特高壓對(duì)安徽電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響

劉 睿，金義雄，張旭昶，占 勇

(1.上海電力學(xué)院，上海 200090，2.安徽省電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022)

2008年，國(guó)內(nèi)第一項(xiàng)特高壓交流試驗(yàn)示范工程——晉東南-南陽(yáng)-荊門(mén)輸變電工程建成投運(yùn)，率先實(shí)現(xiàn)了華北-華中特高壓交流聯(lián)網(wǎng)［1］.2011年淮南-皖南(蕪湖)-浙北-上海特高壓交流工程建成投運(yùn)，即在華東電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)特高壓落點(diǎn)，同步建成淮南-南京特高壓通道;2012年建成荊門(mén)-武漢-皖南特高壓通道，實(shí)現(xiàn)華北-華中與華東同步聯(lián)網(wǎng)，三華特高壓同步電網(wǎng)初步形成.2015年前在安徽境內(nèi)還將建成駐馬店-皖南-淮南特高壓通道，將淮南站、皖南站納入特高壓主網(wǎng)架之中，其中特高壓皖南站將接入安徽500 kV電網(wǎng).特高壓落點(diǎn)皖南后，必將對(duì)安徽電網(wǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響.

本文采用中國(guó)電力科學(xué)研究院研發(fā)的PSDBPA潮流計(jì)算程序及穩(wěn)定程序?qū)Π不针娋W(wǎng)接入特高壓后的潮流分布和大干擾電壓穩(wěn)定性進(jìn)行研究［1］.

1 研究基礎(chǔ)

1.1 計(jì)算電網(wǎng)

本文采用BPA潮流穩(wěn)定計(jì)算程序，建立了包含華東1 000 kV交流特高壓電網(wǎng)、淮北特高壓發(fā)電廠至淮南特高壓交流輸電系統(tǒng)的交流系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真模型，研究水平年為2013年.模型中將安徽外省市的500 kV及其他等級(jí)電網(wǎng)做了簡(jiǎn)化等值.

圖1 2013年安徽特高壓電網(wǎng)規(guī)劃

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 發(fā)電機(jī)模型

本項(xiàng)目發(fā)電機(jī)采用實(shí)測(cè)詳細(xì)勵(lì)磁模型，規(guī)劃?rùn)C(jī)組采用近似考慮勵(lì)磁系統(tǒng)，功率因數(shù)控制為0.85 ～0.95.

1.2.2 線路模型

本項(xiàng)目中的特高壓及安徽省500 kV網(wǎng)架線路均采用分布參數(shù)模型.

1.2.3 負(fù)荷模型

電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比重參數(shù)根據(jù)地區(qū)不同有所差異.安徽、江蘇、浙江，以及上海電網(wǎng)的負(fù)荷模型采用40%恒阻抗+60%恒功率，且不考慮負(fù)荷的頻率效應(yīng).福建電網(wǎng)負(fù)荷模型采用60%恒阻抗+40%恒功率，考慮負(fù)荷的頻率特性(LDP=1.2，LDQ=2.0).

1.3 電壓控制范圍

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)相關(guān)部門(mén)提出的1 000 kV級(jí)交流輸電系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓選擇的意見(jiàn)，標(biāo)稱(chēng)電壓1 000 kV系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓為1 100 kV.根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，潮流計(jì)算中正常運(yùn)行方式下1 000 kV電網(wǎng)主要節(jié)點(diǎn)電壓控制為1 020～1 050 kV.500 kV等級(jí)電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓控制為510～525 kV.220 kV等級(jí)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓控制為227～234 kV.

2 特高壓與安徽電網(wǎng)無(wú)功功率交換

電力系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定及暫態(tài)功角穩(wěn)定問(wèn)題與系統(tǒng)的無(wú)功功率分布關(guān)系密切.在特高壓系統(tǒng)接入安徽電網(wǎng)后，將影響500 kV電網(wǎng)的無(wú)功分布.

2.1 特高壓輸電線路的自然功率

特高壓輸電線無(wú)功狀態(tài)的分界線為自然功率.當(dāng)線路輸送的有功功率小于自然功率時(shí)，線路無(wú)功功率過(guò)剩，此時(shí)線路可視為一個(gè)大的無(wú)功電源;當(dāng)線路輸送的有功功率大于自然功率時(shí)，線路無(wú)功功率不足，此時(shí)線路可看作為一個(gè)大的無(wú)功負(fù)荷［2］.

輸電線路運(yùn)行于額定電壓時(shí)的自然功率PN的計(jì)算公式為:

式中:ZC——特高壓輸電線路的波阻抗.

式中:z——線路單位長(zhǎng)度的阻抗，z=R1+jωL1;

y——線路單位長(zhǎng)度的導(dǎo)納，y=g1+jωC1.

