發(fā)電廠內電磁環(huán)網運行狀態(tài)分析

劉智洋,宋杭選,陸 杭,董爾佳

(1.黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030;2.國網黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090)

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發(fā)電廠內電磁環(huán)網運行狀態(tài)分析

劉智洋1,宋杭選1,陸 杭2,董爾佳1

(1.黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030;2.國網黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090)

針對中國華電集團某發(fā)電廠技術改造后新的接線形式和電氣參數進行分析,建立等值模型,對廠內不同運行方式下出現的電磁環(huán)網進行了分類探討,結合算例對50種不同情況進行了解析和計算,并依據結果,對該廠如何有效地控制均衡電流提出了建議。

等值模型;運行方式;電磁環(huán)網;均衡電流

在一座發(fā)電廠內部,時常需要進行設備檢修、停運等操作,尤其在轉移負荷的過程中,會短時地形成電磁環(huán)網運行狀態(tài),不利于電網安全運行。相對于輸電網中的電磁環(huán)網,廠內接線較短,環(huán)路阻抗小,此時若不能對環(huán)網內參數進行很好地控制,同樣會出現線路跳閘等事故,進而波及周圍供電區(qū)引起連鎖反應[1]。

中國華電集團某發(fā)電廠在脫硫技術改造工程實施完畢后,廠內接線和設備參數發(fā)生了相應的改變。因此,本文根據該廠提供的參數,結合廠內出現的電磁環(huán)網運行狀態(tài),對其運行方式進行了分析和計算,以為電氣設備的合理選擇、繼電保護整定和調整運行方式提供參考依據。

1 均衡電流的產生及計算

1.1 均衡電流的產生機理

當兩路或多路供電系統在某處進行對接形成環(huán)狀供電系統時,通常會產生均衡電流,即一般意義上所說的環(huán)流。產生這種均衡電流的主要原因是在合環(huán)前,合環(huán)點兩側存在電位差,而均衡電流的作用便在于消除這種電位差,使合環(huán)后該合環(huán)點兩側電壓一致[2],供電線路合環(huán)模型如圖1所示。

圖1 供電線路合環(huán)模型

設圖1中左右兩側分別是同一供電系統中的兩條供電線路,AC1、AC2是兩條線路電網側的等值電源,Z1、Z2是將電網側的線路、變壓器等設備進行歸算后的等值阻抗,虛線部分是指兩條線路在電網側存在的電氣聯系。

暫不考慮負荷電流,現假設兩條供電線路在K點進行合環(huán)操作,設開關K閉合前開關兩側的端電壓分別為U1、U2,U1與U2同相位且|U1|>|U2|,則在開關K的兩端出現了電位差ΔU

ΔU=U1-U2

(1)

當開關K閉合,即兩條線路進行合環(huán)運行,會產生一個均衡電流Ih。對于左側線路來說,合環(huán)后相當于接入一個負荷,因此將會有電流Ih輸出。由于合環(huán)后開關K兩側的電壓必須相等,因此若該電壓以Uk表示,則有

Uk=U1-IhZ1

(2)

對于右側線路來說,合環(huán)后是把它接到一個電壓更高的電源上,因此將會有電流Ih輸入,相應地有

Uk=U2+IhZ2

(3)

對式(2)和式(3)進行合并,

U1-IhZ1=U2+IhZ2

(4)

則可計算出均衡電流值

(5)

其中,∑Z定義為合環(huán)后形成的環(huán)路阻抗。電網中的設備多數是以電抗為主,即其R?X,∑Z中電抗占據了較大的比重,均衡電流在這種以電抗為主要成份的環(huán)路中流動,產生的主要是無功的效果,因此在部分文獻中也常把這種均衡電流稱為無功環(huán)流[3]。

在實際計算中,需要考慮三相系統中線電壓和相電壓的轉換關系并對上述公式進行相應地變換。

1.2 均衡電流的危害

通常情況下,合環(huán)前電壓較高的一側,在合環(huán)后均衡電流將與負荷電流疊加,相應地增大了該回路的總電流;而合環(huán)前電壓較低的一側,在合環(huán)后均衡電流將與負荷電流抵消,相應減小了該回路的總電流。這樣的電流分配造成的結果是,一側的輸電設備容易過負荷,而另一側的輸電設備欠負荷。

由式(5)可以看出,Ih的大小主要受合環(huán)點電位差ΔU和環(huán)路阻抗∑Z的影響,當∑Z很小的時候,比如在發(fā)電廠內部輸電線路均較短,此時即使是很小的ΔU也會產生較大的均衡電流值。均衡電流雖不是負荷電流,但卻同樣需要占據輸電通道,這樣就間接地減小了輸電線路和變壓器的容量,也增加了損耗。

