異步聯網對云南電網安全穩定性的影響

蔡葆銳,王興剛,司大軍

(云南電網規劃研究中心,昆明 650001)

云電論壇獲獎論文

異步聯網對云南電網安全穩定性的影響

蔡葆銳,王興剛,司大軍

(云南電網規劃研究中心,昆明 650001)

南方電網確定了異步聯網的技術路線,計劃在2016年實現云南電網與南網主網的異步互聯,這將對云南電網的安全穩定運行提出新的挑戰。本文深入研究了異步聯網對云南電網頻率穩定性、功角穩定性、小擾動穩定性和電壓穩定性的影響,結果表明,異步聯網后云南電網頻率穩定問題凸顯,需要引起高度重視。文章進一步提出了相關安全穩定控制措施的建議。

異步聯網；頻率穩定；功角穩定；小擾動穩定；電壓穩定

0 前言

南方電網確定了異步聯網的技術路線,相關工程已經開始實施。按照計劃進度,魯西直流背靠背工程和±500 kV永仁至富寧直流工程均于2016年同時建成投運,屆時云南電網與南方電網主網將實現異步互聯。

異步聯網后,云南電網作為網架結構較為薄弱、負荷水平較低的多直流送端電網,其頻率穩定性、功角穩定性和小擾動穩定性都有何變化,需要采取哪些安全穩定控制措施,都是非常值得研究的內容,也是本文關注的重點。

1 異步聯網方案

云南與南方電網主網異步聯網主要由如下兩個直流工程組成 (方案示意見圖1)：

圖1 云南與南方電網主網異步聯網方案示意圖

1)魯西直流背靠背工程：遠期規劃3 000 MW,本期建設1 000 MW常規直流單元和1 000 MW柔性直流單元。

2)±500 kV永仁至富寧直流工程：輸送容量3 000 MW,可以實現雙極全送云南、雙極全送廣西和單極分送云南廣西三種運行方式。

2 對云南電網頻率穩定性的影響

異步聯網前,由于南方電網容量大,任一直流單極閉鎖均不存在頻率問題,任一直流雙極閉鎖造成系統功角失穩,采取切機措施后可以保持功角和頻率穩定,切機量由功角穩定性決定。異步聯網后,云南電網容量降低,頻率穩定性很可能發生變化。

頻率穩定計算采用2016年汛期小方式,針對有頻率失穩情況的采用豐大方式進一步校驗。

計算原則如下：

1)按照 《電力系統安全穩定導則》中規定的第一、二級安全穩定標準要求,則直流單極閉鎖故障以及直流雙極閉鎖故障采取穩控措施后,云南電網高周切機和低頻減載裝置應不動作,即故障后云南電網頻率應不低于49.0 Hz,且不高于50.6 Hz。其中,低于49.0 Hz將造成低頻減載動作；超出50.6 Hz將引起穩控的高周切機動作。

2)同時,按照 “聯絡線因故障斷開后,要保持各自系統的安全穩定運行”的要求,暫態過程中云南電網頻率應低于51.5 Hz、高于47.5 Hz,且事故后系統頻率能迅速恢復到49.2 Hz～50.5 Hz之間。其中,低于47.5 Hz可能造成系統頻率崩潰；超出51.5Hz將可能引起機組的OPC或高周保護動作,造成無序跳閘,進而造成頻率崩潰。

2.1 直流單極閉鎖

楚穗直流、糯扎渡直流雙極全功率運行時,單極閉鎖后云南電網最高頻率分別達到50.76 Hz、50.70 Hz(如圖2、圖3所示),小于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz,但均大于云南電網高周切機起始值50.6 Hz,即單極閉鎖

圖2 楚穗直流全功率運行,單極閉鎖云南電網頻率

圖3 糯扎渡直流全功率運行,單極閉鎖云南電網頻率

不采取安穩措施會造成高周切機動作。

溪洛渡直流、魯西背靠背直流單極閉鎖均不會造成高周切機動作。

2.2 直流雙極閉鎖

楚穗直流雙極全功率運行,雙極閉鎖后云南電網最高頻率達到51.55 Hz,大于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz。當切除小灣、金安橋共3 900 MW機組后,最高頻率達到50.36 Hz,小于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz與云南電網高周切機起始值50.6 Hz。

