“強饋入弱開機”下上海電網安全運行關鍵技術研究

崔 勇 馮煜堯 楊增輝 華東電力試驗研究院有限公司

王 偉 國網上海市電力公司

為積極消納西南水電的大規模清潔能源，近年來上海電網受電比例大幅攀升、內部機組開機持續減小，電網步入“強饋入弱開機”的新常態，發展與運行模式發生深刻轉變。上海電網“十二五”發展規劃中曾指出，隨著上海境內特高壓交直流的陸續投產，外來電力尤其是清潔電力的不斷增多，“十二五”末期，上海電網將面臨區外來電大量饋入，而本地機組發電量不斷減少的局面。以2014年為例，上海電網從5月～11月均處于“強饋入弱開機”階段，其中9月份西南水電汛期階段上海電網總負荷1 800萬kW，外來電1 200萬kW，外來電占總負荷的比例達到了2/3，與此同時大量火電機組長期關停，相當一部分火電廠全廠僅單臺機組運行，“強饋入弱開機”特征及其顯著。

由于上海電網的安全穩定運行至關重要，在大量受入外來電力的前提下，上海內部機組出力需求減小，同時疊加調峰因素，本地火電機組必須大量減出力運行，極端情況下甚至需要關停，而機組長期的低負荷運行甚至關停必將對都市電網的安全穩定運行帶來較大風險。為此，上海電網未雨綢繆，提前開展“強饋入弱開機”背景下的電網最小開機方式安排技術研究，旨在確定在不影響電網安全穩定的條件下電網的最小開機規模，項目的研究成果也已成功應用于上海電網調度運行部門安排年度方式的工作中。本文從“強饋入弱開機”背景下機組開機方式安排方法研究、機組開機方式安排技術的應用，包括2013年安排2014年度的電網運行方式，2014年安排2015年度的電網運行方式以及“十三五”期間上海電網開機方式安排展望三方面進行研究，通過合理安排“強饋入弱開機”背景下本地機組的運行方式，充分消納西南水電清潔能源，減少電廠機組開機時間，為上海節能減排做出積極貢獻。

1 考慮多安全穩定因素的都市電網“強饋入弱開機”背景下最小開機方式安排方法

“強饋入弱開機”狀態下，需解決如何安排最小開機方式，最大程度上消納西南清潔水電的問題。常規的發電計劃主要從電力平衡考慮，而“強饋入弱開機”狀態下，電網的安全穩定裕度大幅減小，評估和優化系統開機方式，不僅要考慮全網高峰平衡、低谷平衡的問題，還需綜合考慮輸電限額、降壓容量、電壓穩定等安全穩定因素，多種安全穩定因素交互影響，使得電網運行方式安排和電網規劃變的異常復雜。

目前，國內電網運行方式部門在安排機組開機方式時，一般考慮的因素較少，僅考慮電力平衡需求或潮流控制因素，未兼顧電壓穩定需求、調峰需求等因素，因此內部機組開機方式不盡合理，電網運行安全存在一定風險。在本技術中，提出了“強饋入弱開機”方式下電壓穩定計算方法和流程，統籌考慮電力平衡需求、潮流控制需求、電壓穩定需求等多個因素，合理安排上海電網內部機組開機方式，確保城市電網安全穩定運行。

電壓穩定性分析方法可以分為兩大類：基于潮流方程的靜態分析方法和基于微分-代數方程的動態分析方法。采用基于PV曲線的有功負荷裕度判別法。對于大型電力系統，PV曲線可通過一系列潮流計算求得。PV曲線計算可以從電力系統的基本運行方式開始，通過不斷增加負荷功率和適當的發電機功率分配，進行潮流計算，直到曲線的臨界點，如圖1所示。用系統當前運行點到臨界點之間的有功功率距離來衡量系統的穩定性。

