西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題分析及解決措施研究

鄭 勇，張立峰,晏小彬，何志強(qiáng)

(1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000)

西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題分析及解決措施研究

鄭 勇1，張立峰2,晏小彬1，何志強(qiáng)1

(1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000)

西藏中部電網(wǎng)“十三五”期電力負(fù)荷增長(zhǎng)迅猛，但電源建設(shè)滯后，冬季受電比例較高，暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題較為突出。深入研究了西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題的機(jī)理和影響因素，分析表明感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直流換流站在電網(wǎng)暫態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的無(wú)功需求會(huì)惡化受端系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合分析本地的優(yōu)勢(shì)資源以及電網(wǎng)側(cè)可采取的穩(wěn)定措施，其中新建光熱電站、調(diào)相機(jī)等措施均能有效地抑制中部電網(wǎng)電壓失穩(wěn)，提高中部電網(wǎng)的受電能力。

西藏中部電網(wǎng)；暫態(tài)電壓穩(wěn)定；感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；調(diào)相機(jī)

0 引 言

目前，西藏電網(wǎng)由西藏中部電網(wǎng)、昌都電網(wǎng)和阿里電網(wǎng)共“一大兩小”3個(gè)電網(wǎng)組成。其中西藏中部電網(wǎng)覆蓋西藏中部拉薩、日喀則、山南、那曲和林芝等地區(qū)，是西藏電網(wǎng)的主要負(fù)荷中心。目前西藏中部電網(wǎng)通過(guò)1回±400kV直流線路與西北電網(wǎng)相連。2018年左右將建成西藏中部電網(wǎng)與昌都電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程及拉林鐵路配套供電工程，實(shí)現(xiàn)西藏中部電網(wǎng)、昌都電網(wǎng)和四川電網(wǎng)的500kV交流互聯(lián)，形成西藏—四川同步電網(wǎng)。

西藏中部電網(wǎng)冬季電源出力較小，區(qū)外電力送入比例較大，規(guī)劃藏中電網(wǎng)四川電網(wǎng)2回550kV交流聯(lián)網(wǎng)線路長(zhǎng)約1 400 km，通道缺乏電源支撐，自身動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力較差；加上主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，“十三五”新增工業(yè)負(fù)荷占比又較大，受端電網(wǎng)內(nèi)部220kV線路三相短路故障后暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題較為突出。

下面對(duì)2018年西藏中部電網(wǎng)經(jīng)昌都電網(wǎng)與四川電網(wǎng)的交流聯(lián)網(wǎng)通道建成后的冬大方式進(jìn)行電壓穩(wěn)定分析，詳細(xì)討論西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)的影響因素，分析提高其穩(wěn)定的措施，為電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)以及運(yùn)行提供參考。

1 計(jì)算模型和工具

1)負(fù)荷模型

負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性具有復(fù)雜的影響[1-5]。目前西藏電網(wǎng)調(diào)度部門均采用綜合動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，常規(guī)負(fù)荷感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比例為30%，工業(yè)負(fù)荷感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比例為70%。“十三五”期中部電網(wǎng)工業(yè)負(fù)荷所占總負(fù)荷比例將從35%提高到50%，主要有巨龍銅礦(220 MW)和華泰龍銅礦(110 MW)專用變壓器接入墨竹工卡220kV變電站，雄村銅礦(86 MW)專用變壓器間接接入多林220kV變電站。為分析 “十三五”期大型工業(yè)負(fù)荷對(duì)西藏中部電網(wǎng)的影響，負(fù)荷類型選擇兩種比例的負(fù)荷：Ⅰ 類全網(wǎng)采用30%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷和70%的靜態(tài)負(fù)荷模型；Ⅱ 類大型工業(yè)負(fù)荷采用70%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷+30%的靜態(tài)負(fù)荷，剩余負(fù)荷構(gòu)成為30%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型和70%的靜態(tài)負(fù)荷模型。其中靜態(tài)負(fù)荷模型按照25%恒阻抗+55%恒電流+20%恒功率分配。

2)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定影響較大[6]，計(jì)算基礎(chǔ)模型考慮已建或已批準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，包括拉薩220kV環(huán)網(wǎng)和藏中交流聯(lián)網(wǎng)通道的SVC裝置。

3)直流模型

直流暫態(tài)過(guò)程中的無(wú)功需求遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行[7]，直流模型采用青藏直流的實(shí)際控制參數(shù)，包括低壓限流環(huán)節(jié)和換向失敗模型。

