青藏直流投运后藏中电网稳定特性研究.pdf

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第42卷第6期2014年3月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.42NO.6M『dr.16.2O14青藏直流投运后藏中电网稳定特性研究贾俊川,赵兵,罗煦之,董卫国2刘文亮(1.中国电力科学研究院,北京100192;2.西藏电力有限公司,西藏自治区拉萨850000)摘要;藏中电网规模较小,网架结构相对较弱,青藏直流联网工程投运后给藏中电网的安全稳定运行带来诸多挑战,交直流系统稳定问题突出。从联网工程投运前藏中电网的电源特性、大机小网等固有特性出发,结合青藏直流联网以来青藏直流以及藏中电网运行中存在的各种稳定问题,深入分析了青藏直流投运后藏中电网的电源特性变化、稳定特性转化、虎曲线功率送出、直流换相失败、以及交直流影响等安全稳定问题。同时针对西藏电网的运行特性,分析并指出了青藏直流几个重要而特殊的安全稳定运行特性。关键词:藏中电网;青藏直流;安全稳定特性;换相失败;直流功率ResearchonthesecurityandstabilitycharacteristicsofCentralTibetpowergridafterQinghai-TibetHVDCputtingintooperation———JIAJun.chuan,ZHAOBing,LUOXuzhi,DONGWeiguo,LIUWenliang(1.ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China;2.TibetElectricPowerCompanyLimited,Lhasa850000,China)—Abstract:Duetothesmallscaleofthenetworkanditsweakgridstructure,QinghaiTibetHVDCinterconnectionprojectwillposegreatchallengestothesafeandstableoperationoftheCentralTibetpowergrid,especiallytoAC/DCsystemstability.Basedonthe——inherentcharacteristicssuchaslargeunitandsmallgrid,andfeaturesofthepowersourcesandSOon,andconsideringallthe—securityandstabilityproblemsunderoperationofCentralTibetpowergridandQinghaiTibetHVDCaftertheinterconnectionprojectputintooperation,thispapermakesadeepanalysisofvariouschangesinoperatingcharacteristicslikethesourcesfeatures,—stabilityproperty,Huqulinepowertransmissioncapability,DCcommutationfailure,andACandDCinteractions.Additionally,—severalsignificantandspecialoperatingrequirementsofQin曲aiTibetHVDCarealsoanalyzedandproposedonthepremiseofthesafetyandstabilityofCentralTibetpowergrid.—Keywords:CentralTibetpowergrid;QinghaiTibetHVDC;securityandstabilitycharacteristic;commutationfailure;DCactivepower中图分类号:TM712文献标识码:A——文章编号:16743415(2014)060104-060引言青藏直流起点青海柴达木换流站,落点西藏拉萨换流站,全长1038km,是世界上海拔最高的直流输电工程,于2011年11月底双极投入运行,西藏藏中电网从此结束孤网运行的历史,纳入全国电网统一运行。青藏直流输电工程的建成投运,极大地缓解了西藏中部地区长期缺电问题,对促进地区经济社会发展,具有重大意义lJJ。