异步联网对云南电网安全稳定性的影响

蔡葆锐,王兴刚,司大军

(云南电网规划研究中心,昆明 650001)

云电论坛获奖论文

异步联网对云南电网安全稳定性的影响

蔡葆锐,王兴刚,司大军

(云南电网规划研究中心,昆明 650001)

南方电网确定了异步联网的技术路线,计划在2016年实现云南电网与南网主网的异步互联,这将对云南电网的安全稳定运行提出新的挑战。本文深入研究了异步联网对云南电网频率稳定性、功角稳定性、小扰动稳定性和电压稳定性的影响,结果表明,异步联网后云南电网频率稳定问题凸显,需要引起高度重视。文章进一步提出了相关安全稳定控制措施的建议。

异步联网；频率稳定；功角稳定；小扰动稳定；电压稳定

0 前言

南方电网确定了异步联网的技术路线,相关工程已经开始实施。按照计划进度,鲁西直流背靠背工程和±500 kV永仁至富宁直流工程均于2016年同时建成投运,届时云南电网与南方电网主网将实现异步互联。

异步联网后,云南电网作为网架结构较为薄弱、负荷水平较低的多直流送端电网,其频率稳定性、功角稳定性和小扰动稳定性都有何变化,需要采取哪些安全稳定控制措施,都是非常值得研究的内容,也是本文关注的重点。

1 异步联网方案

云南与南方电网主网异步联网主要由如下两个直流工程组成 (方案示意见图1)：

图1 云南与南方电网主网异步联网方案示意图

1)鲁西直流背靠背工程：远期规划3 000 MW,本期建设1 000 MW常规直流单元和1 000 MW柔性直流单元。

2)±500 kV永仁至富宁直流工程：输送容量3 000 MW,可以实现双极全送云南、双极全送广西和单极分送云南广西三种运行方式。

2 对云南电网频率稳定性的影响

异步联网前,由于南方电网容量大,任一直流单极闭锁均不存在频率问题,任一直流双极闭锁造成系统功角失稳,采取切机措施后可以保持功角和频率稳定,切机量由功角稳定性决定。异步联网后,云南电网容量降低,频率稳定性很可能发生变化。

频率稳定计算采用2016年汛期小方式,针对有频率失稳情况的采用丰大方式进一步校验。

计算原则如下：

1)按照 《电力系统安全稳定导则》中规定的第一、二级安全稳定标准要求,则直流单极闭锁故障以及直流双极闭锁故障采取稳控措施后,云南电网高周切机和低频减载装置应不动作,即故障后云南电网频率应不低于49.0 Hz,且不高于50.6 Hz。其中,低于49.0 Hz将造成低频减载动作；超出50.6 Hz将引起稳控的高周切机动作。

2)同时,按照 “联络线因故障断开后,要保持各自系统的安全稳定运行”的要求,暂态过程中云南电网频率应低于51.5 Hz、高于47.5 Hz,且事故后系统频率能迅速恢复到49.2 Hz～50.5 Hz之间。其中,低于47.5 Hz可能造成系统频率崩溃；超出51.5Hz将可能引起机组的OPC或高周保护动作,造成无序跳闸,进而造成频率崩溃。

2.1 直流单极闭锁

楚穗直流、糯扎渡直流双极全功率运行时,单极闭锁后云南电网最高频率分别达到50.76 Hz、50.70 Hz(如图2、图3所示),小于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz,但均大于云南电网高周切机起始值50.6 Hz,即单极闭锁

图2 楚穗直流全功率运行,单极闭锁云南电网频率

图3 糯扎渡直流全功率运行,单极闭锁云南电网频率

不采取安稳措施会造成高周切机动作。

溪洛渡直流、鲁西背靠背直流单极闭锁均不会造成高周切机动作。

2.2 直流双极闭锁

楚穗直流双极全功率运行,双极闭锁后云南电网最高频率达到51.55 Hz,大于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz。当切除小湾、金安桥共3 900 MW机组后,最高频率达到50.36 Hz,小于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz与云南电网高周切机起始值50.6 Hz。