4)計(jì)算工具和指標(biāo)

分析計(jì)算工具采用中國(guó)電科院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析軟件(BPA)。擾動(dòng)切除后電壓低于0.75 p.u.，持續(xù)超過(guò)50 Hz為電壓失穩(wěn)，擾動(dòng)切除后電壓持續(xù)不可逆轉(zhuǎn)地下降至0.5 p.u.以下為電壓崩潰[8]。

2 暫態(tài)電壓穩(wěn)定主要影響因素

2.1 系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析

西藏中部電網(wǎng)2018年冬大方式分析結(jié)果表明Ⅰ類負(fù)荷模型西藏中部電網(wǎng)單一故障不會(huì)引起電壓穩(wěn)定問(wèn)題，Ⅱ類負(fù)荷模型墨竹至電源或換流站的線路單一故障會(huì)造成電網(wǎng)末端電壓失穩(wěn)或崩潰。表1中給出了藏中電網(wǎng)主要故障的分析結(jié)果。

表1 系統(tǒng)故障穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

青藏直流單極閉鎖后原青藏直流輸送潮流轉(zhuǎn)移至藏中—四川交流聯(lián)網(wǎng)通道，故障前交流聯(lián)網(wǎng)通道芒康—林芝段送電約400 MW，單極閉鎖后聯(lián)網(wǎng)通道承擔(dān)轉(zhuǎn)移功率240 MW，芒康、波密和雅中均配置了120 Mvar的SVC，系統(tǒng)無(wú)暫態(tài)電壓跌落；此時(shí)芒康—沃卡500kV交流聯(lián)網(wǎng)通道以及藏中220kV環(huán)網(wǎng)配置的SVC無(wú)功出力能夠滿足潮流轉(zhuǎn)移所需的動(dòng)態(tài)無(wú)功需求，兩種負(fù)荷模型下系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

500kV交流聯(lián)網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，交流系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)電壓跌落，故障點(diǎn)離負(fù)荷中心和換流站均相對(duì)較遠(yuǎn)；且林芝和山南500kV下網(wǎng)點(diǎn)均有一定的電源支撐。故障切除后負(fù)荷中心和換流站電壓迅速恢復(fù)至0.75 p.u.，電網(wǎng)儲(chǔ)備的動(dòng)態(tài)無(wú)功能夠滿足此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷以及直流暫態(tài)恢復(fù)的無(wú)功需求，兩種負(fù)荷模型下系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

區(qū)內(nèi)220kV電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，Ⅰ類負(fù)荷模型的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性較好；Ⅱ類負(fù)荷模型系統(tǒng)末端的日喀則電網(wǎng)電壓失穩(wěn)或崩潰。電壓崩潰故障控制點(diǎn)位于墨竹工卡附近。交流聯(lián)網(wǎng)通道落點(diǎn)以及主要電源支撐主要位于山南和林芝，負(fù)荷中心和換流站位于拉薩。墨竹工卡是山南和林芝至拉薩負(fù)荷中心220kV送電通道的重要樞紐站，220kV送電通道墨竹工卡側(cè)三相短路造成最大范圍的電壓跌落。故障切除后系統(tǒng)電壓約0.5～0.6 p.u.，SVC最大出力下降約70%，負(fù)荷和換流站暫態(tài)無(wú)功需求增大，系統(tǒng)電壓恢復(fù)困難，末端電壓崩潰。墨竹—沃卡三相短路故障后系統(tǒng)主要節(jié)點(diǎn)電壓如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)電壓曲線

2.2 主要影響因素

1)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比例較高是中部電網(wǎng)電壓失穩(wěn)的主要原因，暫態(tài)擾動(dòng)后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)將經(jīng)歷機(jī)械和電磁相互耦合、相互作用的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程。中部電網(wǎng)負(fù)荷中心電壓恢復(fù)困難，末端的日喀則電網(wǎng)缺乏支撐。墨竹—沃卡三相短路后雄村和巨龍的無(wú)功負(fù)荷如圖2所示，位于日喀則電網(wǎng)的雄村銅礦負(fù)荷無(wú)功需求增大至擾動(dòng)前的3倍，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將快速降低直至“堵轉(zhuǎn)”。

