天然氣能源站接入電網的運行方式及其穩定性研究

王龍，曹建偉，鄭攀東，張怡心，董曉燕

（1.國網浙江省電力公司湖州供電公司，浙江湖州313000；2.湖州電力設計院有限公司，浙江湖州313000）

輸配電技術

天然氣能源站接入電網的運行方式及其穩定性研究

王龍1，曹建偉1，鄭攀東2，張怡心2，董曉燕2

（1.國網浙江省電力公司湖州供電公司，浙江湖州313000；2.湖州電力設計院有限公司，浙江湖州313000）

大規模天然氣內燃機組接入將對電網的穩定運行和運行方式制定產生較大影響。為分析天然氣機組接入對電網的影響，基于天然氣能源站的兩種不同運行方式，分析了能源站接入對電網暫態穩定運行的影響。研究得到能源站機組的故障切除極限時間和穩定控制策略，可為大規模天然氣能源站接入電網的工程設計提供理論指導。

節能減排；暫態穩定；極限切除時間；數字仿真；運行方式

0 引言

隨著氣候環境的日益惡化，如何利用和發展清潔能源是近些年國內外專家和學者的重要研究內容[1-3]。為優化能源結構，最大限度地減少能源使用對環境的影響，浙江省提出“節能優先、結構多元、環境友好”的可持續發展戰略。天然氣作為非常重要的一種清潔能源，可利用冷熱電三聯供方式，實現節能減排，預計在浙江省未來幾年的能源利用比例將大幅度提高[4-5]。

文獻[6-10]討論了大規模天然氣機組并網發電將對電網潮流分布和短路水平的影響，但對于系統機組的暫態穩定問題沒有涉及。

為分析天然氣能源站不同運行方式的特性，及其接入對電網暫態穩定的影響，為今后大規模天然氣能源站接入電網工程提供理論指導和參考依據，以浙江A市電網數據為基礎，以某天然氣能源站為研究對象，研究天然氣能源站接入對電網暫態穩定的影響，對比分析不同運行方式的特性，為天然氣發電并網的運行方式選擇提供參考。

1 系統參數

A市2015年夏季典型日的最大負荷為3 250 MW，系統機組出力為2 700 MW，在運行的重要電站有5座，其關鍵參數如表1所示。

某天然氣能源站（以下簡稱能源站），配置有單機容量為4.3 MW的內燃發電機組9臺，總裝機容量34.4 MW，通過2×63 MVA主變壓器（以下簡稱主變）接入A市電網，能源站的電壓等級為110 kV/10 kV。能源站內的Ⅰ段母線帶有負荷25.3 MW，Ⅱ段母線帶有負荷19.5 MW，站內各機組型號均相同，其關鍵參數如表2所示。

表1 A市重要電站的機組關鍵參數

表2 能源站單臺機組的關鍵參數

能源站通過2回110 kV線路接入電網，其中1回通過專線接入英溪變電站，1回T接到英溪-莫梁線，其接入后的A市輸電網電壓分布如圖1所示。

分析圖1可知，能源站接入A市電網，A市電網的各變電站母線電壓水平均在合理范圍內。

基于表1、表2的發電機組數據和圖1的電網網架，下面進行能源站的運行方式分析和電網暫態穩定研究。

圖1 能源站接入后的系統電壓分布

2 運行方式分析

能源站的110 kV和10 kV母線均采用雙母分段方式，其運行方式有分列、并列2種，下面依次討論這2種運行方式的不同特性。

2.1 分列運行

能源站的分列運行如圖2所示。分析圖2可知，分列運行時，能源站Ⅰ段母線和Ⅱ段母線的機組與負荷屬于2個獨立子系統，當Ⅰ段發生故障時，只需對Ⅰ段進行操作，Ⅱ段不受影響；反之亦然。

圖2 能源站分列運行示意

2.2 并列運行

能源站的并列運行如圖3所示。從圖3可看出，并列運行時，能源站Ⅰ段母線和Ⅱ段母線的機組與負荷屬于1個系統，當Ⅰ段發生故障時，Ⅱ段將受到影響；反之亦然。

圖3 能源站并列運行示意

2.3 分列、并列方式比較

分列運行與并列運行時的主要指標對比結果如表3所示。

表3 分列與并列運行的主要指標對比

分析表3可得，相對于并列運行，分列運行時的機組穩定性和供電可靠性較低，但其短路電流小，一旦發生故障（不考慮故障操作），其故障面積比并列運行的故障面積小，且繼保設備的投資少；并列運行所需的投資高，但其運行時的機組穩定性和供電可靠性相對較高。

