1 000 MW级机组接入220 kV电网技术条件研究

李灏恩，唐琪，王丽君

（1.国网上海市电力公司，上海 200122；2.中国电力工程顾问集团 华东电力设计院有限公司，上海 200063）

1 000 MW级机组接入220 kV电网技术条件研究

李灏恩1，唐琪1，王丽君2

（1.国网上海市电力公司，上海 200122；2.中国电力工程顾问集团 华东电力设计院有限公司，上海 200063）

随着负荷和网架的发展，近年来负荷中心的1 000 MW级机组电力就近消纳的趋势越来越明显，但1 000 MW级接入220 kV电网目前还处于探索阶段，缺乏实际运行经验。研究1 000 MW级机组接入220 kV电网的积极效用和对电网运行的影响，寻找限制接入的主要因素；将制约因素转换为对系统短路容量和机组接入距离的要求，在同一个坐标系内利用图解法进行分析。结果较为直观地体现了各因素的不同影响效力。以上海某220 kV电网为例，提出开展1 000 MW级机组接入220 kV电网试点的设想，得出了在某些典型供电分区内1 000 MW机组接入220 kV电网的主要技术条件。

1 000 MW级机组；220 kV电网；并网技术

在电网发展的初期，1 000 MW机组接入500 kV超高压电网，有利于其电力长距离输送，同时，可对电压起到支撑作用[1-2]。至2014年，华东电网拥有1 000 MW级机组共44台，均接入500 kV及以上电网。

随着局部电网负荷密度的不断增大，大机组电力电量就近消纳的趋势越来越明显；同时，节能减排措施使得部分地区220 kV电网的装机量有所下降，出现了电网对500 kV/220 kV降压容量需求扩大的现象。部分负荷稠密地区或出现了大机组接入220 kV电网的可能性[3-4]。但国内1 000 MW机组接入220 kV电网的工作目前还处于探索阶段，缺乏实际运行经验[5]。

本文从1 000 MW级机组接入220 kV电网可能带来的积极作用和存在问题入手，寻找1 000 MW级机组接入220 kV电网的接入技术条件，并结合上海电网的实际情况，提出了开展1 000 MW级机组接入220 kV电网试点工作的方案设想。

1 1 000 MW级机组接入220 kV电网可能带来的影响

1.1 对分区供电能力的影响

通过研究上海电网内负荷密度较高的供电分区划分的实际情况[6]，选取单个变电站的4～5台主变形成独立片区、单台主变容量1 000 MV·A的典型情况进行研究。主要对比纯主变供电模式和1 000 MW机组替代部分主变的混合供电模式对供电能力的影响。其中主变过载系数按1.5倍考虑，功率因数按

0.95考虑。计算结果见表1。

表1 纯主变与混合供电的供电能力Tab.1 Power supply capacities comparison of transformers and hybrid power supply system

对于规模为4台或5台主变的供电分区模式，可以考虑采用2～3台1 000 MW机组接入220 kV电网的方式来替代相应数量的1 000 MV·A主变。但由于发电机组不具备主变的过载能力，替代后，片区内供电能力与纯主变供电模式相比有所损失，最大损失达23%。

1.2 节约电网投资

设想增加某分区供电能力的方式有：

1）2台机组接入500 kV电网，另扩建2台1 000 MV·A主变。

2）2台1 000 MW机组接入分区220 kV电网。

2种方式的建设内容对比见表2。

表2 不同方式的工程量比较Tab.2 The amounts of construction needed by different modes

在分区220 kV电网接入1 000 MW机组，避免了机组电力先升压再降压的二次变压，减少电网对500 kV/220 kV主变降压容量的需求，可大幅节约500 kV主变和开关的设备投资，具有良好的社会经济效益。

1.3 对分区短路电流的影响

1.3.1 1 000 MW机组接入220 kV

1）对220 kV接入点的影响。1 000 MW机组对220 kV接入点注入的三相短路电流随着送出线路长度的增加衰减较为明显，同时升压变阻抗对限制短路作用也较为明显[7-8]。单台机组注入短路电流在6～7 kA[5]。

2）对分区主变500 kV侧的影响。机组接入220 kV后对500 kV侧短路水平的影响主要受原分区内的220 kV短路电流水平影响；主变台数、主变阻抗值和接入机组台数对也有影响[9]。计算结果见表3。可见，2台机组对接入分区的500 kV短路电流水平的增量最大约为3.6 kA。

表3 1 000 MW机组接入220 kV，分区主变500 kV侧三相短路电流增量Tab.3 With 1 000 MW units accessed to 220 kV，the growth of three phase short-circuit current on the transformer’s 500 kV side