特別是在電磁環(huán)網中,即由兩個不同電壓等級的輸電回路通過變壓器的電磁聯系形成環(huán)路時,由于變壓器低壓側的電流與高壓側的電流存在一個變比的倍數關系,這種均衡電流的影響便會顯著增大,加之與原本的負荷電流進行疊加,將產生很大的潮流值,進而造成局部設備過載、繼電保護整定困難,甚至造成連鎖跳閘等重大安全事故。因此在電網發(fā)展過程中的過渡階段,為提高供電可靠性,保證對重要用戶的不間斷供電,在電磁環(huán)網方式供電時,需采取嚴格地計算和控制手段[4]。

2 發(fā)電廠電磁環(huán)網運行方式分析

2.1 廠內接線情況

該發(fā)電廠坐落于哈爾濱市區(qū),擔負著周圍地區(qū)電力供應及冬季供暖的重要角色。在即將完成的1～5號機組脫硫技改工程后,廠內主要設備及其接線情況為: 5臺發(fā)電機組裝機容量102 MW,配有4臺升壓主變、2臺降壓主變;電廠通過2條66 kV母線、4條10 kV母線、2條6.3 kV母線向外供電;通過4條6 kV母線提供廠用電。5臺發(fā)電機中,3臺通過10.5 kV母線接升壓變壓器上網,2臺通過單元接線接變壓器上網,其中1臺單元接線發(fā)電機出口通過分支電抗器轉供1條廠用6 kV母線;其余3條廠用6 kV母線通過電纜接至6.3 kV母線,經由2臺降壓變接至10.5 kV母線。為限制短路電流,兩條10.5 kV母線通過母聯電抗器互聯。另有一臺廠高備變從66 kV母線直接降壓并通過電纜接至4個廠用6 kV母線段作為倒廠用負荷時的備用供電電源。

2.2 等值參數模型

為進行發(fā)電廠內的潮流計算,需先對接線進行簡化,以便在計算軟件中建立等值參數模型。

現將接線中性質相同的負荷進行合并,4個向外供電的10 kV母線以負荷的形式簡化,在變壓器出口及廠高備變低壓側至廠用6 kV母線段的關鍵位置增加虛擬母線。在PSASP 6.29仿真系統中建立完成的發(fā)電廠等值參數模型,如圖2所示。

圖2中，6013、6014、6015、6016、100、654是6組開關,在正常運行方式下,這6組開關是斷開的,即廠高備變不接4個6 kV母線段,10.5 kV和6.3 kV的兩段母線分別獨立運行。

2.3 廠內電磁環(huán)網分析

2.3.1 升壓主變并列運行

當2號或3號主變中的一臺進行檢修時,須閉合開關100,將其下掛的10.5 kV母線段負荷通過母聯電抗器轉移至另一段上,此過程存在兩臺升壓主變并列運行形成的電磁環(huán)網。這種情況下,環(huán)網中的設備為變壓器和電抗器,因此可以通過調節(jié)變壓器較容易地控制兩臺主變的端電壓,使其達到一致,即產生的均衡電流在可控的范圍內。

圖2 發(fā)電廠等值參數模型

2.3.2 升、降壓主變并列運行

當4號或5號降壓變中的一臺進行檢修時,須閉合開關654,將其下掛的6.3 kV母線段負荷通過母聯開關轉移至另一段上,此過程存在兩臺升壓主變各自帶兩臺降壓變并列運行形成的電磁環(huán)網。這種情況下,環(huán)網中的設備只有4臺變壓器,因此可以通過調節(jié)變壓器較容易地控制兩臺降壓變的端電壓,使其達到一致,即產生的均衡電流也在可控的范圍內。

2.3.3 廠高備變投切倒廠用負荷

當廠用6 kV母線段的電源電纜(即從6.3 kV母線引出線)檢修,須閉合6013～6016中與該廠用母線對應的開關,將該段廠用6 kV母線上的負荷轉移至廠高備變供電,此時將形成以主變、降壓變、電源電纜、廠高備變、廠高備變低壓側電纜等元件組成的電磁環(huán)網。在這種情況下,由于廠用6 kV母線的電源電纜相對較長,因此其母線電壓受所帶負荷的影響較大。當所帶負荷偏大時,電源電纜的電流偏大,引起壓降偏大,母線電壓就偏低,反之則相反。即使廠高備變的出線電纜的端電壓可以控制,但受廠用母線電壓的影響,合環(huán)點的電位差也會存在較大波動。