圖1 PV曲線

區域功率裕度的定義為：

式中，P、Pmax分別為所研究區域在當前狀態和臨界狀態下的有功負荷。某區域的Kp越小，說明該區域當前的工作點距離穩定極限點越近，承受負荷功率變化的能力越差。

在計算N-1（或N-2）事故下的負荷裕度時，當直流停運或大容量發電機組停運，將引起整個電網的功率不平衡，在計算中，采用“調速器”潮流方法進行仿真分析，直流和機組停運引起的發電機－負荷間的偏差量在具有可動作調速器的發電機組之間進行分配，更符合實際運行情況。

電壓穩定評估標準按照《國家電網安全穩定計算技術規范》，即正常運行方式和正常檢修方式下電壓穩定負荷增長裕度系數不小于8%，N-1故障后方式電壓穩定負荷增長裕度系數不小于5%。同時，考慮國調及華東網調關于運行方式安排的相關要求，同桿并架N-2故障、直流雙極閉鎖故障參照N-1標準進行評估，即該類故障下電壓穩定負荷增長裕度系數不小于5%。

根據電網總體用電負荷預測結果，在充分消納西南水電清潔能源的前提下，通過電力平衡分析，初步確定上海電網本地機組開機規模以及發電計劃，然后通過潮流分析，評估在該開機方式下電網中是否存在潮流重載問題，再通過電壓穩定分析，校核電網電壓穩定水平，評估該開機方式下的電壓穩定裕度是否滿足標準要求，最后通過調峰平衡分析，評估該開機方式在低谷時段的調峰平衡是否存在缺口，必要時在低谷時段通過電量置換和機組調停來解決，最終確定“強饋入弱開機”背景下電網最小開機方式。

制訂了“強饋入弱開機”背景下電網最小開機方式分析流程，該技術已經應用于上海市電力公司調度控制中心以及發展策劃部，為上海電網運行方式部門定量評估電網電壓穩定水平，合理安排上海電網內部機組開機方式提供技術指導。也已經應用于電網規劃部門開展上海電網“十三五”規劃中深度調峰下的電壓穩定校核工作，確?！笆濉逼陂g上海電網電壓穩定裕度以及開機方式的合理性。

2 2015年上海電網最小開機方式安排

以上海電網2015年夏季高峰和秋季高峰方式為例，計算了不同開機規模下，正常方式、N-1、N-2和直流閉鎖等故障后的電壓穩定裕度，評估了“強饋入弱開機”方式下上海電網電壓穩定情況，分析了保持上海電壓穩定水平的最小開機規模。

2015年夏季高峰方式負荷水平考慮3 000萬kW，平均高峰負荷取2 700萬kW，6、9月汛期平均高峰負荷考慮1 900萬kW。

2.1 3 000萬kW最大高峰負荷水平

針對計算要求，在滿足上海電網500 kV主變潮流不越限的情況下，2015年夏季高峰分別考慮了小開機運行方式（表1）。

表1 夏季高峰方式下上海主力煤機開機方式

各種小開機方式下的電壓穩定分析結果如見表2。

表2中可以看出有幾點特征。

（1）在開機方式一中，滿足上海電網500 kV主變即220 kV分區的降壓容量及備用要求。上海電網在正常方式下的電壓穩定負荷增長裕度系數為13.7%，滿足標準要求；但N-1后的電壓穩定負荷增長裕度系數為3.0%，不能滿足標準要求；且復奉和宜華相繼閉鎖后的電壓穩定負荷增長裕度系數僅為3.0%，裕度系數較低。

表2 不同開機方式下電壓穩定負荷增長裕度系數 MW

（2）在開機方式二中，通過增加楊行分區石洞口電廠開機，上海電網在正常方式下的電壓穩定負荷增長裕度系數為20.0%，裕度系數較大；N-1后的電壓穩定負荷增長裕度系數為7.7%，滿足標準要求；但復奉和宜華相繼閉鎖后的電壓穩定負荷增長裕度系數仍較低，為3.3%。

（3）從潮流分布角度來看，浙福特高壓交流工程投產后，浙江電網大量潮流通過上海電網轉送江蘇電網，穿越潮流問題更加突出，導致安吉-練塘、泗涇-練塘雙線潮流重載。在開機方式一和開機方式二中，安吉-練塘雙線和泗涇-練塘潮流均過載，需要增加上海電網本地機組出力。當上海電網增加兩臺500 kV機組開機后（開機方式三），該通道潮流可以控制在限額之內。三種開機方式下的潮流圖如附圖所示。

