)民線輸送功率超過其穩(wěn)定控制限額800 MW。500 kV層面，懷化、湘西地區(qū)機(jī)組出力主要通過牌樓—長(zhǎng)陽鋪雙回線、艷山紅—宗元—長(zhǎng)陽鋪通道匯集至長(zhǎng)陽鋪，永州電廠機(jī)組和湘南地區(qū)(衡陽、郴州、永州地區(qū))其他機(jī)組的部分出力通過宗元—長(zhǎng)陽鋪匯集至長(zhǎng)陽鋪，導(dǎo)致長(zhǎng)陽鋪—民豐線潮流重過載。因此在豐水期平負(fù)荷方式下，永州電廠出力將受長(zhǎng)民線送民豐輸送能力的制約。

2.2.2 豐水期大負(fù)荷方式

2021年豐水期大負(fù)荷方式，永州電廠機(jī)組全開滿發(fā)，永老線輸送功率235 MW，永谷線輸送功率437 MW，永宗Ⅰ線輸送功率324 MW，宗浯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ線輸送功率175＋220＋282 MW，勾浯Ⅰ、Ⅱ線輸送功率－161～212 MW。永州電廠近區(qū)靜態(tài)安全校核N－1見表4。

表4 豐水期大負(fù)荷方式永州電廠近區(qū)220 k V線路N-1靜態(tài)安全校核 MW

由表4可見，宗吾Ⅲ線N－1，宗吾Ⅰ線潮流273 MW；勾吾Ⅱ線N－1，勾吾Ⅰ線潮流－283 MW，不滿足N－1靜態(tài)安全校核，需對(duì)相應(yīng)斷面進(jìn)行功率預(yù)控。另外，永谷、永宗線N－2，永老線、谷老線均過載，采取切除永州電廠1號(hào)機(jī)的穩(wěn)控措施，可解決上述N－2熱穩(wěn)問題。

2.2.3 枯水期大負(fù)荷方式

2021年枯水期大負(fù)荷方式，永州電廠近區(qū)110 kV及以下小水電出力小，永州電廠出力可就地消納，無N－1靜態(tài)安全問題。

為了解決永州電廠外送斷面受限問題，提高湖南電網(wǎng)供電能力，建議對(duì)宗浯、勾浯斷面加強(qiáng)或增加500 kV宗元—船山輸電通道。

3 機(jī)組暫態(tài)電壓支撐能力研究

3.1 湘南地區(qū)電壓穩(wěn)定分析

湘南地區(qū)220 kV及以上并網(wǎng)的耒陽、東江電廠機(jī)組需保持一定開機(jī)方式(最小開機(jī)臺(tái)數(shù)要求)，才可保持湘南電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定[14－15]。否則，500 kV鼎功變或鶴嶺變出口處三永故障N－1，湘南地區(qū)變電站母線電壓不能恢復(fù)至0.8 p.u.以上，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致湖南電網(wǎng)電壓崩潰。本節(jié)從機(jī)組對(duì)湘南地區(qū)暫態(tài)電壓支撐能力的角度，分析永州電廠機(jī)組與東江、耒陽電廠的替代關(guān)系。

2021年豐水期平負(fù)荷方式，永州電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組全停。在上述方式基礎(chǔ)上，分別將永州電廠1號(hào)或2號(hào)機(jī)組與耒陽、東江電廠一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行替換，暫穩(wěn)曲線如圖2—4所示。

由圖2、圖3可見，永州電廠1號(hào)替代耒陽、東江任意一臺(tái)機(jī)組時(shí)，湘南地區(qū)水灣站電壓恢復(fù)特性好于基礎(chǔ)方式，永州電廠1號(hào)可替代耒陽、東江電廠任意一臺(tái)機(jī)組。

圖2 永州1號(hào)機(jī)替換東江1號(hào)機(jī)湘南電壓恢復(fù)曲線

圖3 永州1號(hào)機(jī)替換耒陽1號(hào)機(jī)湘南電壓恢復(fù)曲線

由圖4可見，在平負(fù)荷方式下，永州電廠2號(hào)機(jī)替代東江一臺(tái)機(jī)組時(shí)，湘南地區(qū)電壓恢復(fù)特性差于基礎(chǔ)方式，永州電廠2號(hào)不可替代東江電廠機(jī)組。

