2018, Vol. 36 
蒙西电网承担着内蒙古中西部地区六市二盟的供电任务, 与华北主网之间仅通过汗海-沽源、丰泉-万全4回500 kV线路联系。当前, 蒙西500 kV电网发展迅速, 网架结构不断加强, 而华北电网也形成了以特高压为主干网架的坚强电网。但由于蒙西电网与华北主网间的弱联系, 使得动态稳定问题成为制约两大电网输电能力的主要影响因素, 也影响着蒙西电网内部西电东送的能力。
蒙西电网东部乌兰察布市已成为全国最大的铁合金生产基地, 大数据等产业也快速集聚发展, 用电负荷呈快速增长态势, 曾于2005-09-01发生过3次相对华北主网的低频振荡[1-3]。为缓解乌兰察布市的供电紧张局面, 提高呼包鄂地区向乌兰察布市的输电能力, 解决蒙西电网与华北主网弱联系引起的低频振荡问题, 急需开展蒙西电网与华北主网异步联网工程。
本文从蒙西电网实际需求出发, 基于PSS/E仿真平台分析异步联网工程实施前后蒙西电网西电东送输电能力的变化, 以及异步联网工程对蒙西电网西电东送能力的影响。
1 PSS/E程序简介及电网建模PSS/E (Power System Simulator for Engineering电力系统仿真软件)是由美国电力技术公司(PTI)开发的商业软件, 集成了潮流计算、稳定计算、短路电流计算、小扰动稳定性分析、系统等值、最优潮流计算等功能, 并具有灵活的模型自定义功能和优秀的计算控制能力。该软件在行业内广泛应用, 具有较强的应用能力。
本次研究利用BPAtoPSSE数据转化器实现电网计算数据由BPA向PSS/E格式的自动转换, 将BPA中的稳态数据、暂态数据以及序参数转换为PSS/E能够直接使用的数据格式。BPAtoPSSE数据转换器工作流程如图 1所示。
|
图 1 BPAtoPSSE数据转换器工作流程图 |
PSS/E自带10余种直流输电系统模型, 可根据工程实际情况选用。本次仿真计算中采用常用的CDC4T直流输电模型作为蒙西电网与华北主网异步联网的背靠背直流系统模型, 可实现整流侧的定功率制、定电流控制, 逆变侧的定电压控制, 并具有低压限流(VDCOL)功能。
2 蒙西电网运行概况截至2017年底, 蒙西电网已投运500 kV变电站26座, 变电站容量51 000 MVA, 线路总长6280.3 km; 蒙西电网全口径装机容量为65 986.3 MW, 发电量为23.61 TWh; 最大负荷26.51 GW。蒙西电网500 kV呈现"三横四纵"大方向, 为西电东送的主网架结构, 西电东送通道主要通过呼包断面(石坤山-武川和响沙湾-永圣域2个500 kV通道)、呼丰断面(武川-察右中、武川-察右后和永圣域-丰泉3个500 kV通道)将盈余电力经外送断面(丰泉-万全和汗海-沽源2个500 kV通道)送出至京津冀电网, 与华北主网属于弱区域互联。蒙西电网西电东送断面分布如图 2所示。
|
图 2 蒙西电网西电东送断面分布图 |
从静态稳定分析来看, 在蒙西电网外送电力较大时, 在某些特殊开机方式下存在蒙西外送断面和华北主网境内沽源-太平、万全-顺义断面N-1故障时, 输电线路超越热稳的风险, 限制了蒙西电网外送的能力。当蒙西电网南部开机较大, 北部开机较小时, 沽源地区上网功率较大, 使得丰泉-万全线和万全-顺义线N-1故障后, 丰泉-万全另1回线路或万全-顺义另2回线路超过热稳定极限。在蒙西电网南部开机较小, 北部开机较大时, 则是汗海-沽源、沽源-太平线路存在N-1过载问题。考虑系统开机不均匀, 蒙西电网外送电力宜限制在4400 MW以内。
经过计算, 目前蒙西电网呼包断面和呼丰断面的输送功率分别不宜超过3900 MW和5600 MW, 远低于静态稳定控制极限值, 在这2个断面发生线路N-1故障时尚有较大的热稳裕度。
3.2 暂态稳定分析针对蒙西电网外送断面输电功率为4400 MW、呼包断面输电功率为3900 MW、呼丰断面输电功率为5600 MW几种运行方式进行暂态稳定分析, 结果表明, 蒙西电网内任1回500 kV线路发生N-1故障时电网均可保持稳定, 满足安全稳定导则要求, 说明了暂态稳定问题不是限制蒙西电网西电东送输电能力的因素。