（4）3000萬kW負荷水平下，為滿足500 kV主變降壓容量需求，上海電網需要開500 kV機組4臺，220 kV機組10臺；為滿足電壓穩定裕度要求，上海電網需要開500 kV機組4臺，220 kV機組11臺；而為滿足通道潮流不越限要求，上海電網需要開500 kV機組6臺，220 kV機組11臺。因此2015年夏季按3000萬kW高峰負荷負荷水平考慮，上海電網最小開機規模為：500 kV機組開6臺，220 kV機組開11臺,且石洞口電廠需要開3臺機。

2.2 2 700萬kW平均高峰負荷水平

針對計算要求，在滿足上海電網500 kV主變潮流不越限的情況下，2015年夏季高峰分別考慮了如下小開機運行方式見表3。

表3 夏季高峰方式下上海主力煤機開機方式

各種小開機方式下的電壓穩定分析結果如表4所示。

由表4中可以看如下出有幾點特征。

（1）在開機方式一中，滿足上海電網500 kV主變即220 kV分區的降壓容量及備用要求。上海電網在正常方式下的電壓穩定負荷增長裕度系數為15.2%，滿足標準要求；但N-1后的電壓穩定負荷增長裕度系數為3.3%，不能滿足標準要求。

表4 不同開機方式下電壓穩定負荷增長裕度系數 MW

（2）在開機方式二中，通過增加楊行分區石洞口電廠開機，上海電網在正常方式下的電壓穩定負荷增長裕度系數為22.2%，裕度系數較大；N-1后的電壓穩定負荷增長裕度系數為11.7%，滿足標準要求。

（3）從潮流分布角度來看，上述開機方式下，上海各交流受電通道和內部500 kV通道潮流均在限額之內。

（4）2 700萬kW負荷水平下，為滿足500 kV主變降壓容量需求，上海電網需要開500 kV機組4臺，220 kV機組8臺；為滿足電壓穩定裕度要求，上海電網需要開500 kV機組4臺，220 kV機組9臺。因此2015年夏季按2 700萬kW平均高峰負荷水平考慮，上海電網最小開機規模為500 kV機組開4臺，220 kV機組開9臺,且石洞口電廠需要開2臺機。

2.3 汛期平均高峰方式開機方式分析

根據計算要求， 2015年6、9月汛期平均高峰分別考慮了表5的小開機運行方式。

各種小開機方式下的電壓穩定分析結果見表6。表5.表6數據有以下幾個特點。

（1）6、9月汛期平均高峰1900萬千瓦負荷水平下，為滿足電壓穩定裕度要求，上海電網需要開500 kV機組4臺，220 kV機組6臺,且石洞口電廠需要開1臺機。

（2）該開機方式在低谷時段的最小技術出力為522萬kW，考慮到低谷負荷為1 220萬kW，低谷受電為920萬千瓦，此時調峰缺口為222萬kW。

表5 汛期平均高峰方式下上海主力煤機開機方式

3 結語

“強饋入弱開機”背景下考慮多安全穩定約束的電網最小開機方式安排技術，兼顧考慮電力平衡需求、潮流控制需求、調峰平衡需求以及電壓穩定需求等因素，合理安排“強饋入弱開機”條件下的本地發電機組運行方式，在確保上海都市電網安全穩定優質運行的前提下，通過四回直流從區外受入大量電力，充分消納西南水電清潔能源，從而降低本地火電機組開機規模，大幅減少本地火電機組能源消耗量以及污染排放量，為推動我國能源生產和消費革命，促進清潔發展、可持續發展做出積極貢獻。該技術適用于從區外受入大量水電、風電、太陽能發電等清潔能源的都市電網，推廣應用前景廣闊。

表6 不同開機方式下電壓穩定負荷增長裕度系數 MW