2×660 MW機組接入區域電網系統安全穩定分析及對策研究

黎勁松，劉偉航，楊寶起，陳志英，高玉喜，王新寶

(1.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

石河子電網是新疆生產建設兵團農八師專屬220 kV區域電網[1]，通過兩回110 kV線路與新疆主網弱聯網。截至2016年底，全網裝機容量達674.7萬kW，最大負荷需求達360萬kW，其負荷密集并且主要為大中型工業用戶。為改善電網潮流分布、提高電網投資效益和電廠發電效益、降低網損，計劃2017年5月天富電廠2×660 MW機組投入運行，由于單機容量相對區域電網容量大，石河子電網 “大機大負荷小網”[2]特征更加明顯。

隨著660 MW機組投產以及網架的不斷變化，將引起石河子電網的機網協調和安全穩定控制等方面的一系列問題。機組投運后調峰將更加困難，電熱矛盾進一步加劇。電源增長速度大于負荷增長，660 MW機組投運將會嚴重擠壓小火電的開機，嚴重影響區域電網的電壓穩定以及低頻減載、高頻切機方案；冬季方式下660 MW機組投運后需要關停南熱電廠、天河電廠機組，冬季供熱無法保證。針對石河子電網“大機大負荷小網”特點，660 MW機組跳閘后沒有足夠的可切負荷量等。為保證石河子電網的安全穩定運行，660 MW機組投運區域電網[3-4]引發的問題亟待解決。

本文結合石河子電網現狀和發展規劃，對電網安全運行風險點進行梳理，在機組投運對石河子電網潮流分布、短路電流及暫態穩定等方面的影響進行對比分析和研究，提出應對660 MW機組投運后石河子電網安全穩定控制優化方案及運行方式調整指導建議。

1 計算邊界條件

電網運行方式考慮石河子電網與新疆主網聯網、石河子電網孤網運行兩種方式。結合電網的電源及負荷特性，夏大、冬大及冬小典型方式均需考慮。

石河子電網工業負荷主要為鋁業負荷和硅業負荷，采用90%恒電流負荷+10%感應電動機負荷；其他為農業、居民生活負荷，采用40%～70%的感應電動機負荷+30%～60%恒阻抗負荷。

發電容量為50 MW及以上的火電機組，25 MW及以上的水電機組模型采用Eq’，Eq”，Ed”變化5階詳細模型；發電容量50 MW以下的火電機組，25 MW以下的水電機組采用1型同步機模型即：Eq’恒定的2階模型。

暫態穩定計算中220 kV線路三相永久性故障：故障后0.12 s跳開故障線路兩側三相開關。

依據《電力系統安全穩定導則》的規定，電網穩定判斷標準包括功角穩定、電壓穩定、頻率穩定和熱穩定[5-6]。

采用中國電科院的PSASP 7.21版綜穩程序。

2 660 MW機組投運后系統潮流分析

2.1 機組投運后電網運行方式

根據石河子電網現狀及十三五規劃[7]，天富電廠2×660 MW機組投運后電網運行方式如圖1所示。

圖1 天富電廠機組投運后電網運行方式示意

方式1：天富電廠2×660 MW機組均投運接入220 kV聯眾變，石河子電網通過110 kV瑪東雙線與新疆電網相連。

方式2：根據十三五規劃新建220 kV欣旺變，欣旺變串接入南熱電-綠洲線和南熱電-天河線，新建220 kV欣旺變-天河雙線，取消南熱電-綠洲線，天富電廠母線分列運行，一臺660 MW機組接入聯眾變，一臺660 MW機組接入欣旺變，石河子電網通過110 kV瑪東雙線與新疆電網相連。

方式3：欣旺變投運，斷開220 kV聯眾-綠洲雙線，天富電廠母線并列運行，2×660 MW機組均投運并且同時接聯眾變和欣旺變，石河子電網通過110 kV瑪東雙線與新疆電網相連。

2.2 潮流對比分析

夏大、冬大方式下受夏季水電開機、冬季火電供熱的影響，以及合盛、天鋁子系統發電負荷自平衡等的影響，天富2×660 MW機組投運，必須關停220 kV側南熱電廠、天河電廠機組，對220 kV側的潮流轉移等產生較大的影響，還控制剩余機組出力使得瑪東雙線上下網潮流不超過100 MW。同時，為使得短路電流水平不超標、潮流分布合理、避免“N-1”過載及避免運行控制復雜化，需采取220 kV/110 kV電磁環網解環。

在夏大方式下，圖1中的三個運行方式，石河子電網機組總出力為367萬kW，總負荷為352.8萬kW，瑪東雙線上網80 MW。由于110 kV電網內水電大發、光伏發電以及火電機組出力，可通過綠洲變斷開110 kV側或者南熱電變高停運來實現電磁解環，圖1中運行方式1下為避免天富電廠～聯眾I、II線“N-1”后過載，需控制天富660 MW電廠機組出力總和不超過800 MW；圖1中運行方式2、方式3下需控制天富660 MW機組出力總和不超過960 MW滿足“N-1”原則。