1.3.2 1 000 MW机组接入220 kV与接入500 kV电网的对比

单台1 000 MW机组接入500 kV，对500 kV三相短路电流的注入3～3.5 kA，对主变220 kV侧三相短路电流的注入0.5～1 kA。

通过与1.3.1节结论对比，单台1 000 MW机组接入220 kV电网，比单台机组接入所在供区的500 kV电网，对主变500 kV侧带来的短路电流馈入可减小1～2 kA，对主变220 kV侧带来的短路电流馈入增加5～6 kA。

在目前我国广大地区（西北除外）500 kV电网密集互联、短路电流接续快速增大的背景下[10]，1 000 MW机组接入220 kV或对控制500 kV电网短路电流有利。

1.3.3 纯主变或机组主变混合模式的对比

对特定分区，对比不同供电模式的三相短路影响，计算结果见表4。500 kV系统侧提供短路电流按50 kA考虑。

供电分区采取主变+机组混合供电模式，在合理的组合模式下，可使分区的短路电流水平可控。与4台1 000 MV·A主变并列运行供电模式相比，用

2台1 000 MW机组代替2台1 000 MV·A主变可降低500 kV站220 kV侧短路电流2.5～4 kA，抬高500 kV侧短路水平2～3 kA。

表4 不同供电模式带来的三相短路影响Tab.4 The effects of the different supply modes on the three phase short-circuit current kA

1.3.4 对220 kV单相短路电流的影响

220 kV电网为中性点直接接地的系统。对于拥有220 kV站点数目较多的供电分区，单相短路电流常常超过三相短路电流[11]。1 000 MW级机组的升压变中性点一般选择直接（经隔离刀闸）接地。电厂的接入将进一步增加220 kV电网的接地点数目，可能造成单相短路电流进一步攀升。

1.4 机组停运的电压波动

机组停运引起电网的电压波动主要受到系统提供短路电流和机组停运时的无功变化量的影响[12-14]。当220 kV接入点系统提供的短路电流在30 kA左右时，若机组运行功率因数在0.9，则单机停运时机组高压母线的电压波动可能超过3.5%。当机组以高功率因数运行时，其对电压波动的影响较小[15-16]。计算结果见表5。

2 1 000 MW级机组接入分区220 kV电网的接入适应性条件

探讨2台1 000 MW机组在分区具备2～4台主变的情况下，1 000 MW机组接入220 kV电网所受到的不同条件约束，并总结1 000 MW机组接入220 kV电网的技术条件。

表5 单机停运时机组高压母线的电压波动Tab.5 Voltage fluctuations on the high voltage bus when the large-scaled unit withdraws

2.1 主要研究变量与约束条件

影响接入的主要电网变量：

1）接入机组台数。

2）主变并列运行台数。

3）电厂220 kV侧至500 kV变电站220 kV侧的线路长度。

4）机组运行功率因数。

5）500 kV系统侧提供短路电流。

考虑1 000 MW机组接入220 kV电网的主要约束条件：

1）主变500 kV侧短路电流约束（≤63 kA）。

2）主变220 kV侧短路电流约束（≤50 kA）。

3）电厂220 kV侧短路电流约束（≤50 kA）。

4）单台机组停运时电厂高压母线电压变动约束（≤3%）。

2.2 接入电网简化模型

为方便研究，认为电厂220 kV侧母线至变电站220 kV侧母线的电网回路可通过电路原理的中的网络变换公式简化为一个阻值，并将阻值换算为单回2×400 mm2截面导线的等效长度，如图1所示。

图1 1 000 MW机组接入220 kV电网简化模型Fig.1 Simplified model of the accessing of 1 000 MW units to the 220 kV grid

2.3 接入适应性分析

研究思路：将短路电流限制和电压波动要求都统一转换为对变电站500 kV侧、220 kV侧母线系统侧提供短路电流和机组接入等效线路长度的要求，绘制在同一个坐标系中，通过图解法进行分析。

以电厂220 kV侧至500 kV变电站220 kV侧的等效线路长度为横坐标，以主变500 kV侧、220 kV侧系统提供短路电流为纵坐标，根据不同的机组和主变组合模式，可绘制出一系列的适用范围曲线图，见图2—图4。图中，电厂220 kV短路电流约束和电厂接入点电压约束均投影至主变220 kV侧短路电流约束，主变500 kV侧短路电流约束直接以500 kV短路电流实际约束显示。

图2 2～3台主变+2台机组（功率因数0.9）Fig.2 2 or 3 transformers plus 2 generators（with the power factor 0.9）

图3 2～3台主变+2台机组（功率因数0.95）Fig.3 2 or 3 transformers plus 2 generators（with the power factor 0.95）

2.4 接入技术条件

通过分析2.3节中接入适用范围曲线图2—图4，得到1 000 MW机组接入220 kV电网的技术条件：

1）2台1 000 MW机组接入220 kV电网，接入供电片区的主变并列运行台数可以2～4台。

图4 4台主变+2台机组（功率因数0.9）Fig.4 4 transformers plus 2 generators（with the power factor 0.9）