圖2 節(jié)點(diǎn)無(wú)功負(fù)荷曲線

2)直流換流站暫態(tài)后無(wú)功需求

在穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，直流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率由換流站濾波器組提供，與交流系統(tǒng)基本不發(fā)生無(wú)功交換；但在故障后暫態(tài)過(guò)程中，直流系統(tǒng)所消耗的無(wú)功功率遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而濾波器組發(fā)出的無(wú)功功率與母線電壓平方成正比。如當(dāng)電壓跌至0.7 p.u.時(shí)，靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償將降至50%，直流系統(tǒng)將從交流系統(tǒng)吸入大量無(wú)功功率，惡化交流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定特性。若交流系統(tǒng)強(qiáng)壯，可提供足夠的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，則影響不大；但對(duì)藏中電網(wǎng)而言，系統(tǒng)規(guī)模較小，如圖3所示，墨竹—沃卡三相短路后暫態(tài)恢復(fù)期間換流站從電網(wǎng)吸收的無(wú)功最高達(dá)到135 Mvar，青藏直流系統(tǒng)的無(wú)功電壓特性對(duì)西藏中部電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性有重要影響。

圖3 換流站從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率

綜上所述，網(wǎng)內(nèi)220kV電網(wǎng)三相短路故障系統(tǒng)暫態(tài)電壓跌落，網(wǎng)內(nèi)電源支撐較弱，SVC出力受限，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷誘發(fā)系統(tǒng)電壓失穩(wěn)；此外直流功率恢復(fù)需要吸收大量的無(wú)功，進(jìn)一步惡化了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

3 解決措施研究

3.1 措施可實(shí)施性分析

采用Ⅱ類負(fù)荷模型時(shí)西藏中部電網(wǎng)存在暫態(tài)電壓失穩(wěn)，主要原因是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷所占比例較大、直流換流站暫態(tài)后無(wú)功需求增大、網(wǎng)內(nèi)特別是電網(wǎng)末端電源支撐較弱缺乏足夠的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐。為提高電網(wǎng)枯期暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，可選擇的措施主要有3類：1)增加電源；2)增加調(diào)相機(jī)；3)裝設(shè)SVC或SVG等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

1)增加電源

西藏水能、地?zé)帷⑻?yáng)能和風(fēng)能等可再生資源十分豐富，化石能源缺乏。區(qū)內(nèi)規(guī)劃電源主要有水電、光伏、光熱、風(fēng)電以及燃?xì)鈾C(jī)組，其中水電、地?zé)帷⒐鉄岷腿紮C(jī)可以有效增強(qiáng)枯期電源支撐。但是地?zé)豳Y源遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，建設(shè)工期長(zhǎng)，目前只能小規(guī)模開發(fā)；水電站建設(shè)工期長(zhǎng)，建設(shè)難度相對(duì)較大，規(guī)劃電源提前建成難度較大。故“十三五”期增加電源方案可用的解決措施如下：

①光熱電站

光熱電站類似于常規(guī)火電站具有出力平穩(wěn)、可參與調(diào)峰、有效改善電源結(jié)構(gòu)、建設(shè)周期相對(duì)較短等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)《十三五西藏太陽(yáng)能熱發(fā)電規(guī)劃》，西藏中部的日喀則、山南和拉薩等地區(qū)均具備建設(shè)大規(guī)模光熱電站的條件。可在末端的日喀則電網(wǎng)建設(shè)200 MW光伏電站接入多林或羊湖220kV變電站。

②燃?xì)怆娬?/p>

規(guī)劃“十三五”期建設(shè)格拉輸氣管道，屆時(shí)在燃料供應(yīng)充裕時(shí)可將拉薩1號(hào)燃油機(jī)組改為燃?xì)鈾C(jī)組；同時(shí)建設(shè)2號(hào)燃?xì)鈾C(jī)組。2臺(tái)燃機(jī)均通過(guò)燃乃線接入乃瓊220kV變電站。

③電源多開機(jī)

西藏中部電網(wǎng)電源以水電為主，電源多開機(jī)有2種方式：一是部分水電機(jī)組調(diào)相運(yùn)行[9]，目前羊湖電廠具備調(diào)相機(jī)運(yùn)行的條件；二是水電機(jī)組采用低負(fù)荷方式，西藏大部分水電機(jī)組避開振動(dòng)區(qū)的穩(wěn)定出力范圍在額定出力的45%～100%[10]。在旁多和藏木等主力水電站能夠適應(yīng)調(diào)相機(jī)運(yùn)行或者機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行情況下，水電多開機(jī)組約250 MW。

2)調(diào)相機(jī)