圖4 楚穗直流全功率運行,雙極閉鎖云南電網頻率

糯扎渡直流雙極全功率運行,雙極閉鎖后云南電網最高頻率達到51.55 Hz,大于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz。當切除糯扎渡電站、景洪電站、墨江水電共3 930 MW機組后,最高頻率達到50.34 Hz,小于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz與云南電網高周切機起始值50.6 Hz。

圖5 糯扎渡直流全功率運行,雙極閉鎖云南電網頻率

溪洛渡直流雙極全功率運行,雙極閉鎖后云南電網最高頻率達到50.97 Hz。當切除溪洛渡電站2 800 MW機組后,最高頻率達到50.22 Hz,小于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz與云南電網高周切機起始值50.6 Hz。

魯西背靠背直流全功率運行,全部閉鎖損失2 000 MW后云南電網最高頻率達到50.63 Hz,小于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz,但大于云南電網高周切機起始值50.6 Hz,如果不采取安穩措施會造成高周切機動作。

圖6 溪洛渡直流全功率運行,雙極閉鎖云南電網頻率

2.3 直流雙回四極閉鎖

溪洛渡直流雙回四極全功率運行,送出功率6 400 MW時,雙回四極閉鎖后電網失穩,切除溪洛渡電站1 400 MW機組,系統功角穩定,但是云南電網最高頻率達到51.81 Hz,不滿足頻率要求。

再切除溪洛渡電站2 800 MW、龍開口電站720 MW機組后,最高頻率達到50.48 Hz,小于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz與云南電網高周切機起始值50.6 Hz。

圖7 溪洛渡直流全功率運行,四極閉鎖云南電網頻率

2.4 大方式校核

根據前面分析,小方式下楚穗直流、糯扎渡直流單極閉鎖后電網頻率均大于云南電網高周切機起始值50.6 Hz,不滿足N-1原則,下面采用2016年汛期大方式進行校核,各直流均采用雙極全功率運行。

圖8 大方式下楚穗直流單極閉鎖云南電網頻率

圖9 大方式下糯扎渡直流單極閉鎖云南電網頻率

如圖8、圖9所示,楚穗直流單極閉鎖,最高頻率50.66 Hz；糯扎渡直流單極閉鎖,最高頻率50.65 Hz。

校核結果表明：2016年汛期大方式下,楚穗直流、糯扎渡直流單極閉鎖后電網頻率小于云南電網火電機組過速保護動作值51.5 Hz,但大于云南電網高周切機起始值50.6 Hz,即單極閉鎖不采取安穩措施會造成高周切機動作。

3 對云南電網功角穩定性的影響

功角穩定計算采用2016年汛期大方式,異步聯網前、后云南省內主要斷面潮流基本一致,云南外送潮流基本一致。

3.1 直流雙極閉鎖

由表1可知,異步聯網前,楚穗直流、糯扎渡直流雙極閉鎖功角失穩,均需要切除約200萬機組；異步聯網后,各回直流雙極閉鎖均能保持功角穩定。

主要原因在于：異步聯網前,直流雙極閉鎖后大量功率轉移到交流通道引起功角失穩。

表1 異步聯網前后直流雙極閉鎖功角穩定情況

3.2 交流線路、主變N-2

經過全網掃描計算,異步聯網后紅河至硯山線路N-2將使云南文山地區孤網；除此以外,異步聯網前、后,云南500 kV交流線路、主變N-2故障功角穩定情況一致。

下圖為500 kV大理至和平線路N-2故障,云南異步聯網前、后仁和至廠口線路有功曲線的對比,可以看出,異步聯網前的阻尼略好于異步聯網后的阻尼,0.6 Hz左右振蕩頻率,異步聯網前阻尼比為 1.886%,異步聯網后阻尼比為0.935%。阻尼比的變化與異步聯網前、后系統容量的變化有關。