蒙西电网外送断面上丰泉-万全500 kV线路、汗海-沽源500 kV线路N-1故障时线路输送有功功率响应曲线分别如图 3和图 4所示。
|
图 3 丰泉—万全线路N-1故障时有功功率响应曲线 |
|
图 4 汗海—沽源线路N-1故障时有功功率响应曲线 |
目前大型发电机普遍采用快速励磁调节器, 广泛配置的快速励磁系统产生的负阻尼降低了系统的阻尼, 导致系统容易发生动态稳定问题, 尤其是在潮流较重的区域联络线上常发生低频振荡[4-5]。
针对区域间振荡模式, 进行长治-南阳1000 kV线路N-1运行方式下的动态稳定分析扫描。根据计算结果, 该方式下蒙西电网与华北主网之间的振荡模式阻尼比明显降低, 如图 5所示。该振荡模态的频率为0.3871 Hz, 阻尼比为0.0357, 属于偏弱阻尼系统, 与该振荡模态相关度较高的机组分别为蒙西电网机组和山东电网机组。
|
图 5 蒙西电网与华北主网间振荡模态图 |
研究表明, 增加蒙西电网外送断面功率和增加山东电网受电功率, 均会进一步降低阻尼比。
蒙西电网与华北主网之间的区域间振荡模态对蒙西电网内部西电东送能力也具有较大影响, 根据计算结果, 为满足动态稳定要求, 呼包断面输送功率不宜大于3900 MW, 呼丰断面输送功率不宜大于5600 MW。
4 蒙西电网异步联网后西电东送能力分析 4.1 异步联网方案为隔断蒙西电网和华北主网之间的相互影响, 拟建设蒙西电网与华北主网异步联网工程, 将蒙西电网与华北主网之间的2个500 kV交流通道更改为背靠背直流联网方式, 分别在汗海-沽源、丰泉-万全2个500 kV通道之间各建设1座背靠背换流站, 实现蒙西电网与华北主网的非同步互联。
考虑汗海-沽源线路和丰泉-万全线路夏季热稳定极限在2460 MW, 本次研究中背靠背工程输电容量为2500 MW。蒙西电网与华北主网异步联网工程示意图如图 6所示。
|
图 6 蒙西电网与华北主网异步联网工程示意图 |
异步联网工程建设后, 可利用直流功率实现南北通道功率的快速控制, 从而避免换流站进出通道上的输电线路发生N-1过载问题。以丰泉-万全线路和汗海-沽源500 kV线路交流线路热稳定容量设置该工程的输送容量, 在交流线路N-1故障后, 可确保另1回交流线路不超过热稳定容量。结合线路热稳定输送能力, 夏季蒙西电网与华北主网输电断面的输电能力可达到4920 MW, 其他季节则可达到这2个工程的建设容量5000 MW。
异步联网工程建设后, 呼包断面和呼丰断面的输送能力也由动态稳定控制转变为受线路热稳定极限控制。根据计算结果, 呼包断面输送功率可达到5000 MW, 呼丰断面输送功率可达到8000 MW。
4.3 暂态稳定分析针对蒙西电网外送断面、呼包断面输电功率为5000 MW、呼丰断面输电功率为8000 MW几种运行方式进行暂态稳定分析。根据计算结果, 蒙西电网内任1回500 kV线路发生N-1故障时电网均可保持稳定, 任1背靠背直流系统发生单极闭锁时, 蒙西电网频率升高约0.2 Hz, 系统可保持稳定, 满足安全稳定导则要求。可见, 异步联网工程投产后, 暂态稳定问题仍不是限制蒙西电网西电东送输电能力的因素[6]。
蒙西电网外送断面丰泉-万全500 kV线路、汗海-沽源500 kV线路N-1故障时线路输送有功功率响应曲线分别如图 7和图 8所示。
|
图 7 丰泉—万全线路N-1故障时有功功率响应曲线 |
|
图 8 汗海—沽源线路N-1故障时有功功率响应曲线 |
交直流异步联网工程实施后, 蒙西电网与华北主网之间将进行异步运行, 2个电网系统实现了背靠背的"隔离"。
经过分析计算, 交直流异步联网工程实施后, 蒙西电网与华北主网之间不存在区域间振荡模式, 蒙西电网内部也不存在弱阻尼振荡模式。动态稳定问题不再是蒙西电网电力外送的主要限制因素。
4.5 异步联网后输电能力提升值综上所述, 交直流异步联网工程实施后直流输电系统的功率控制功能将起到优化交流系统潮流分布的作用, 能够解决蒙西电网与华北主网之间的动态稳定问题, 蒙西电网西电东送能力主要限制因素将转化为线路热稳定极限[7-9]。