然而,青藏直流输电工程的投运也给藏中电网的安全稳定运行带来诸多问题和挑战[5-7]。藏中电网规模较小,网络结构比较薄弱,短路容量相对较小,“青藏直流接入西藏电网初期,藏中电网呈现大直”流、小电网的总体格局,直流大容量的馈入,增大了220kV环网下网潮流压力,电网电压稳定问题突出;直流大功率输电时发生单、双极闭锁故障后,系统功率缺额比例过大,电网频率稳定问题凸显;藏中电网的电压稳定和频率稳定问题交织在一起,增大了系统的安全运行风险。本文针对青藏直流2011年末投运以来藏中电网运行中面临的主要安全稳定问题,研究分析青藏直流联网后藏中电网的稳定特性。贾俊川,等青藏直流投运后藏中电网稳定特性研究1藏中电网概况1.1藏中电网结构西藏中部电网(简称藏中电网)包括拉萨地区电网、林芝地区电网、日喀则地区电网、山南地区电网和那曲地区电网共5个供电分区,青藏直流的投运,使藏中电网与青海电网相连,从此纳入全国电网运行J。藏中电网以拉萨地区电网为中心,林芝、曰喀则、那曲和山南电网呈辐射状与其连接,如图1所示。为满足青藏直流馈入对受端交流电网强度的要求,拉萨地区电网自2011年底已经形成220kV/110kV双环网运行,且随着2012年末拉萨地区220kV变电站的扩建和相应SVC的投运,拉萨地区220kV环网结构得到进一步加强。林芝地区电网通过老虎嘴一曲哥220kV单联络线与藏中主网相连,日喀则地区电网通过多林一乃琼220kV单回线和江孜一羊湖110kV单回线路与主网连接,山南和那曲地区电网则分别通过两条110kV单回线路接入拉萨地区电网。图1藏中电网结构Fig.1CentralTibetpowergridstructure1.2电力平衡西藏电网地处高原,网内电源点多为水电机组,约占全网总装机容量的二分之一,其机组出力受丰水期和枯水期影响较大,在枯水期大方式下西藏中部电网的负荷不能就地平衡,将出现较大的电力缺额,需依靠青藏直流平衡网内功率。据统计,2012年,青藏直流输送电量6.53亿kWh,最高日输电量302.48万kWh,占曰电量的33.57%;最高输送电力l7万kW,占日电力的35%。青藏直流的投运极大地缓解了西藏地区冬季缺电的局面。表1所示为2012年全年青藏直流分月输送电量统计情况。表12012年直流输送电量Table1DCtransmissionquamityofelectricityin2012输送电量/占空输送电量/占空月份月份百万kWhLL/%百万kWh比/%1月554026.8O7月12745.882月499627.678月360616.663月632029.809月325314.974月650030.1210月579224.545月6l2327.58l1月862332.756月459521.7812月869232.122藏中电网特点结合电网网架结构,青藏直流投运前藏中电网的主要特点可归纳如下。1)电源与负荷分布不匹配藏中电网负荷绝大部分分布于拉萨地区,其比例达到全网负荷的70%以上,而藏中电网的主要电源如燃机、汽机、直孔、羊湖和老虎嘴机组等,其中除燃机和汽机外,均距离负荷中心比较远,需要通过长距离输电线路输送至负荷中心。图2所示为藏中电网主要电源点分布,其中,老虎嘴电厂送出线路(老虎嘴~曲哥220kv线路,简称虎曲线)长度近300km,而直孔、羊湖电厂距离负荷中心也接近100km。2)负荷中心电压支撑能力不足青藏直流未投运时,燃机是藏中电网的第一大电源,距离负荷中心较近,具有较强的电压支撑能力,藏中电网其余主力机组,如老虎嘴、直孔和羊湖等机组,均远离负荷中心,如图2所示,其对藏中电网的电压支撑能力弱,系统动态无功储备不足,故障情况下动态无功功率远距离传输,容易引发藏中电网电压失稳。3)单机容量占比大,大机小网问题突出青藏直流投运前,藏中电网负荷水平在160~370Mw之间,而藏中电网主要电源如9E燃机、羊湖、直孔和老虎嘴电厂的单机容量分别为70Mw、22.5Mw、25Mw和34Mw,单机出力所占比例在大部分时段均超过10%,单台机组占全网装机容量较大,大机组跳闸后系统功率缺额的比例较大,将导致系统出现频率稳定和电压稳定的问题。“”可见,直流投运前,藏中电网的大机小网特征已经比较突出,典型方式不满足AL1标准,运行风险大,必须采取大量安控措施。4)地区电网大比例送/受电林芝电网为典型的送端电网,林芝电网外送电一106.电力系统保护与控制力可达到本地区负荷的2倍以上;而日喀则电网和那曲电网为典型的受端电网,其从藏中电网的受电比例基本达到2/3以上,且地区电网与藏中电网主网基本为弱连接,若送出或送入线路故障将引发地区电网受到很大冲击,电压、频率稳定问题突出。