夏大方式下，民用負荷較大同時110 kV側小火電停運導致110 kV電壓支撐較弱，光華變下電網潮流重，作為末端電網的光華變所屬區域電壓偏低，當前電網內發電機無功出力較大，功率因數較低，只考慮通過投入并聯電容器、退出并聯電抗器等措施，不建議通過提高發電機勵磁電壓來改善電壓水平。

圖1中的三個運行方式，在冬大方式下，石河子電網機組總出力為322萬kW，總負荷為314萬kW，瑪東雙線上網60 MW；在冬小方式下，石河子電網機組總出力為291萬kW，總負荷為290萬kW，與新疆主網聯絡功率為零。由于冬季110 kV側小火電受供暖影響需全開，而水電機組因冬季缺水出力很小，光伏出力小，下網功率較大，需通過南熱電變高停運來實現電磁解環，可避免“N-1”過載，但與新疆主網的電氣連接變弱。天富660 MW機組出力控制原則同夏大方式一樣。

冬大、冬小方式，民用負荷較輕，發電機的功率因數比夏大方式更低，110 kV線路輕載，末端電網的光華變所屬區域電壓偏高，可通過調整220 kV廠站的變壓器擋位使110 kV側的無功更多地涌向220 kV側，在不影響220 kV側電壓情況下可以有效降低110 kV側電壓。

3 660 MW機組投運后短路電流研究

在圖1中的運行方式1下，與新疆電網聯網，單臺660 MW機組提高天富220 kV、聯眾變、綠洲220 kV、天鋁電廠220 kV、天河電廠220 kV母線三相短路電流達3 kA以上，對遠區光華220 kV母線短路電流提升較小，對110 kV側母線的短路電流提升也較小；兩臺660 MW機組投運，聯眾、綠洲、天河電廠、天鋁電廠220 kV三相短路電流不滿足開關遮斷容量30%裕度的要求。

在圖1中的運行方式2、方式3下，夏大、冬大方式，天富660 MW機組投運可有效地提高全網各站三相短路電流水平并且提升效果一致，同時均滿足開關遮斷容量30%裕度的要求。相比方式1，方式2中天富電廠母線分列運行，方式3中聯眾-綠洲雙線斷開運行，可有效減少等效短路容量，660 MW機組投運推薦采用方式2或者方式3。

從電網長遠考慮，針對可能出現的短路電流不滿足開關遮斷容量30%裕度要求，給出以下建議。

(1)在能夠滿足負荷需求和旋轉備用要求的的情況下，合理安排開機臺數。

(2)為了增大等效阻抗，降低短路電流水平，可考慮將電廠升壓變分母運行。

(3)根據電網發展情況調整220 kV側電網運行方式。

(4)選取合適的線路加裝電抗器，發電機升壓變采用高阻抗升壓變。

(5)解開部分110 kV電磁環網，降低220、110 kV側短路電流水平。

這些措施能夠降低母線短路電流水平，但相應會導致電網穩定水平下降。實際電網運行中需綜合考慮短路電流裕度與電網穩定性[8]。

4 660 MW機組投運后系統穩定特性分析

隨著660 MW機組投產以及網架的不斷變化，石河子電網穩定性日趨復雜，局部故障會引起整個區域電網失穩，石河子電網在孤網運行時主要面對的是頻率穩定問題，與新疆主網聯網運行時主要面臨網內機組與新疆主網功角失穩、聯絡線功率越限問題。

4.1 孤網運行方式穩定分析

在孤網運行方式下，網內大容量機組跳閘或失磁跳閘及大用戶甩負荷均會導致電網頻率問題。天富電廠一臺600 MW機組跳閘后，石河子全網頻率持續快速下降，切除天鋁負荷600 MW后，系統頻率能夠恢復到49.95 Hz，孤網穩定運行，如圖2所示。

圖2 系統頻率曲線

通過對各機組調速能力校驗以及仿真計算，在夏大、冬大方式下，天富660 MW機組跳閘和天鋁300 MW負荷丟失兩種故障，全網機組調節出力均未超過機組容量的7%。這與實際發電機特性相近，還有機組接近滿發不具備調節能力，石河子電網最多能承受180 MW的功率缺額，可通過機組一次調頻能保持電網穩定運行；超過180 MW的機組或者負荷丟失需穩控切機切負荷才能保證系統穩定運行。

4.2 聯網運行方式穩定分析

在聯網方式下，當前石河子電網與新疆主網的斷面控制原則為瑪東雙線功率上網不超過100 MW，下網不超過110 MW[9-10]。天富2×660 MW機組投運，關停南熱電廠一臺330 MW機組、天河電廠關停一臺330 MW機組，控制南熱電廠和天河電廠剩余機組出力，分別研究660 MW機組投運后石河子電網發生聯絡線故障、網內“N-1”、網內“N-2”、檢修“N-1”故障下的穩定情況。