2）机组功率因数0.9时，要求接入前片区主变220 kV侧系统提供短路电流水平最低需在22 kA以上，最高需在38 kA以下。机组功率因数0.95时，要求接入前片区主变220 kV侧系统提供短路电流水平最低需在12 kA以上，最高需在40 kA以下。

3）接入片区并列运行2～3台主变，接入前片区主变500 kV侧系统提供短路电流水平最高需在60 kA以下。接入片区并列运行4台主变，接入前片区主变500 kV侧系统提供短路电流水平最高需在58 kA以下，且在机组等效接入长度在3 km以内时，500 kV侧系统提供短路电流水平的约束明显加强。

4）机组功率因数从0.9提高至0.95，接入等效长度的约束条件大幅放宽。

3 上海试点工程设想

上海A电厂现役4台300 MW级机组，机组煤耗偏高，运行年限长，减排压力大。根据电厂现有厂址的建设条件，电厂具有“上大压小”、在原厂区内建设2×1 200 MW级机组的可能。

通过电力平衡和短路初步分析，若A厂实施“上大压小”，电厂所在的供电分区则可能具有1 000 MW级机组接入的电力消纳空间和短路电流接纳能力。设想上海电网以A电厂进行1 000 MW级机组接入220 kV电网的试点工程。方案设想：

1）利用A电厂现有的8回220 kV线路送出。

2）过渡期，500 kV B变电站4台主变合母运行，以满足电厂建设期间由于原4×300 MW级机组在第1台大机组投运前退出运行时负荷的供电需求。

3）2台1 200 MW级机组投入运行后，为限制B

站220 kV侧短路电流，B站4台主变需备用1台，剩余3台主变1/2分母运行。试点工程方案的三相短路电流计算结果见表6。

表6 试点工程短路计算结果Tab.6 The three phase short-circuit current of the access scheme kA

结合第2节中对1 000 MW级机组的接入技术条件的分析，B变电站220 kV母线1的短路电流在电厂接入后达43.9 kA，接入前应在30 kA左右，理论上满足“机组功率因数0.9时，要求接入前片区主变220 kV侧系统提供短路电流水平最低需在22 kA以上，最高需在38 kA以下”的条件。

初步判断接入方案从分区短路电流和电压波动控制角度存在一定可行性，建议结合工程进一步细化研究。

图5 接入方案示意图Fig.5 Diagram of the access scheme

4 结论

1）1 000 MW机组接入220 kV电网或可替代或推迟相应数量的1 000 MV·A主变建设。优点在于节约主变投资，避免二次变压带来的损耗，对控制500 kV电网短路电流有利；缺点在于分区供电能力较纯主变供电有部分损失，同时1 000 MW机组单机停运时引起的电网的电压波动以及分区单相短路电流控制问题，需得到关注。

2）通过分析1 000 MW级机组接入分区220 kV电网的接入适应性，从理论上得出了部分机组与主变组合下制约接入的关键技术条件。1 000 MW机组接入220 kV电压等级未来或可在具备条件的电网中开展试点研究。

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（编辑 董小兵）

Technical Conditions of 1 000 MW Units Accessing to the 220 kV Grid

LI Haoen1，TANG Qi1，WANG Lijun2
（1.State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai 200122，China；2.East China Electric Power Design Institute Co.Ltd.，CPECC，Shanghai 200063，China）

All the 1 000 MW generating units have been accessed to the power grid of 500 kV and above.With the rapid load growth in developed areas，the power of large scale generating units can be consumed nearby，no longer need to be transmitted over distance.There may be some chances which make it possible to allow the access of 1 000 MW Units to the medium voltage network.First，this paper studies the effects of 1 000 MW units accessing to the 220 kV Grid and effects on the power supply capability，investment，short-circuit current，voltage variation when the large-scare units withdraw，and then analyzes the restriction of the key factors using graphic method，and finally gives out the technical conditions of 1 000 MW Units accessing to the 220 kV Grid under the typical power supply models.Considering the current situation of the Shanghai power grid，the paper also puts forward a prospect of accessing scheme of 1 000 MW units to the 220 kV grid in Shanghai.

1 000 MW generation unit；220 kV grid；accessing technology

2016-03-13。

李灏恩（1984—），男，博士，工程师，主要研究方向为电网规划、系统分析；

唐 琪（1970—），女，学士，工程师，研究方向为电网规划、系统分析；

王丽君（1984—），女，硕士，工程师，主要研究方向为电网规划。

国家自然基金资助项目（51307104）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（NSFC）（51307104）.

1674-3814（2016）09-0011-06

TM715

A