图2藏中电网主要电源分布Fig.2PowerdistributionofCentralTibetpowergrid3青藏直流投运后藏中电网安全稳定特性青藏直流工程的投运将极大地缓解藏中电网用电紧张、季节性缺电的局面,但同时也给藏中电网的安全稳定运行带来一些新的问题。3.1电源特性青藏直流投运后,直流成为现阶段藏中电网最大的电源,但由于其没有电压支撑能力,而且随着系统电压的降低,反而需要从系统吸收无功功率,使得负荷中心的电压支撑能力愈加不足。另一方面,直流因自身特性,其在电网频率变化时其功率仍然保持不变,基本不向系统提供转动惯量,因此,藏中电网的频率稳定问题也因青藏直流的投运而更加突出。图3所示为青藏直流接入前后、藏中电网损失相等有功功率(8.5MW)情况下的系统频率响应。可见,在相同的功率缺额下,系统最低频率点下跌了约0.2Hz。3.2稳定特性青藏直流投运初期,藏中电网负荷快速增长,拉萨220kV环网下网潮流大幅提高,超过全网总负荷的50%,负荷中心电压支撑能力和动态无功储备不足,藏中电网电压稳定问题突出。若直流大比例受电,藏中电网交流系统主变或重要线路故障后,负荷中心电压支撑能力弱,大量无功功率跨层级、图3藏中电网频率曲线Fig.3FrequencycurveofCentralTibetpowergrid远距离传输,导致系统电压无法恢复。为防止发生电压崩溃,需要合理安排运行方式,严格控制直流受电比例和重要机组开机。随着2012年藏中主网220kV主变的扩建和变电站svc的投运,藏中电网220kV环网网架得到进一步加强,电网的电压稳定水平得到很大的提高。然而,由于青藏直流投运以来,藏中电网机组并未增加,系统惯量不变,电网的调频能力并未改善;同时随着羊湖水位的不断下降,羊湖发电机组仅调相运行,不参与调频,使藏中电网的调频能力更为严峻,此时藏中电网的主要稳定问题,即约束青藏直流最大输送容量的首要稳定因素由之前的电压稳贾俊川,等青藏直流投运后藏中电网稳定特性研究.107一定问题转化为频率稳定问题。图4、图5所示分别为青藏直流功率165MW、负荷水平460Mw时曲哥220kV主变三相短路故障时的系统电压、以及直流双极闭锁、安控切除等量负荷后的藏中电网频率曲线。由图可见,此方式下,直流功率已达到频率稳定约束的极限,系统最低频率达到49.03Hz,而对应的藏中电网的电压稳定水平却很强。I挞苎生!!:!型:兰当壁!Q!:l妇_^-_.图4曲哥主变故障时电压曲线Fig.4VoltagecurvewithQugetransformerfault图5双极闭锁时频率曲线Fig.5FrequencyCurvewithDCbipolarblockfault3.3虎曲线功率送出极限林芝电网负荷较轻,负荷仅占发电的10%~25%,其主要发电机组老虎嘴、雪卡电厂大部分电力均通过长度为287km的虎曲线送入拉萨主网,为典型的送端电网,虎曲线的送出能力对藏中电网的运行具有至关重要的作用,青藏直流未投运前,暂态稳定是虎曲线丰水期外送面临的主要问题。图6为虎曲线送出简化图,其中、分别代表线路始端和末端电压,因此虎曲线输送功率为FTTFTfP=.z' ̄dt'Jsin,其中兰为送出系统的静态最大输送能力,主要由网架结构决定,其大小主要与传输阻抗有关。若仅考虑电厂升压变电抗(0.11pu)、虎曲线电抗(0.18pu)和曲哥主变电抗(0.05pu),可估算出虎曲线外送系统的静态最大输电能力为290MW。图6虎曲线送出原理图—Fig.6Huqulinepowertransmissionschematics丰水期,林芝地区电网老虎嘴和雪卡电站满发,降低林芝电网负荷增加外送电力,计算得到虎曲线暂态稳定极限130MW,如图7所示。叵巫匾亘亘亘三垂圃t/s图7虎曲线送出线路功率Fig.7Huqulinetransmissionactivepower当青藏直流投运后,虎曲线外送功率极限不仅与机组开机方式和本线路的暂态稳定极限有关,也与青藏直流输送功率存在着很大的耦合关系。夏季方式下,尤其在大负荷方式下,藏中电网是一个大受端电网,虎曲线与直流均以220kV线路向藏中电网输送较大功率,其总和将占到接近藏中电网负荷50%的水平,220kV环网下网功率较大,两者均为大方式送电时,220kV主变将可能出现过载现象,同时由于负荷中心电源支撑能力较弱,藏中电网交流线路或主变故障将可能导致电网失去稳定。为此,须对虎曲线和直流功率之和进行限制。表2所示为2012年丰大方式下,不同开机方式下对应的虎曲线和直流功率极限。