图4 楚穗直流全功率运行,双极闭锁云南电网频率

糯扎渡直流双极全功率运行,双极闭锁后云南电网最高频率达到51.55 Hz,大于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz。当切除糯扎渡电站、景洪电站、墨江水电共3 930 MW机组后,最高频率达到50.34 Hz,小于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz与云南电网高周切机起始值50.6 Hz。

图5 糯扎渡直流全功率运行,双极闭锁云南电网频率

溪洛渡直流双极全功率运行,双极闭锁后云南电网最高频率达到50.97 Hz。当切除溪洛渡电站2 800 MW机组后,最高频率达到50.22 Hz,小于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz与云南电网高周切机起始值50.6 Hz。

鲁西背靠背直流全功率运行,全部闭锁损失2 000 MW后云南电网最高频率达到50.63 Hz,小于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz,但大于云南电网高周切机起始值50.6 Hz,如果不采取安稳措施会造成高周切机动作。

图6 溪洛渡直流全功率运行,双极闭锁云南电网频率

2.3 直流双回四极闭锁

溪洛渡直流双回四极全功率运行,送出功率6 400 MW时,双回四极闭锁后电网失稳,切除溪洛渡电站1 400 MW机组,系统功角稳定,但是云南电网最高频率达到51.81 Hz,不满足频率要求。

再切除溪洛渡电站2 800 MW、龙开口电站720 MW机组后,最高频率达到50.48 Hz,小于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz与云南电网高周切机起始值50.6 Hz。

图7 溪洛渡直流全功率运行,四极闭锁云南电网频率

2.4 大方式校核

根据前面分析,小方式下楚穗直流、糯扎渡直流单极闭锁后电网频率均大于云南电网高周切机起始值50.6 Hz,不满足N-1原则,下面采用2016年汛期大方式进行校核,各直流均采用双极全功率运行。

图8 大方式下楚穗直流单极闭锁云南电网频率

图9 大方式下糯扎渡直流单极闭锁云南电网频率

如图8、图9所示,楚穗直流单极闭锁,最高频率50.66 Hz；糯扎渡直流单极闭锁,最高频率50.65 Hz。

校核结果表明：2016年汛期大方式下,楚穗直流、糯扎渡直流单极闭锁后电网频率小于云南电网火电机组过速保护动作值51.5 Hz,但大于云南电网高周切机起始值50.6 Hz,即单极闭锁不采取安稳措施会造成高周切机动作。

3 对云南电网功角稳定性的影响

功角稳定计算采用2016年汛期大方式,异步联网前、后云南省内主要断面潮流基本一致,云南外送潮流基本一致。

3.1 直流双极闭锁

由表1可知,异步联网前,楚穗直流、糯扎渡直流双极闭锁功角失稳,均需要切除约200万机组；异步联网后,各回直流双极闭锁均能保持功角稳定。

主要原因在于：异步联网前,直流双极闭锁后大量功率转移到交流通道引起功角失稳。

表1 异步联网前后直流双极闭锁功角稳定情况

3.2 交流线路、主变N-2

经过全网扫描计算,异步联网后红河至砚山线路N-2将使云南文山地区孤网；除此以外,异步联网前、后,云南500 kV交流线路、主变N-2故障功角稳定情况一致。

下图为500 kV大理至和平线路N-2故障,云南异步联网前、后仁和至厂口线路有功曲线的对比,可以看出,异步联网前的阻尼略好于异步联网后的阻尼,0.6 Hz左右振荡频率,异步联网前阻尼比为 1.886%,异步联网后阻尼比为0.935%。阻尼比的变化与异步联网前、后系统容量的变化有关。

