大电厂电力外送稳定性研究

张新德，徐晃，周良松

（1.湖北华电西塞山发电有限公司，湖北黄石 435001；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

大电厂电力外送稳定性研究

张新德1，徐晃2，周良松2

（1.湖北华电西塞山发电有限公司，湖北黄石 435001；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

湖北华电西塞山发电有限公司二期680MW新机组的投运给系统带来了暂态稳定问题，分析了电厂母线各种接线方案下系统的稳定性，指出了稳定问题最小的母线接线方式并提出了运行时应采取的应对措施。

外送电力；暂态稳定；失步；电压稳定；主接线

0 引言

随着电力工业的发展，电力系统的规模不断扩大，电网结构日益复杂，单机容量进一步提高，电力系统暂态稳定问题日趋严重。电力系统一旦失去稳定，往往会造成大范围、长时间停电，甚至使系统崩溃和瓦解［1］。2003年美加大停电以及2005年的莫斯科大停电，停电面积超过上万平方公里，受影响人口达几百万甚至上千万［2-3］。

大电厂长距离外送电力往往会出现稳定问题［4-5］。2014年湖北华电西塞山发电有限公司（以下简称西塞山电厂）二期新投产一台680MW机组，机组投运后系统出现暂态稳定问题，当外送线路发生故障跳闸时，导致黄石黄冈地区的发电机组失步。本文以西塞山电厂二期＃4机组为例，研究大电厂外送稳定问题及其对策。

1 系统和机组概况及存在的问题

西塞山电厂二期位于湖北省黄石市，黄石市黄冈地区220 kV电网接线如图1所示（图中，主变压器简称主变，变压器简称变，下同）。一般情况下，该地区与附近地区电网之间的220 kV联络线断开，仅通过大吉变电站和磁湖变电站与系统的500 kV电网相联。区内运行的发电机组均为火电机组，见表1。

表1 黄石市黄冈地区发电机组

新投运的机组命名为西塞山＃4机组，它和＃3机组的参数完全相同。区内的黄石＃209机组和天堂小水电机组停运。

图1 黄石市黄冈地区220 kV电网接线

西塞山电厂二期共有4条220 kV出线：塞磁双回线，长25.0 km；塞泥双回线，长51.4 km，均为同杆并架线路。新机组投运前，与之相连的500 kV磁湖变电站也将完成220 kV母线双母双分的改造。磁湖变电站220 kV母线双母双分后的接线如图2所示。

图2 磁湖变电站母线排列方式

正常运行时，磁湖变电站＃3母线和＃5母线的母联开关以及＃4母线和＃6母线的母联开关闭合。

稳定计算选用电力系统分析综合程序PSASP软件，采用2013年特高压投运后华北华中联网的数据库，内含华中五省一市网络模型。根据湖北省2014年电网运行方式，本文所有的计算条件均为黄石市黄冈地区2014年大负荷，考察的故障形式为区内220 kV主要电力元件发生三相永久金属性接地故障（简称三永故障），故障发生后0.12 s故障元件跳闸。一般情况下所有机组满发，切机时间为故障后0.25 s。

首先分析西塞山电厂二期合母运行时的稳定性。将合母方案记为方案1，如图3所示。

图3 方案1接线

计算结果为塞磁双回线中的Ⅰ回线或Ⅱ回线同时发生三永故障，经0.12 s双回线路均跳闸，会导致西塞山电厂二期机组失步，系统失去暂态稳定。

其中塞磁双回线西塞山侧发生三永故障而双回线同时跳闸前后的机组功角摇摆曲线如图4所示（所有机组功角均以三峡电厂左＃1机组为参照）。故障发生后黄石市黄冈区内机组功角增大，西塞山电厂二期的＃3，＃4机组功角持续增大至最终失步，其他机组经过功角振荡后在新的运行状态下恢复同步。如果故障后仅切除西塞山电厂二期的一台机组，另一台机组仍会失步（如图5所示），只有当2台机组全部切除后才能使整个系统恢复稳定（如图6所示）。

图4 发电机功角摇摆曲线1

稳定计算得出的使系统暂态失稳的具体结果见表2。

图5 发电机功角摇摆曲线2

图6 发电机功角摇摆曲线3

表2 方案1导致暂态失稳故障

由计算结果可知，西塞山电厂二期采用方案1合母运行时，塞磁双回线的严重故障会导致系统暂态失稳，切机后整个电厂停运。

系统暂态失稳的主要原因是西塞山电厂二期出线的塞泥双回线长度较长，电厂到黄泥湖的电气距离过远，当塞磁双回线故障跳闸后，发电机的功率极限大幅降低，轴系上的不平衡转矩使西塞山＃3，＃4机组功角持续增大，最终导致失步。