从表2中可以表2虎曲线与直流功率关系—Table2RelationshipofDCandHuqulineactivepower一108一电力系统保护与控制看出,满足一定的开机方式下,直流功率极限和虎曲线功率极限均为120MW,但为保证电网的安全稳定运行,两者之和不能超过200MW。3.4换相失败青藏直流投产初期,藏中电网220kV网架仍较“”薄弱,大直流弱交流,大机组小电网问题突出。运行以来,青藏直流先后共发生多次换相失败,故障期间直流需要吸收大量无功功率,从而拉低系统电压;同时由于换相失败期间直流系统的输出功率瞬时下降,电网的频率也将出现较大波动。直流发生换相失败,引起交流母线电压降低,这是典型的大直流与小受端电网存在的问题。另一方面,藏中电网短路容量较小,交直流系统的相互影响较大,交流系统的主变或线路故障极易引发直流发生换相失败。据统计,截止2012年10月份,青藏直流共发生了14次换相失败,其中有9次换相失败均由藏中电网交流故障或扰动引起。3.5青藏直流特殊性藏中电网短路容量较小,青藏直流与其他直流系统相比具有一定的特殊性。1)直流送电与机组开机耦合根据设计要求,青藏直流可靠运行的最小有效短路比【9l要求大于2.7。藏中电网的短路容量小,如表3所示,而9E燃机提供的短路容量较大,在枯大方式提供38%的短路容量,枯小方式提供45%的短路容量。表3换流站短路容量—Table3Shortcircuitcapacityofconverterstation从表3可看出,燃机是保障青藏直流大功率送电的可靠保障,因此,若直流需要大比例受电时,需要投运9E燃机。2)直流起停需特殊处理常规直流一般以额定电压、10%额定电流的方式正常解锁/闭锁,由于藏中电网网架薄弱、短路容量较小,直流设计输电容量占藏中电网负荷比例高,直流有功功率波动对交流电网的电压和频率冲击较大。为减小直流起停对藏中电网的较大冲击,青藏直流采用25%额定电压(100kV)、10%额定电流(75A)的特殊方式起停。图8所示为2011年枯小方式下,藏中电网负荷220MW,直流按最小功率7.5Mw起动时藏中电网频率,频率最高升高0.42Hz;若燃机退出,则藏中电网频率最高升高0.98Hz。图8最小功率起动时系统频率Fig.8FrequencywithDCminimumpowerswitchingon另一方面,换流站SVC投运时,换流站投入2组滤波器后,拉萨220kV母线暂态电压升高约15.5kV,稳态电压升高约2_3kV;若无SVC,暂态电压升高约19.2kV,稳态电压升高约11-3kV,不满足电压波动的要求,如图9所示。因此,要求换流站SVC正常投入后,才能解锁直流。E亘耍囹s(b)换流站SVC未投运图9投切滤波器时电压曲线Fig.9VoltagecurvewithfiltersswitchingⅢ瑚羞;珈戮甾贾俊川,等青藏直流投运后藏中电网稳定特性研究.109.3)直流再起动功能需进行优化直流再起动次数一方面由直流输送功率的可靠度决定,另一方面还需要考虑长时间故障时直流功率损失对交流电网的冲击。接入较强电网的常规直流一般在单极运行时投入一次全压和一次降压(70%额定电压)再起动,双极运行时投入两次全…压和一次降压再起动。由于藏中电网的网架结构比较薄弱、电网规模和转动惯量小,为减小直流再起动对藏中电网的较大冲击,需要对直流再起动功能进行优化,即青藏直流单极运行情况下,退出降压再起动功能,仅投入一次全压再起动;青藏直流双极运行情况下,建议直流按照定功率控制模式运行,直流两次全压和一次降压再起动功能正常投入。4结论青藏直流联网工程投运极大地缓解了西藏中部电网长期季节性缺电问题,但同时也给藏中电网的安全稳定运行带来诸多挑战。针对直流联网以来青藏直流以及藏中电网运行中存在的各种稳定问题,深入分析了青藏直流投运后藏中电网的电源特性变化、稳定特性转化、虎曲线功率送出、直流换相失败、交直流相互影响、以及直流特殊运行方式安排等安全稳定问题,为青藏直流以及藏中电网的安全稳定运行提供理论参考依据。参考文献[1]赵森林,王永平,李林,等.青海~西藏+400kV直流联网工程的控制保护策略优化[J].电力系统自动化,—2013,37(9):129133.—ZHAOSen-lin,WANGYongping,LILin,eta1.OptimizationofcontrolandprotectionstrategiesforQinghai-Tibet 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