图10 大和线N-2,仁厂线有功

4 对云南电网小扰动稳定性的影响

采用与功角稳定计算相同的计算数据。

异步联网前,云南与香港广东振荡模式的振荡频率0.31 Hz,阻尼比27.9%；异步联网后,该振荡模式消失。

异步联网前、后,云南电网内部的振荡模式没有变化,振荡频率和阻尼比非常接近,阻尼比均大于4.5%,详见表2。

表2 异步联网前后小扰动稳定情况

5 对云南电网电压稳定性的影响

异步联网前,各直流闭锁故障后,由于潮流大量转移至交流通道,导致500 kV西电东送交流通道电压显著降低。如图11所示,当糯扎渡直流单极闭锁后,云南外送交流通道的电压下降较大,砚山变电压稳定在499 kV,崇左变电压稳定在478 kV左右,但尚能满足大扰动电压稳定的判据(中枢点母线电压不低于0.9 p.u.)。

图11 糯扎渡直流单极闭锁后砚山、崇左电压

异步联网后,西电东送各回直流闭锁故障后云南电网电压情况极大好转；永仁至富宁直流闭锁故障会引起云南省内东西交流通道电压降低,但由于受端富宁换流站装设了STATCOM,电压均可以稳定在510 kV以上。

6 结束语

1)异步联网后,云南电网的频率稳定问题凸显。楚穗直流或者糯扎渡直流单极闭锁故障有可能导致云南电网高周切机动作；双极闭锁故障不再会导致功角失稳,但是会导致系统频率失稳,通过切除机组可以保证系统频率稳定。

2)异步联网避免了直流故障后大量功率转移到交流通道,有利于提高直流故障后的功角稳定性和电压稳定性。

3)异步联网后,云南500 kV交流线路故障功角稳定情况与异步联网前一致,但是阻尼比略有降低。

4)异步联网后,云南与香港广东振荡模式消失,云南电网内部的振荡模式没有变化。

5)针对异步联网后的频率稳定性问题,建议加强云南电网二、三道防线配置研究；考虑在直流单极闭锁后切除部分机组,防止高周切机动作；尽早开展异步联网方式下的直流频率限制控制 (FLC)技术研究,及时投入工程应用。

[1] 中国电力工程顾问集团中南电力设计院.云南电网与南方主网背靠背直流异步联网工程可行性研究报告[R].2014.3.

[2] 中国电力工程顾问集团中南电力设计院.西南电力设计院.云南永仁至富宁±500 kV直流输变电工程可行性研究报告[R].2014.1.

[3] 云南电网公司.云南电网2014年运行方式 [Z]. 2014,2.

[4] 云南省电力设计院.云南电网2016～2018年专题规划研究报告 [R].2014.1.

Impact of Asynchronous Networking for Yunnan Power Grid Security and Stability

CAI Baorui,WANG Xinggang,SI Dajun
(Yunnan Power Grid Planning＆Research Center,Kunming 650011,China)

China Southern Power Grid has determined the technical route of asynchronous network,and plan to achieve asynchronous interconnection of Yunnan power system and Southern Power Grid in 2016.This will bring new challenges to the safety and stability of Yunnan power grid.This paper deeply studies the influence of asynchronous network on the frequency stability,power angle stability,small disturbance stability and voltage stability in Yunnan power grid.The results show that,after asynchronous networking,frequency stability problem is very serious,need to pay close attention to.The paper further puts forward safety and stability control measures.

asynchronous network；frequency stability；power angle stability；small disturbance stability；voltage stability

TM935

B

1006-7345(2015)01-0083-04

2014-10-28

蔡葆锐 (1975),男,高级工程师,云南电网规划研究中心,从事电网规划工作 (e-mail)cbaorui＠sina.com。

王兴刚,男,博士,高级工程师,云南电网规划研究中心,主要从事电力系统安全稳定性分析、电网规划、新能源并网、智能电网方面的研究工作 (e-mail)68529848＠qq.com。

司大军 (1976),男,博士,高级工程师,云南电网规划研究中心,电网安全稳定分析工作,在电力系统机电暂态仿真、电磁暂态仿真、电网运行与规划等方面开展理论与应用研究 (email)dajunsi1976＠163.com。