圖10 大和線N-2,仁廠線有功

4 對云南電網小擾動穩定性的影響

采用與功角穩定計算相同的計算數據。

異步聯網前,云南與香港廣東振蕩模式的振蕩頻率0.31 Hz,阻尼比27.9%；異步聯網后,該振蕩模式消失。

異步聯網前、后,云南電網內部的振蕩模式沒有變化,振蕩頻率和阻尼比非常接近,阻尼比均大于4.5%,詳見表2。

表2 異步聯網前后小擾動穩定情況

5 對云南電網電壓穩定性的影響

異步聯網前,各直流閉鎖故障后,由于潮流大量轉移至交流通道,導致500 kV西電東送交流通道電壓顯著降低。如圖11所示,當糯扎渡直流單極閉鎖后,云南外送交流通道的電壓下降較大,硯山變電壓穩定在499 kV,崇左變電壓穩定在478 kV左右,但尚能滿足大擾動電壓穩定的判據(中樞點母線電壓不低于0.9 p.u.)。

圖11 糯扎渡直流單極閉鎖后硯山、崇左電壓

異步聯網后,西電東送各回直流閉鎖故障后云南電網電壓情況極大好轉；永仁至富寧直流閉鎖故障會引起云南省內東西交流通道電壓降低,但由于受端富寧換流站裝設了STATCOM,電壓均可以穩定在510 kV以上。

6 結束語

1)異步聯網后,云南電網的頻率穩定問題凸顯。楚穗直流或者糯扎渡直流單極閉鎖故障有可能導致云南電網高周切機動作；雙極閉鎖故障不再會導致功角失穩,但是會導致系統頻率失穩,通過切除機組可以保證系統頻率穩定。

2)異步聯網避免了直流故障后大量功率轉移到交流通道,有利于提高直流故障后的功角穩定性和電壓穩定性。

3)異步聯網后,云南500 kV交流線路故障功角穩定情況與異步聯網前一致,但是阻尼比略有降低。

4)異步聯網后,云南與香港廣東振蕩模式消失,云南電網內部的振蕩模式沒有變化。

5)針對異步聯網后的頻率穩定性問題,建議加強云南電網二、三道防線配置研究；考慮在直流單極閉鎖后切除部分機組,防止高周切機動作；盡早開展異步聯網方式下的直流頻率限制控制 (FLC)技術研究,及時投入工程應用。

[1] 中國電力工程顧問集團中南電力設計院.云南電網與南方主網背靠背直流異步聯網工程可行性研究報告[R].2014.3.

[2] 中國電力工程顧問集團中南電力設計院.西南電力設計院.云南永仁至富寧±500 kV直流輸變電工程可行性研究報告[R].2014.1.

[3] 云南電網公司.云南電網2014年運行方式 [Z]. 2014,2.

[4] 云南省電力設計院.云南電網2016～2018年專題規劃研究報告 [R].2014.1.

Impact of Asynchronous Networking for Yunnan Power Grid Security and Stability

CAI Baorui,WANG Xinggang,SI Dajun
(Yunnan Power Grid Planning＆Research Center,Kunming 650011,China)

China Southern Power Grid has determined the technical route of asynchronous network,and plan to achieve asynchronous interconnection of Yunnan power system and Southern Power Grid in 2016.This will bring new challenges to the safety and stability of Yunnan power grid.This paper deeply studies the influence of asynchronous network on the frequency stability,power angle stability,small disturbance stability and voltage stability in Yunnan power grid.The results show that,after asynchronous networking,frequency stability problem is very serious,need to pay close attention to.The paper further puts forward safety and stability control measures.

asynchronous network；frequency stability；power angle stability；small disturbance stability；voltage stability

TM935

B

1006-7345(2015)01-0083-04

2014-10-28

蔡葆銳 (1975),男,高級工程師,云南電網規劃研究中心,從事電網規劃工作 (e-mail)cbaorui＠sina.com。

王興剛,男,博士,高級工程師,云南電網規劃研究中心,主要從事電力系統安全穩定性分析、電網規劃、新能源并網、智能電網方面的研究工作 (e-mail)68529848＠qq.com。

司大軍 (1976),男,博士,高級工程師,云南電網規劃研究中心,電網安全穩定分析工作,在電力系統機電暫態仿真、電磁暫態仿真、電網運行與規劃等方面開展理論與應用研究 (email)dajunsi1976＠163.com。