敦化抽水蓄能電站接入后電網(wǎng)穩(wěn)定特性及控制措施

劉 洋，王聰穎，高 松，季時(shí)宇，岳 涵

(1.國家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧 沈陽 110180；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽 110179；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021；4.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 工程概況

十四五期間，新能源將快速發(fā)展，新能源發(fā)電出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性和反調(diào)峰特性增加了系統(tǒng)調(diào)峰的難度[1-2]，而抽水蓄能電站具有啟動(dòng)快速、調(diào)整靈活等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，可有效提高電網(wǎng)長(zhǎng)期調(diào)峰平衡和短期功率平衡能力。敦化抽蓄電站位于吉林省敦化市北部，通過1回500 kV線路(120 km)接入吉林東變，安裝4臺(tái)單機(jī)容量350 MW的抽水蓄能機(jī)組，總裝機(jī)容量1400 MW，計(jì)劃于2022年全部投運(yùn)(如圖1所示)。機(jī)組全部投運(yùn)后將增加系統(tǒng)調(diào)峰能力，降低電網(wǎng)調(diào)峰缺口，顯著減少電網(wǎng)棄風(fēng)、棄光，對(duì)提高東北電網(wǎng)新能源接納能力、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義。

圖1 敦化抽蓄電站接入系統(tǒng)示意圖

敦化抽蓄電站投運(yùn)前，吉林東部電網(wǎng)沒有接入500 kV電網(wǎng)的電源，500 kV平安-吉林東-包家輸電通道的主要作用為承載黑龍江東部富裕電力外送至吉林中部電網(wǎng)。敦化抽蓄電站投運(yùn)后成為吉林東部電網(wǎng)重要大型電源，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上將與黑龍江東部電網(wǎng)大型電源共同構(gòu)成黑龍江吉林東部外送系統(tǒng)，共同將富裕電力外送至吉林中部電網(wǎng)。由于其接入電網(wǎng)位置的特殊性，電站接入系統(tǒng)后將會(huì)在多個(gè)方面對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。首先，該工程增加了吉林東部電網(wǎng)的電壓控制能力，緩解了目前運(yùn)行中潮流輕載時(shí)電壓偏高的問題。其次，工程投運(yùn)后將引起吉林城網(wǎng)部分變電站母線三相短路電流超標(biāo)，采取實(shí)施分區(qū)解環(huán)措施后造成部分?jǐn)嗝孑旊娔芰κ軣岱€(wěn)定約束有所下降。最后，探討了敦化抽蓄電站投運(yùn)對(duì)東北電網(wǎng)阻尼水平及某些故障情況下動(dòng)穩(wěn)問題的影響。

本文基于2022年東北電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，采用PSASP(7.53版本)分別從靜態(tài)電壓、熱穩(wěn)定分析、小干擾分析、暫態(tài)時(shí)域仿真分析等幾個(gè)方面研究敦化抽蓄電站投運(yùn)后對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的影響并提出改善措施。

2 提高吉林東部電網(wǎng)電壓控制能力

實(shí)際運(yùn)行中，黑龍江、吉林東部電網(wǎng)地域面積較大，線路輸電距離長(zhǎng)(多條線路長(zhǎng)度超過150 km)，線路輕載時(shí)無功盈余常會(huì)引起電網(wǎng)電壓水平偏高且缺乏有效的電壓控制手段。敦化抽蓄電站接入后，增加了一個(gè)電網(wǎng)電壓控制點(diǎn)。在小負(fù)荷方式下比較敦化抽蓄電站投運(yùn)前、投運(yùn)后停機(jī)、滿發(fā)電、滿抽水幾種運(yùn)行方式下，吉林東變與敦化抽蓄電站500 kV母線電壓水平如表1所示。

表1 發(fā)電與抽水時(shí)電壓水平 單位：kV

可以看出，敦化抽蓄電站投運(yùn)后在機(jī)組停機(jī)方式下，因敦吉線空充狀態(tài)進(jìn)一步加劇了地區(qū)無功盈余，造成吉林東變母線電壓升高。機(jī)組運(yùn)行后，無論是發(fā)電還是抽水，系統(tǒng)電壓均能夠得到有效的控制。因此在實(shí)際運(yùn)行中，尤其是節(jié)日低谷負(fù)荷期間，當(dāng)黑龍江吉林東部系統(tǒng)線路輕載時(shí)，敦化抽蓄機(jī)組可作為重要的電壓控制點(diǎn)，對(duì)調(diào)整吉林東部電網(wǎng)電壓水平具有重要作用。

3 熱穩(wěn)定問題及控制措施

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，變壓器熱穩(wěn)定限額計(jì)算如下：

PR=PE×Ks×λ

(1)

式中：PR為變壓器熱穩(wěn)定限額；PE為變壓器額定容量；Ks為變壓器過載系數(shù)；λ為功率因數(shù)，一般取0.85～0.9。

吉林東變現(xiàn)有2臺(tái)1000 MVA主變，且運(yùn)行多年，過載系數(shù)設(shè)為1。由式(1)計(jì)算得出，2臺(tái)主變熱穩(wěn)定功率限額共1800 MW。220 kV吉林東-金珠變雙回線路導(dǎo)線型號(hào)均為L(zhǎng)GJ-2×240，雙回線輸送限額為840 MW。