同步調(diào)相機(jī)在1～2 s內(nèi)無(wú)功出力可達(dá)到其額定容量的2倍以上，為系統(tǒng)提供無(wú)功電壓支撐，提高電壓穩(wěn)定性。朗塘換流站站外具備擴(kuò)建同步調(diào)相機(jī)的條件，考慮在換流站擴(kuò)建2臺(tái)100 Mvar調(diào)相機(jī)。

3)SVC

除新建電源、調(diào)相機(jī)或電源多開機(jī)等方案外，可采用SVC等快速響應(yīng)的FACTS設(shè)備提高受端電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力。朗塘換流站具備站外擴(kuò)建SVC的條件，考慮在朗塘建設(shè)200 Mvar的SVC。

3.2 措施效果比較

針對(duì)Ⅱ類負(fù)荷模型分別采用上述措施后，西藏中部電網(wǎng)末端電壓曲線如圖4所示，結(jié)果表明上述措施均能有效提高西藏中部電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

圖4 電網(wǎng)末端電壓曲線

對(duì)于增加電源類方案，電網(wǎng)末端建設(shè)光熱電站接入多林220kV變電站的系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性明顯優(yōu)于羊湖和乃瓊220kV變電站接入新增電源或電源多開機(jī)方案，西藏中部電網(wǎng)電源建設(shè)于電網(wǎng)末端更有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

對(duì)于上述3類方案，由于調(diào)相機(jī)1～2 s內(nèi)無(wú)功出力可達(dá)到其額定容量的2倍以上，SVC或SVG無(wú)功出力和電壓的平方成正比，受參數(shù)等多方面因素的限制發(fā)電機(jī)無(wú)功出力比調(diào)相機(jī)小。在3類方案接入點(diǎn)和規(guī)模基本相當(dāng)時(shí)，調(diào)相機(jī)方案的系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性明顯優(yōu)于其余方案。

4 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)西藏中部電網(wǎng)2018年冬大運(yùn)行方式暫態(tài)電壓穩(wěn)定分析，結(jié)果表明：

1)中部電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)220kV電網(wǎng)三相短路故障后，由于網(wǎng)內(nèi)電源支撐較弱，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比例較大以及直流功率恢復(fù)需要吸收大量的無(wú)功導(dǎo)致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。

2)結(jié)合西藏資源條件，“十三五”期建設(shè)光熱、燃機(jī)、調(diào)相機(jī)、SVC以及電源多開機(jī)等措施均可增強(qiáng)西藏中部電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，有效提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。西藏中部電網(wǎng)電源建設(shè)于電網(wǎng)末端的日喀則電網(wǎng)更有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，同等規(guī)模下調(diào)相機(jī)方案的電源支撐和電壓穩(wěn)定性優(yōu)于增加電源方案和SVC方案。

3)建議“十三五”期在換流站建設(shè)一定容量的調(diào)相機(jī)，應(yīng)鼓勵(lì)建設(shè)一定規(guī)模的光熱電站，新建發(fā)電機(jī)組應(yīng)具備低負(fù)荷運(yùn)行能力；調(diào)度安排運(yùn)行方式時(shí)應(yīng)盡量降低單臺(tái)機(jī)組出力，增大中部電網(wǎng)開機(jī)容量。新增工業(yè)負(fù)荷應(yīng)盡可能降低感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的使用比例。

[1] 西藏地區(qū)大中型礦業(yè)負(fù)荷特性對(duì)聯(lián)網(wǎng)通道穩(wěn)定性的影響研究[R]．北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2015．

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鄭 勇(1975)，碩士、高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作；

張立峰(1978)，碩士、高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)技術(shù)與控制；

晏小彬(1987)，碩士、工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作；

何志強(qiáng)(1979)，碩士、高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

Power load of central Tibet power grid will be growing rapidly in 13th Five-Year period, but the power construction lags, the proportion of receiving power in winter will be higher, and the transient voltage stability problem is much more outstanding. The mechanism and influencing factors of transient voltage stability problem in central Tibet power grid are deeply studied. The analysis shows that the reactive power demand of induction motor and DC converter station will worsen the stability of the receiving system in the process of transient recovery. The advantages of local resources and the stability measures on grid side are comprehensively analyzed, wherein newly-built solar-thermal power generation stations and synchronous condenser can effectively restrain the voltage instability of central power grid and increase the power receiving capability of central power grid.

central Tibet power grid; transient voltage stability; induction motor; synchronous condenser

TM712

A

1003-6954(2017)02-0071-04

2016-10-18)