经过计算, 外送断面、呼包断面、呼丰断面输电能力较异步联网工程实施前均有不同程度提高。各断面异步联网前后输电能力对比结果如表 1所示。
|
表 1 异步联网前后蒙西电网西电东送断面输电能力对比结果 |
(1) 蒙西电网西电东送输电能力长期以来主要受到系统动态稳定水平的影响, 近年来, 在动态稳定问题的基础上, 由于潮流分布不均衡带来的热稳定问题也开始影响蒙西电网的外送能力[10]。
(2) 实施异步联网工程后可彻底解决蒙西电网与华北主网之间的动态稳定问题, 并能优化交流系统潮流分布, 外送断面输电能力可由现阶段4400 MW提高到5000 MW。蒙西电网西电东送的电力极限裕度将更高。
(3) 实施异步联网工程同时可以提升蒙西电网内部断面输送能力, 呼包断面输电能力可由3900 MW提高到5000 MW, 呼丰断面输电能力可由5600 MW提高到8000 MW, 从而使得电网内部断面对东部重负荷地区电力的支援能力更强。
| [1] |
李丹, 苏为民, 张晶, 等. "9·1"内蒙古西部电网振荡的仿真研究[J]. 电网技术, 2006, 30(6): 41-47. DOI:10.3321/j.issn:1000-3673.2006.06.008 |
| [2] |
程浩, 冯艳虹, 张道农, 等. 蒙西电网动态稳定问题分析及稳定措施研究[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(12): 137-143. DOI:10.7667/PSPC151228 |
| [3] |
艾琳, 程浩, 冯艳虹, 等. 基于小干扰稳定分析的蒙西电网动态稳定特性研究[J]. 华北电力技术, 2016(12): 1-5. |
| [4] |
余贻鑫, 李鹏. 大区电网弱互联对互联系统阻尼和动态稳定性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(11): 6-11. DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2005.11.002 |
| [5] |
朱方, 赵红光, 刘增煌, 等. 大区电网互联对电力系统动态稳定性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(1): 1-7. DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2007.01.001 |
| [6] |
杨涛, 牛伟, 侯佑华, 等. 内蒙古电网暂态稳定问题研究的新方法[J]. 内蒙古电力技术, 2007, 25(3): 1-4. DOI:10.3969/j.issn.1008-6218.2007.03.001 |
| [7] |
司大军, 钱迎春, 孙士云, 等. 负荷模型对异步联网交直流系统频率稳定性的影响[J]. 云南电力技术, 2017, 45(4): 62-65. DOI:10.3969/j.issn.1006-7345.2017.04.019 |
| [8] |
程哲, 邱生敏, 翁振星. 云南电网异步联网运行后广西北电南送断面调控分析[J]. 广东电力, 2016, 29(10): 75-78. DOI:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.013 |
| [9] |
张丹, 吴琛, 周磊. 异步联网后送端电网频率特性分析及高频切机方案[J]. 云南电力技术, 2017, 45(4): 133-138. DOI:10.3969/j.issn.1006-7345.2017.04.043 |
| [10] |
陈少中, 齐军, 巴特尔. 内蒙古电网500 kV系统稳态特性及规划方案分析[J]. 内蒙古电力技术, 2012, 30(3): 1-5. DOI:10.3969/j.issn.1008-6218.2012.03.001 |