電對(duì)于特高壓輸電線路，其阻抗和導(dǎo)納參數(shù)有R1=ωL1，g1=ωC1.因此，可得到特高壓輸電線路波阻抗算式為:

則特高壓輸電線路的自然功率為:

根據(jù)淮南-皖南特高壓線路參數(shù)，可計(jì)算得出線路在1 050 kV額定電壓下運(yùn)行時(shí)的自然功率約為4 500 MW.

2.2 特高壓電網(wǎng)與安徽電網(wǎng)的無(wú)功功率交換

為使特高壓系統(tǒng)與安徽500 kV系統(tǒng)的無(wú)功功率交流最小，無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的投入必須隨著特高壓輸電功率的變化而變化.

本期皖南站主變側(cè)裝設(shè)2組240 MW低抗和4組210 MW的低容.不同輸電功率下投入無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備后，系統(tǒng)與500 kV電網(wǎng)的無(wú)功功率交換如表1所示.

表1 不同輸電功率特高壓系統(tǒng)和500 kV電網(wǎng)無(wú)功功率交換

3 特高壓主設(shè)備運(yùn)行和檢修對(duì)電網(wǎng)的影響

3.1 特高壓正常運(yùn)行時(shí)對(duì)潮流分布的影響

正常運(yùn)行方式下，2013年安徽電網(wǎng)潮流分布基本合理.淮南站-皖南站特高壓輸電線路有功功率達(dá)到5 600 MW，送、受端特高壓變電站母線電壓均控制在正常范圍內(nèi).在調(diào)整部分500 kV站變壓器檔位及投切無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備后，各500 kV和220 kV變電站母線電壓均控制在正常范圍內(nèi).皖南部分線路處于重載或輕微過(guò)載狀態(tài)，無(wú)嚴(yán)重過(guò)載線路.重載及輕微過(guò)載線路大部分為皖南電廠及220 kV變電站聯(lián)絡(luò)線，說(shuō)明該地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱，需根據(jù)潮流及穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果加強(qiáng)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu).

3.2 特高壓主設(shè)備檢修對(duì)電網(wǎng)電壓的影響

典型方式下，對(duì)淮南-皖南、浙北-皖南特高壓輸電線路及主變進(jìn)行“N-1”仿真校驗(yàn).

當(dāng)特高壓雙回線路中的一回路退出運(yùn)行時(shí)，若無(wú)切除發(fā)電機(jī)的減負(fù)荷措施，特高壓雙回線路傳輸?shù)拇蟛糠止β蕦⑥D(zhuǎn)移至單回線上.線路負(fù)載將超過(guò)線路的自然功率，特高壓輸電線路的性質(zhì)由無(wú)功電源轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)功負(fù)荷，無(wú)功功率從特高壓變電站倒送至線路，此時(shí)特高壓變電站需投入低容抗來(lái)維持變壓器500 kV側(cè)母線電壓.主網(wǎng)架各500 kV變電站高壓側(cè)母線電壓的變化情況如表2所示.

由表2可知，特高壓輸電線路單回退出運(yùn)行對(duì)于500 kV系統(tǒng)相當(dāng)于少了一個(gè)大的無(wú)功電源.各500 kV變電站高壓側(cè)母線電壓均略有下降.系統(tǒng)受影響不大，只需增加淮南電廠無(wú)功出力并在特高壓站投入低容抗即可.

表2 特高壓線路退出對(duì)500 kV變電站高壓側(cè)電壓的影響 kV

當(dāng)淮南特高壓一臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，需配合切除淮南部分送端機(jī)組，防止淮南特高壓另一臺(tái)主變嚴(yán)重過(guò)載.

4 特高壓對(duì)系統(tǒng)大干擾電壓穩(wěn)定性的影響

4.1 大干擾電壓失穩(wěn)的判定

目前，如何準(zhǔn)確判斷暫態(tài)電壓失穩(wěn)仍然是一個(gè)需要解決的難題，其原因一方面是由于對(duì)大干擾電壓失穩(wěn)機(jī)理的研究方法和理論還不夠完善;另一方面也是由于大干擾電壓失穩(wěn)和系統(tǒng)功角失穩(wěn)兩方面存在著聯(lián)系，本文的研究工作受篇幅限制主要涉及特高壓大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性方面的影響.

在已經(jīng)提出的各類(lèi)失穩(wěn)判據(jù)中，國(guó)內(nèi)外目前廣泛采用的是工程經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，即系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后，暫態(tài)過(guò)程中的某些母線電壓低于某個(gè)電壓水平(一般為0.75 p.u.)超過(guò)一定的時(shí)間即被認(rèn)為是電壓失穩(wěn)［3］.

本文選擇了比較嚴(yán)重的幾個(gè)故障，對(duì)特高壓系統(tǒng)及安徽500 kV電網(wǎng)進(jìn)行了大干擾電壓穩(wěn)定分析，觀察安徽電網(wǎng)大干擾電壓的穩(wěn)定情況.采用故障形式為單一三相短路故障，不考慮重合閘，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間為0.1 s.