為抑制地區(qū)短路電流而采取吉林城網(wǎng)分區(qū)后，部分線路輸電能力下降[7]，吉林東變至包家變輸電通道故障斷開后，敦化抽蓄發(fā)電出力和平安-吉林東斷面輸送的潮流全部通過吉林東變2臺(tái)主變流入吉林城網(wǎng)，導(dǎo)致吉林東變主變以及220 kV吉林東-金珠線路潮流加重。在夏季大負(fù)荷方式下，吉林城網(wǎng)內(nèi)開機(jī)方式較小，過載問題將更加嚴(yán)重。本文探討采取預(yù)控平吉斷面潮流、預(yù)控敦化抽蓄發(fā)電或切除敦化抽蓄機(jī)組安控措施3種方法均可有效解決該過載問題。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 吉林東-包家跨線故障后潮流表(發(fā)電工況) 單位：MW

4 動(dòng)穩(wěn)問題分析及控制措施

系統(tǒng)阻尼水平受發(fā)電機(jī)參數(shù)、聯(lián)絡(luò)線阻抗、輸送潮流等多個(gè)因素影響[8]。一般情況下系統(tǒng)聯(lián)系阻抗越大(線路越長(zhǎng))、輸送潮流越多，系統(tǒng)阻尼轉(zhuǎn)矩越低。

系統(tǒng)阻尼水平也與發(fā)電機(jī)快速勵(lì)磁密切相關(guān)，快速勵(lì)磁的使用有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，但如果勵(lì)磁參數(shù)不適配則會(huì)引起系統(tǒng)阻尼降低。以前，黑龍江東部、呼倫貝爾、赤峰電網(wǎng)均為大火電機(jī)基地，大量富裕電力通過長(zhǎng)距離輸電線路連接至東北電網(wǎng)主網(wǎng)，為防止長(zhǎng)距離大功率外送的暫態(tài)功角穩(wěn)定問題，火電機(jī)組勵(lì)磁參數(shù)放大倍數(shù)通常設(shè)置較高。但隨著近年來大量電網(wǎng)工程投運(yùn)，以上外送系統(tǒng)與主網(wǎng)電氣聯(lián)系不斷加強(qiáng)，為防止暫態(tài)問題而設(shè)置的勵(lì)磁參數(shù)適配性有所下降，逐漸降低了系統(tǒng)阻尼水平。

4.1 小干擾分析

敦化抽蓄電站投運(yùn)前，東北電網(wǎng)主要振蕩模式為遼寧、赤峰等南部電源對(duì)黑龍江、吉林、呼倫貝爾北部電源的振蕩模式，如圖2所示。

圖2 區(qū)域主要振蕩模式模態(tài)圖

敦化抽蓄投運(yùn)后，雖然不會(huì)改變目前的主要振蕩模式，但會(huì)對(duì)該模式下的阻尼產(chǎn)生影響，本文在不考慮新能源發(fā)電的前提下主要從發(fā)電機(jī)參數(shù)和線路輸送潮流兩方面探討敦化抽蓄電站機(jī)組的影響。

a.發(fā)電機(jī)參數(shù)的影響

抽蓄機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)、勵(lì)磁參數(shù)等與火電機(jī)組不同[9]，抽蓄電站發(fā)電時(shí)黑龍江吉林東部火電、水電打捆外送，較純火電方式下阻尼比有所提升。但抽水時(shí)，在保持相同外送潮流情況下，斷面內(nèi)火電機(jī)組發(fā)電開機(jī)進(jìn)一步增大，加劇了勵(lì)磁參數(shù)不適配的問題，從而降低電網(wǎng)阻尼水平。

在保持黑龍江吉林東部外送斷面潮流相同情況下，敦化抽蓄機(jī)組不同運(yùn)行工況時(shí)電網(wǎng)小干擾分析結(jié)果如表3所示。

表3 敦化抽蓄機(jī)組不同運(yùn)行方式小干擾分析結(jié)果(保持黑龍江吉林東部外送潮流相同)

b.輸送潮流的影響

在黑龍江吉林東部外送系統(tǒng)內(nèi)火電機(jī)組開機(jī)方式相同情況下，敦化抽蓄電站滿發(fā)加重了斷面外送潮流，降低系統(tǒng)阻尼水平，敦化抽蓄機(jī)組不同運(yùn)行工況時(shí)電網(wǎng)小干擾分析結(jié)果如表4所示。

表4 敦化抽蓄機(jī)組不同運(yùn)行方式小干擾分析結(jié)果(保持黑龍江吉林東部火電開機(jī)方式相同)

由以上分析可以得出，敦化抽蓄投運(yùn)后系統(tǒng)阻尼變化主要受發(fā)電機(jī)參數(shù)及外送潮流兩方面共同作用。在保持黑龍江吉林東部外送斷面輸送潮流相同時(shí)，敦化抽蓄抽水將會(huì)加重地區(qū)火電機(jī)組勵(lì)磁參數(shù)不適配的問題引發(fā)系統(tǒng)阻尼水平下降。在保持火電機(jī)組開機(jī)方式相同時(shí)，敦化抽蓄機(jī)組發(fā)電將增大外送潮流，引發(fā)系統(tǒng)阻尼水平下降。