2)無人機航測數據獲取速度快、影像分辨率高，在稀土開采監測中有不可比擬的優勢，已成為稀土開采動態監測的重要手段。

下面依次分析能源站內的機組和電網大機組在分列、并列2種運行方式下的暫態穩定性。

3 穩定性分析

考慮到英溪線和英莫線發生的概率相等，且站內其他設備故障時的電網運行工況相似，下面僅就英溪線發生三相短路永久故障情況進行系統穩定性分析。

3.1 分列運行

分列運行，且發生故障，2 s切除故障時的系統大機組功角曲線如圖4所示。分析圖4可知，分列運行的能源站出口線路發生故障不會影響系統大機組的穩定運行。

英溪線發生故障，0.15 s切除后的站內機組功角曲線如圖5所示。

圖4 2 s切除故障時的系統機組功角曲線

圖5 0.15 s切除故障時的站內機組功角曲線

0.15 s為繼電保護切除故障的極限時間，分析圖5可知，英溪線發生故障時，Ⅰ段母線上的機組功角將越來越大，即Ⅰ段母線上5臺的機組均將失穩。此情況下，能源站Ⅰ段母線上的機組將被切除，其中斷向電網供電，且Ⅰ段母線上的負荷供電亦被中斷。Ⅱ段母線上的機組功角差越來越小，即Ⅱ段母線上的4臺機組仍然穩定運行，其繼續向系統供電。此結論驗證了2.1節分析結果的正確性。

3.2 并列運行

結合3.1的分析結論可知，能源站在并列、分列運行發生故障情況下，系統大機組均是穩定性的。

并列運行，能源站出口發生故障時，故障切除及時，則站內的機組可繼續穩定運行；如果故障切除不及時，則站內的機組將失穩退出運行。

故障在極限時間前后切除時的站內機組功角曲線如圖7所示。經過理論計算和實際仿真分析可知，本算例中，故障的極限切除時間是0.20 s，即11個周波。當出口線路發生三相短路永久故障時，如果0.20 s內切除故障，則能源站內的機組均可繼續穩定運行，如圖7的虛線所示，站內機組的功角曲線收斂；如果超過0.20 s再切除故障，則能源站內的機組均失穩定運行，如圖7的實線所示，站內機組的功角曲線發散。

圖6 2 s切除故障時的站內機組功角曲線

圖7 極限時間前后切除時的站內機組功角曲線

基于上述分析結論，為實現故障在0.20 s切除，則需要在能源站出口線路側安裝一套光線差動保護裝置。

4 結論

以浙江A市電網數據為基礎，以某天然氣能源站為研究對象，研究得到如下結論：

（1）分列運行時的站內負荷供電可靠性較低，并列運行時的站內負荷供電可靠性相對較高；分列運行發生短路時的高/低壓側短路電流值小，并列運行發生短路時的高/低壓側短路電流值相對較大；分列運行時發生故障時的故障面積相對較小，并列運行時，如果故障切除不及時，則其故障面積相對較大。

（2）為保證故障能夠及時切除，并列運行需安裝一套光差保護，其繼保投資費用相對更高。

（3）小容量天然氣能源站接入電網，不影響原電網大機組的暫態穩定運行。

（4）分列運行時，出口線路側發生故障，則故障側母線的機組將失穩，非故障側母線的機組繼續穩定運行。

（5）并列運行時，出口線路側發生故障，故障在極限切除時間內切除，則站內的機組將繼續穩定運行。

研究結論可為天然氣能源站的運行方式選擇提供參考，為其接入對電網暫態穩定影響分析提供理論指導。在研究過程中，能源站內的機組容量設為固定，分析能源站配置不同容量機組時的經濟收益，是今后的研究重點。

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（本文編輯：陸瑩）

Research on Operation Mode and Stability of Natural Gas Energy Station Integrated into Power Grid

WANG Long1，CAO Jianwei1，ZHENG Pandong2，ZHANG Yixin2，DONG Xiaoyan2
（1.State Grid Huzhou Power Supply Company，Huzhou Zhejiang 313000，China；2.Huzhou Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Huzhou Zhejiang 313000，China）

The integration of large scale natural gas engine units has a great impact on operation stability and operation mode of power grid.In order to analyze the impact of natural gas engine units on power grid，the influence of energy station on transient operation stability of power grid is analyzed based on the two different operation modes of natural gas energy station.Critical fault clearing time and stability control strategy of the energy station engine units are concluded through the research to provide theoretical guidance for engineering design of the integration of large scale natural gas energy station into power grid.

energy saving and emission reduction；transient stability；critical clearing time；digital simulation；operation mode

10.19585/j.zjdl.201705001

：1007-1881（2017）05-0001-04

：TM712

：A

2016-11-07

王龍（1983），男，碩士，工程師，主要研究方向為電網規劃設計。