針對天富2×660 MW機組的不同開機及出力情況，瑪東雙線三永“N-1”跳閘石河子電網均能保持穩定運行。

在夏大、冬大方式下，各220 kV線路以及主變“N-1”故障，在運行方式2和方式3下，控制天富兩臺機組總出力不超過800 MW時，石河子電網在“N-1”下無穩定問題；但網內有超過300 MW以上容量的機組或者負荷丟失，聯絡線會發生功率越限需采取穩控切機切負荷措施。例如，天富機組出力300 MW發生“N-1”跳閘，系統保持穩定運行但瑪東雙線功率越限，聯絡線斷面穩態功率達120 MW，波動峰值達227 MW，具體見圖3、圖4。

圖3 天河1號機組功角曲線

圖4 系統頻率曲線

在夏大、冬大方式下，控制天富兩臺機組總出力不超過800 MW時，當220 kV天富-欣旺雙線、天富—聯眾雙線、天鋁—聯眾雙線、綠洲合盛+綠洲-園區雙線三永“N-2”故障，無暫穩問題，但會導致聯絡線功率越限，需要采取緊急切負荷措施。

在夏大、冬大方式下，控制天富兩臺機組總出力不超過800 MW時，當華聯線檢修時錦華線“N-1”或者錦華線檢修時華聯線“N-1”，光華、胡楊變區域孤網運行，頻率崩潰，如圖5所示。

圖5 孤網頻率曲線

5 660 MW機組投運穩定控制方案優化及運行調整指導建議

天富電廠2×660 MW機組投運后需關停其他機組，對電網運行及穩定控制影響大，電網調峰會更加困難，電熱矛盾將進一步加劇，對石河子電網安全穩定運行及控制方案優化建議如下。

(1)為保證石河子電網在“N-1”、“N-2”、檢修“N-1”故障下穩定運行，需控制天富機組出力不超過800 MW。

(2)天富電廠2×660 MW機組開機需關停南熱電廠、天河電廠機組或者減出力，但南熱電廠、天河電廠必須各保留至少一臺機組運行。

(3)南熱電廠主變檢修“N-1”，石河子南部電網會孤網進行，需控制南熱一臺125 MW機組出力90 MW保證南熱電廠110 kV側出力與負荷基本自平衡，防止事故進一步擴大。

(4)為避免石河子電網夏大、冬大方式不同解環方案下的南熱電主變“N-1”過載，考慮關停其他電廠機組或者降低天富機組出力來保證南熱電一臺125 MW機組運行。

(5)天富機組對近區220 kV母線短路電流水平抬升較大，可考慮天富電廠只開一臺機組運行來降低短路電流水平。

(6)為保證石河子孤網運行時有足夠的切機量，冬大、冬小方式下天富機組開機關停其他機組，要保證南熱電一臺330 MW機組出力至少300 MW，為保證高頻切機量足夠以及防止南熱電廠被全切黑，還需保留南熱一臺125 MW機組出力至少90 MW，因此建議冬大方式天富機組出力不超過550 MW。

(7)天富2×660 MW機組投運，南熱電廠、天河電廠等供熱機組需要停運或減出力，導致石河子電網冬季供熱無法保證；同時冬季甩大負荷時需要切機時必定需優先保證電網安全，供熱機組必須參與切機。因此，綜合考慮電網保供熱和電網安全穩定運行，冬季天富機組不具備開機條件。

(8)針對石河子“大機大負荷小網”特點，660 MW機組跳閘后需要切除大量負荷才能保證系統穩定運行，而當前石河子電網實際沒有足夠的切負荷量，需考慮切除天山鋁業電解鋁負荷，需征得天山鋁業用戶同意。

(9)石河子電網考慮按照推薦的220/110 kV電磁解環運行方式下，南熱電廠雙主變高壓側同時斷開時，低頻減載一輪切負荷量過大，導致系統失穩。為了保證全網的低頻減載量，建議通過方式安排避免南熱電廠雙主變高壓側同時斷開的情況，例如單臺主變檢修時安排合環運行。

6 結語

660 MW機組接入區域電網易形成“大機大負荷小網”，極大地影響區域電網的安全運行和穩定控制，這也一直是區域電網安全運行和發展所面臨的難題[10]。針對660 MW機組接入石河子電網，分析了區域電網在潮流分布、短路電流、暫態穩定等方面的影響，提出了機組投運后區域電網安全穩定控制優化方案及運行方式調整指導建議，有效提高了660 MW機組接入后區域電網安全穩定運行水平，為石河子電網的調度、運行和控制提供了有效的指導建議，所提出的方法對其他區域電網的運行控制具有較強的實際借鑒和參考價值。

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