4.2 大干擾時(shí)域仿真分析

敦化抽蓄電站投運(yùn)前后，在黑龍江吉林東部系統(tǒng)內(nèi)，平吉雙回線跨線故障、林平線故障、方永甲乙線跨線故障后均存在動(dòng)穩(wěn)問題。以平吉斷面跨線故障為例，在保持平吉斷面輸送潮流相同情況下，改變敦化抽蓄運(yùn)行工況，某發(fā)電機(jī)相對(duì)功角曲線如圖3所示。

圖3 平吉跨線故障后發(fā)電機(jī)相對(duì)功角曲線

對(duì)該功角曲線進(jìn)行Prony分析，結(jié)果如表5所示。

表5 Prony分析結(jié)果

敦化抽蓄滿發(fā)時(shí)如果保持平吉斷面功率相同則需要增加黑龍江東部電源開機(jī)方式，系統(tǒng)阻尼比降低為1.1%，不滿足1.5%的運(yùn)行要求，將該斷面潮流下降100 MW后阻尼比達(dá)到運(yùn)行要求，由此看出，敦化抽蓄滿發(fā)電時(shí)將惡化平吉跨線故障后的動(dòng)穩(wěn)問題。

本文探討從優(yōu)化黑龍江吉林東部機(jī)組PSS參數(shù)、調(diào)整黑龍江吉林東部機(jī)組有功、無功等運(yùn)行控制措施以及新建外送通道3種方式提高動(dòng)穩(wěn)水平。

a.優(yōu)化機(jī)組PSS參數(shù)

近年來工程實(shí)踐表明通過優(yōu)化相關(guān)機(jī)組PSS參數(shù)，可增大阻尼力矩提升阻尼水平。圖4為調(diào)整黑龍江、吉林東部機(jī)組PSS增益前后的功角曲線對(duì)比，阻尼比由1.1%提升至2.2%。

圖4 優(yōu)化PSS功角曲線對(duì)比圖

b.調(diào)整運(yùn)行方式

在實(shí)際運(yùn)行中，可通過調(diào)整發(fā)電機(jī)有功出力、降低機(jī)組功率因數(shù)、提高電網(wǎng)電壓水平等措施抑制故障后的動(dòng)穩(wěn)問題。圖5為調(diào)整黑龍江吉林東部系統(tǒng)內(nèi)火電機(jī)組出力及功率因數(shù)后的功角曲線對(duì)比，阻尼比由1.1%提升至4.4%。

圖5 采取預(yù)控旋備和電壓措施功角曲線對(duì)比

c.新建外送通道

動(dòng)穩(wěn)問題與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線阻抗大小密切相關(guān)，一般聯(lián)絡(luò)線阻抗越大，系統(tǒng)阻尼水平越低，因此長(zhǎng)鏈?zhǔn)健⑷趼?lián)系的電網(wǎng)動(dòng)穩(wěn)問題更嚴(yán)重[10]。

黑龍江吉林東部系統(tǒng)外送潮流主要方向?yàn)橄蛭鬏斔椭良种胁侩娋W(wǎng)，若新建1條南送(平安-通化)500 kV線路，能顯著提高系統(tǒng)阻尼水平，抑制動(dòng)穩(wěn)問題。系統(tǒng)接線如圖6所示，功角曲線如圖7所示。

圖6 新建平安-通化線路示意圖

圖7 新建外送通道功角曲線對(duì)比

5 結(jié)論

敦化抽蓄電站因其接入系統(tǒng)位置的特殊性，投運(yùn)后存在熱穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等問題，本文通過仿真分析得出如下結(jié)論。

a.敦化抽蓄電站投運(yùn)后作為吉林東部電網(wǎng)的重要電源對(duì)控制地區(qū)電網(wǎng)電壓水平將起到積極作用。

b.吉林東-包家輸電通道斷開后吉林城網(wǎng)主變及線路過載的熱穩(wěn)定問題制約了敦化抽蓄發(fā)電、抽水功率以及平吉斷面輸電能力，同時(shí)也成為制約黑龍江吉林東部外送系統(tǒng)外送能力的重要因素，采取安控切敦化抽蓄機(jī)組措施后可滿足正常方式下電站滿發(fā)電與滿抽水的需求，提高電網(wǎng)輸電能力。

c.敦化抽蓄電站接入后對(duì)目前東北電網(wǎng)主要振蕩模式下的阻尼水平產(chǎn)生了一定影響。滿發(fā)電狀態(tài)惡化了平吉斷面跨線故障后的動(dòng)穩(wěn)問題，進(jìn)而制約了平吉斷面的輸電能力。本文給出了3種解決方式:①優(yōu)化黑龍江吉林東部機(jī)組PSS參數(shù)；②調(diào)整地區(qū)機(jī)組有功、無功等運(yùn)行控制措施；③新建外送通道。