圖4 永州2號(hào)機(jī)替換東江1號(hào)機(jī)湘南電壓恢復(fù)曲線

綜上分析可知，永州1號(hào)機(jī)可納入湘南地區(qū)最小開機(jī)范圍。

3.2 負(fù)荷中心電壓穩(wěn)定分析

祁韶直流大功率送電時(shí)，湖南電網(wǎng)負(fù)荷中心火電機(jī)組需保持一定開機(jī)臺(tái)數(shù)(長(zhǎng)沙、株洲、湘潭地區(qū)，衡陽、郴州、永州地區(qū)，岳陽地區(qū)，益陽及婁底、邵陽地區(qū)220 kV并網(wǎng)火電機(jī)組的最小開機(jī)臺(tái)數(shù)要求)，才可保持負(fù)荷中心地區(qū)暫態(tài)電壓穩(wěn)定[14－15]。否則500 kV鼎功變電站或鶴嶺變電站出口處三永故障N－1，負(fù)荷中心變電站母線電壓不能恢復(fù)至0.8 p.u.以上，嚴(yán)重情況還將導(dǎo)致湖南電網(wǎng)電壓崩潰，豐水期平負(fù)荷方式尤為突出。從機(jī)組對(duì)負(fù)荷中心地區(qū)暫態(tài)電壓支撐能力的角度，分析永州電廠機(jī)組與負(fù)荷中心火電機(jī)組(比如耒陽電廠機(jī)組、寶慶電廠機(jī)組)的替代關(guān)系。

在豐水期平負(fù)荷方式下，祁韶直流3 000 MW，永州電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組全停。在上述方式下，永州1號(hào)機(jī)組替代耒陽1號(hào)機(jī)組的暫態(tài)電壓恢復(fù)曲線如圖5所示，負(fù)荷中心黎托站電壓恢復(fù)特性好于基礎(chǔ)方式，由此可見，在豐水期平負(fù)荷方式下，永州1號(hào)機(jī)可替代負(fù)荷中心的耒陽1號(hào)機(jī)。永州2號(hào)機(jī)組替代寶慶1號(hào)機(jī)的暫態(tài)電壓恢復(fù)曲線如圖6所示，負(fù)荷中心黎托站電壓恢復(fù)特性好于基礎(chǔ)方式，由此可見，在豐水期平負(fù)荷方式下，永州2號(hào)機(jī)可替代負(fù)荷中心的寶慶1號(hào)機(jī)。

圖5 永州1號(hào)機(jī)替換耒陽1號(hào)機(jī)負(fù)荷中心電壓恢復(fù)曲線

圖6 永州2號(hào)機(jī)替換寶慶1號(hào)機(jī)負(fù)荷中心電壓恢復(fù)曲線

綜上可知，永州1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)可納入湖南電網(wǎng)負(fù)荷中心火電開機(jī)范圍，提高負(fù)荷中心暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平，增強(qiáng)火電開機(jī)方式的靈活性。

4 短路電流分析

按?國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算應(yīng)在正常方式全接線和全開機(jī)條件下采用不基于潮流的方法進(jìn)行[11]，短路故障形式應(yīng)分別考慮三相短路故障和單相接地故障[16－17]。

2021年湖南電網(wǎng)高峰負(fù)荷，永州電廠近區(qū)廠站短路電流見表5，永州電廠投運(yùn)后，電廠近區(qū)短路電流有所增加，除船山220 kV母線三相短路超標(biāo)外，其他母線短路電流均滿足要求。

表5 永州電廠近區(qū)短路電流 kA

其中，永州電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)全停情況下，船山220 kV母線三相短路電流51.9 kA，短路電流超標(biāo)。永州電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)全開情況下，船山220 kV母線三相短路電流53.3 kA，增加1.4 kA，加重船山220 kV母線短路電流超標(biāo)問題。

5 結(jié)語

通過對(duì)永州電廠接入系統(tǒng)的潮流分布、暫態(tài)穩(wěn)定、短路電流的研究分析，主要結(jié)論和建議如下:

1)豐水期平負(fù)荷方式，當(dāng)前500 kV長(zhǎng)民線送民豐輸送能力成為懷化、湘西地區(qū)機(jī)組，永州電廠機(jī)組和湘南地區(qū)其他機(jī)組送出的短板。

2)豐水期平負(fù)荷方式及大負(fù)荷方式下，永州電廠近區(qū)220 kV宗浯、勾浯、船勾斷面不滿足靜態(tài)安全校核，存在較嚴(yán)重的潮流疏散問題，建議對(duì)宗浯、勾浯斷面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3)永州電廠機(jī)組對(duì)湘南地區(qū)和負(fù)荷中心地區(qū)電壓穩(wěn)定有較強(qiáng)的支撐作用，可將永州1號(hào)機(jī)納入湘南地區(qū)最小開機(jī)范圍，永州1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)均可納入負(fù)荷中心火電最小開機(jī)范圍。

4)永州電廠投運(yùn)后，會(huì)加重船山短路電流超標(biāo)問題，建議優(yōu)化船山站近區(qū)220 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。