4.2 特高壓線路三相短路故障

當(dāng)皖南-淮南特高壓?jiǎn)位鼐€路出現(xiàn)三相短路故障時(shí)，特高壓線路將在短時(shí)出現(xiàn)劇烈震蕩.仿真顯示，另一條回路線路瞬時(shí)傳輸功率由2 800 MW左右躍至5 400 MW，功率轉(zhuǎn)移比約為93%.此時(shí)特高壓?jiǎn)位鼐€路過(guò)載嚴(yán)重，但無(wú)法補(bǔ)充足夠的無(wú)功來(lái)支持線路的電壓，導(dǎo)致特高壓站的電壓降增大.同時(shí)與之相連的500 kV變電站的電壓出現(xiàn)了10% ～15%的電壓降，引起整個(gè)500 kV系統(tǒng)的持續(xù)震蕩，但系統(tǒng)中并無(wú)500 kV站母線出現(xiàn)電壓持續(xù)低于0.75 p.u.的現(xiàn)象，特高壓線路的功率振蕩并不能引起與之相連的500 kV系統(tǒng)失穩(wěn).

圖2為淮南-皖南特高壓線路故障后特高壓站和相鄰500 kV變電站母線電壓波動(dòng)示意.

4.3 特高壓主變壓器故障

特高壓系統(tǒng)主變最嚴(yán)重的故障為皖南特高壓站主變故障.仿真主變?cè)?個(gè)周波內(nèi)退出運(yùn)行時(shí)，對(duì)500 kV系統(tǒng)的影響如圖3所示.

圖3 皖南特高壓主變故障后500 kV各變電站電壓波動(dòng)情況

安徽電網(wǎng)500 kV變電站母線電壓急劇下降，部分變電站下降至0.6 p.u.，系統(tǒng)將無(wú)法承受長(zhǎng)時(shí)間的低電壓，從而導(dǎo)致功角失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致暫態(tài)電壓失穩(wěn).若發(fā)生此類(lèi)故障，需將特高壓系統(tǒng)與500 kV系統(tǒng)解列，以保證整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性.

4.4 特高壓電廠單臺(tái)1 000 MW機(jī)組失磁解列

發(fā)電機(jī)失磁解列是系統(tǒng)“N-1”故障中較為嚴(yán)重的形式，發(fā)電機(jī)失磁后，不僅丟失該發(fā)電機(jī)組所有的無(wú)功出力，而且要從系統(tǒng)中吸收與其容量相當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率，如果失磁機(jī)組不能迅速?gòu)碾娋W(wǎng)中解列，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功功率和電壓造成巨大沖擊［4］.仿真結(jié)果顯示，機(jī)組解列后由于特高壓線路送出的無(wú)功功率增加，使得特高壓淮南站和皖南站的電壓升高，超過(guò)了特高壓站高壓側(cè)母線電壓控制范圍，此時(shí)必須投入一定數(shù)量的電抗來(lái)平衡無(wú)功功率，降低高壓側(cè)母線電壓.由圖4可知，單臺(tái)1 000 MW機(jī)組切除對(duì)安徽電網(wǎng)500 kV各變電站的影響較小，各變電站電壓下降的幅度約為5%.

圖4 1 000 MW機(jī)組失磁解列后各變電站電壓波動(dòng)情況

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)特高壓系統(tǒng)接入安徽電網(wǎng)后的實(shí)際情況，采用PSD-BPA潮流及穩(wěn)定分析程序，對(duì)特高壓系統(tǒng)和500 kV系統(tǒng)的無(wú)功功率交換、特高壓系統(tǒng)對(duì)安徽500 kV電網(wǎng)潮流分布和大干擾電壓穩(wěn)定性的影響做了分析.結(jié)果表明，在特高壓主設(shè)備“N-1”的情況下，500 kV電網(wǎng)的潮流分布仍較為合理;而大干擾電壓穩(wěn)定性較差，需及早制訂防范方案.最后，特高壓交流系統(tǒng)與500 kV系統(tǒng)的互聯(lián)可能會(huì)帶來(lái)大區(qū)間的低頻弱阻尼振蕩模式，對(duì)電網(wǎng)危害較大.應(yīng)根據(jù)特高壓實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)一步研究其對(duì)安徽500 kV電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響.

［1］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京:中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2005:61-80.

［2］成濤，林莉，牟道槐.交流特高壓輸電線的傳輸特性與無(wú)功補(bǔ)償［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(1):83-87.

［3］潘小艷，王建全.特高壓電網(wǎng)接入浙江電網(wǎng)的大干擾電壓穩(wěn)定分析和控制策略［J］.華東電力，2010，38(6):863-866.

［4］劉麗霞，黃志剛，李娟.天津電網(wǎng)電壓穩(wěn)定研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(12):90-96.