为应对暂态稳定问题，需研究其他接线方式是否比合母方式更合理。

2 不同接线方式的稳定性分析

2.1 方案2稳定性分析

方案2：西塞山＃3机组通过塞磁双回线向磁湖变电站供电，同时通过塞泥Ⅰ回线向黄泥湖供电；西塞山＃4机组通过塞泥Ⅱ回线馈供黄泥湖，如图7所示。暂态失稳故障见表3。

另外，吉张线故障双回跳闸会导致张家湾电压失稳，需切除张家湾部分负荷。

图7 方案2接线

表3 方案2导致暂态失稳故障

2.2 方案3稳定性分析

方案3：西塞山＃3机组通过塞磁双回线向磁湖变电站供电；西塞山＃4机组通过塞泥双回线向黄泥湖供电，如图8所示。暂态失稳故障见表4。

图8 方案3接线

表4 方案3导致暂态失稳故障

另外，吉张双回线或张春双回线故障跳闸并切除西塞山＃4机组后，张家湾、蕲春、蔡城、黄泥湖将大量缺电，需再切除该地大量负荷。

2.3 方案4稳定性分析

方案4：西塞山＃3机组接塞磁Ⅰ回线和塞泥Ⅰ回线；西塞山＃4机组接塞磁Ⅱ回线和塞泥Ⅱ回线，如图9所示。暂态失稳故障见表5。

图9 方案4接线

表5 方案4导致暂态失稳故障

3 方案选择

西塞山电厂二期母线4种接线方案稳定计算结果见表6。

（1）方案1。当塞磁Ⅰ回线、Ⅱ回线或双回线同时发生三永故障而同时切除塞磁双回线时，必须切除西塞山电厂二期2台机组才能保持系统暂态稳定。

（2）方案2。除塞磁双回线外，还有黄泥湖母线、泥春线以及塞泥Ⅰ回线三永故障也会导致暂态失稳。塞磁双回线磁湖侧三永故障同跳，仍须切除2台机组才能保持稳定。另外，吉张双回线同跳会导致张家湾电压失稳。

（3）方案3。黄石黄冈地区220 kV及以上交流线或一些重要电力设备发生三永故障，均可只切除1台机组保持系统暂态稳定。但当吉张双回线或张春双回线发生三永故障同跳时，为保持暂态稳定，须切西塞山电厂二期馈供黄泥湖的一台机组，切机后张家湾、蕲春、蔡城、黄泥湖将大量缺乏电力供应，造成大面积停电。

表6 各方案系统稳定问题汇总

（4）方案4。塞磁双回线三永故障同跳，需切除西塞山电厂二期2台机组才能保持暂态稳定，且磁湖＃5，＃6母线三永故障和塞磁Ⅱ回线磁湖侧三永故障跳闸也会导致系统暂态失稳。

对比4个方案：方案1暂态稳定问题比较严重，为保持系统暂态稳定，在某些故障下必须同时切除西塞山电厂二期2台机组，但是暂态稳定问题和电压稳定问题较少；方案2不能解决暂态失稳须切2台机组的问题，暂态稳定问题的故障形式比方案1多，而且张家湾容易发生电压失稳；方案3虽然暂态失稳只需切1台机组即可保持稳定，但暂态稳定问题的故障形式较多，而且黄冈地区供电可靠性严重下降；方案4不能解决暂态失稳须切2台机组的问题，而且暂态稳定问题的故障形式比方案1多。

综合考虑，选择方案1最为合适。机组投运时，电厂应配备稳控装置，当塞磁双回线发生相间故障时切除发电机。在线路或主变压器检修时应采取限制机组出力的措施，必要时须限制地区内的负荷。

4 结束语

应特别注意大型发电厂，特别是新投产机组外送电力是否会导致暂态稳定问题。西塞山电厂二期680MW机组从接入系统审查至投运，历时6年多，期间电网结构发生变化导致出现暂态稳定问题。机组投产前，通过分析4种不同的母线接线方案，得出方案1合母运行方式最为合理的结论，并提出了运行时应采取的应对措施。

［1］李宝兴，全宇文，任敏哲.电力系统安全稳定控制的分析与展望［J］.西北电力技术，2005，33（5）：18-21.

［2］陈海波.国内外城市大面积停电分析及启示［J］.广东电力，2008，21（2）：34-39.

［3］尚敬福.大面积停电应急关键理论及技术研究［D］.北京：华北电力大学，2009.

［4］张林，王璟，宋晓凯，等.2004年河南龙岗电厂外送稳定问题研究及对策［J］.河南电力，2004（4）：1-4.

［5］陆建忠.阳城发输电系统运行方式分析［J］.华东电力，2000（9）：12-15.

（本文责编：刘芳）

TM 712

：B

：1674-1951（2015）06-0009-04

张新德（1976—），男，湖北京山人，副总经理，高级工程师，工学硕士，从事火电厂基本建设管理和电气工程研究等方面的工作（E-mail：zhang.xd＠hxpgc.com）。

2014-10-17；

2015-04-20

徐晃（1991—），男，安徽涡阳人，在读硕士研究生，从事电力系统安全稳定控制方向的研究。

周良松（1967—），男，江西上饶人，副教授，工学博士，从事电力系统运行与控制、电力系统安全稳定在线决策及控制系统研究等方面的工作。