3 廠高備變投切過程電磁環(huán)網算例

根據市供電公司調控中心的規(guī)定,該廠內的4條廠用6 kV母線段,最多只能有2條同時由廠高備變轉帶。在2～5號變壓器中,若有一臺檢修時,則對不同的運行方式,將會有多種負荷轉帶情況,如表1所示。

表1 不同運行方式下負荷轉帶情況統計

對于上述50種情況進行均衡電流和環(huán)網潮流的計算,這里無法一一列舉,只選取一種對安全運行影響較大的典型情況進行分析。考慮全開機大負荷方式,當5號降壓變檢修停運且IV段廠用母線已經由廠高備變轉帶后,III段廠用母線倒負荷的情況。

在III段廠用母線合環(huán)開關6015閉合前,用仿真系統計算出各線路電流和母線電壓分布情況,如圖3所示。

圖3 廠用III段母線合環(huán)前潮流分布 (單位:kA、kV)

Fig.3 Power flow distribution of auxiliary power III segment bus bar before closed loop

從圖3可以看出,廠用Ⅲ段母線合環(huán)前開關6015兩側的電位差標幺值ΔU*=0.0485。合環(huán)后,2號主變、4號降壓變、Ⅲ段母線電源電纜、廠高備變低壓側電纜、廠高備變組成了電磁環(huán)網,其環(huán)路阻抗標幺值經計算為∑Z*=0.0809+j1.3731。因此合環(huán)后產生的均衡電流標幺值[5]為

轉換為有效值為

其中,IB為線電流的基準值。合環(huán)后用仿真系統計算各線路電流和母線電壓分布情況如圖4所示。

圖4 廠用III段母線合環(huán)后潮流分布 (單位:kA、kV)

Fig.4 Power flow distribution of auxiliary power III segment bus bar after closed loop

從圖4中可見,在這種運行方式下進行合環(huán),所產生的均衡電流與負荷電流進行幾何疊加后造成III段母線的電源電纜流過的電流顯著增大,極易造成該線路過負荷而引發(fā)連鎖事故。

4 均衡電流控制措施

電磁環(huán)網中產生的均衡電流對發(fā)電廠的經濟運行和安全運行均會產生不利影響,如何將其控制在一定范圍內是合環(huán)前必須考慮的問題。從式(5) 中可知,控制均衡電流須從控制合環(huán)點電位差和環(huán)路阻抗兩個方面入手:1)通過調節(jié)變壓器分接頭、在低壓母線做無功補償減小壓降，調整負荷改變運行方式等方法控制電位差;2)通過增加限流電抗器等方法增大環(huán)路阻抗。

此外,在改變輸電網電磁環(huán)網運行參數上,國外已廣泛應用柔性控制技術[6],這也為解決發(fā)電廠內部電磁環(huán)網問題開了一扇窗,在兼顧經濟性的同時,也可考慮引入此技術進行創(chuàng)新嘗試。

5 結 語

本文對廠內不同運行方式下出現的50種電磁環(huán)網進行了分析和計算,得到了最大均衡電流為415 A,平均值維持在150 A左右。

由于在發(fā)電廠內形成的電磁環(huán)網環(huán)路阻抗較小,即使合環(huán)點兩側電壓的輕微波動也會使均衡電流產生較大變化,在不同的開機及負荷條件下,均衡電流值將在一個較大的范圍內浮動,因此上述計算結果僅作為選擇設備和調整運行方式時的參考,在實際生產中,針對特定的運行情況還需做進一步的計算分析,以確定是否存在合環(huán)條件。

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(責任編輯 郭金光)

Analysis of electromagnetic looped networks inside the power plant

LIU Zhiyang1, SONG Hangxuan1, LU Hang2, DONG Erjia1

(1. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2. State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited, Harbin 150090, China)

This paper analyzed the new electrical connections and parameters after technical reformation of a power plant affiliated to China Huadian Corporation, established the equivalent model, classified and discussed the electromagnetic looped networks which were generated under different operation modes, calculated the example under 50 different conditions, and on the basis of the results gave suggestions on how to control the equilibrium current effectively.

equivalent model; operation mode; electromagnetic looped network; equilibrium current

2015-08-19。

劉智洋(1984—),男,工程師,主要研究方向為電網運行方式計算、電網穩(wěn)定計算、電力供需、電網大數據統計及應用。

TM712

A

2095-6843(2016)01-0011-04