2×660 MW机组接入区域电网系统安全稳定分析及对策研究

黎劲松，刘伟航，杨宝起，陈志英，高玉喜，王新宝

(1.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832000；2.南京南瑞继保电气有限公司, 江苏 南京 211102)

石河子电网是新疆生产建设兵团农八师专属220 kV区域电网[1]，通过两回110 kV线路与新疆主网弱联网。截至2016年底，全网装机容量达674.7万kW，最大负荷需求达360万kW，其负荷密集并且主要为大中型工业用户。为改善电网潮流分布、提高电网投资效益和电厂发电效益、降低网损，计划2017年5月天富电厂2×660 MW机组投入运行，由于单机容量相对区域电网容量大，石河子电网 “大机大负荷小网”[2]特征更加明显。

随着660 MW机组投产以及网架的不断变化，将引起石河子电网的机网协调和安全稳定控制等方面的一系列问题。机组投运后调峰将更加困难，电热矛盾进一步加剧。电源增长速度大于负荷增长，660 MW机组投运将会严重挤压小火电的开机，严重影响区域电网的电压稳定以及低频减载、高频切机方案；冬季方式下660 MW机组投运后需要关停南热电厂、天河电厂机组，冬季供热无法保证。针对石河子电网“大机大负荷小网”特点，660 MW机组跳闸后没有足够的可切负荷量等。为保证石河子电网的安全稳定运行，660 MW机组投运区域电网[3-4]引发的问题亟待解决。

本文结合石河子电网现状和发展规划，对电网安全运行风险点进行梳理，在机组投运对石河子电网潮流分布、短路电流及暂态稳定等方面的影响进行对比分析和研究，提出应对660 MW机组投运后石河子电网安全稳定控制优化方案及运行方式调整指导建议。

1 计算边界条件

电网运行方式考虑石河子电网与新疆主网联网、石河子电网孤网运行两种方式。结合电网的电源及负荷特性，夏大、冬大及冬小典型方式均需考虑。

石河子电网工业负荷主要为铝业负荷和硅业负荷，采用90%恒电流负荷+10%感应电动机负荷；其他为农业、居民生活负荷，采用40%～70%的感应电动机负荷+30%～60%恒阻抗负荷。

发电容量为50 MW及以上的火电机组，25 MW及以上的水电机组模型采用Eq’，Eq”，Ed”变化5阶详细模型；发电容量50 MW以下的火电机组，25 MW以下的水电机组采用1型同步机模型即：Eq’恒定的2阶模型。

暂态稳定计算中220 kV线路三相永久性故障：故障后0.12 s跳开故障线路两侧三相开关。

依据《电力系统安全稳定导则》的规定，电网稳定判断标准包括功角稳定、电压稳定、频率稳定和热稳定[5-6]。

采用中国电科院的PSASP 7.21版综稳程序。

2 660 MW机组投运后系统潮流分析

2.1 机组投运后电网运行方式

根据石河子电网现状及十三五规划[7]，天富电厂2×660 MW机组投运后电网运行方式如图1所示。

图1 天富电厂机组投运后电网运行方式示意

方式1：天富电厂2×660 MW机组均投运接入220 kV联众变，石河子电网通过110 kV玛东双线与新疆电网相连。

方式2：根据十三五规划新建220 kV欣旺变，欣旺变串接入南热电-绿洲线和南热电-天河线，新建220 kV欣旺变-天河双线，取消南热电-绿洲线，天富电厂母线分列运行，一台660 MW机组接入联众变，一台660 MW机组接入欣旺变，石河子电网通过110 kV玛东双线与新疆电网相连。

方式3：欣旺变投运，断开220 kV联众-绿洲双线，天富电厂母线并列运行，2×660 MW机组均投运并且同时接联众变和欣旺变，石河子电网通过110 kV玛东双线与新疆电网相连。

2.2 潮流对比分析

夏大、冬大方式下受夏季水电开机、冬季火电供热的影响，以及合盛、天铝子系统发电负荷自平衡等的影响，天富2×660 MW机组投运，必须关停220 kV侧南热电厂、天河电厂机组，对220 kV侧的潮流转移等产生较大的影响，还控制剩余机组出力使得玛东双线上下网潮流不超过100 MW。同时，为使得短路电流水平不超标、潮流分布合理、避免“N-1”过载及避免运行控制复杂化，需采取220 kV/110 kV电磁环网解环。

在夏大方式下，图1中的三个运行方式，石河子电网机组总出力为367万kW，总负荷为352.8万kW，玛东双线上网80 MW。由于110 kV电网内水电大发、光伏发电以及火电机组出力，可通过绿洲变断开110 kV侧或者南热电变高停运来实现电磁解环，图1中运行方式1下为避免天富电厂～联众I、II线“N-1”后过载，需控制天富660 MW电厂机组出力总和不超过800 MW；图1中运行方式2、方式3下需控制天富660 MW机组出力总和不超过960 MW满足“N-1”原则。

夏大方式下，民用负荷较大同时110 kV侧小火电停运导致110 kV电压支撑较弱，光华变下电网潮流重，作为末端电网的光华变所属区域电压偏低，当前电网内发电机无功出力较大，功率因数较低，只考虑通过投入并联电容器、退出并联电抗器等措施，不建议通过提高发电机励磁电压来改善电压水平。

图1中的三个运行方式，在冬大方式下，石河子电网机组总出力为322万kW，总负荷为314万kW，玛东双线上网60 MW；在冬小方式下，石河子电网机组总出力为291万kW，总负荷为290万kW，与新疆主网联络功率为零。由于冬季110 kV侧小火电受供暖影响需全开，而水电机组因冬季缺水出力很小，光伏出力小，下网功率较大，需通过南热电变高停运来实现电磁解环，可避免“N-1”过载，但与新疆主网的电气连接变弱。天富660 MW机组出力控制原则同夏大方式一样。

冬大、冬小方式，民用负荷较轻，发电机的功率因数比夏大方式更低，110 kV线路轻载，末端电网的光华变所属区域电压偏高，可通过调整220 kV厂站的变压器挡位使110 kV侧的无功更多地涌向220 kV侧，在不影响220 kV侧电压情况下可以有效降低110 kV侧电压。

3 660 MW机组投运后短路电流研究

在图1中的运行方式1下，与新疆电网联网，单台660 MW机组提高天富220 kV、联众变、绿洲220 kV、天铝电厂220 kV、天河电厂220 kV母线三相短路电流达3 kA以上，对远区光华220 kV母线短路电流提升较小，对110 kV侧母线的短路电流提升也较小；两台660 MW机组投运，联众、绿洲、天河电厂、天铝电厂220 kV三相短路电流不满足开关遮断容量30%裕度的要求。

在图1中的运行方式2、方式3下，夏大、冬大方式，天富660 MW机组投运可有效地提高全网各站三相短路电流水平并且提升效果一致，同时均满足开关遮断容量30%裕度的要求。相比方式1，方式2中天富电厂母线分列运行，方式3中联众-绿洲双线断开运行，可有效减少等效短路容量，660 MW机组投运推荐采用方式2或者方式3。

从电网长远考虑，针对可能出现的短路电流不满足开关遮断容量30%裕度要求，给出以下建议。

(1)在能够满足负荷需求和旋转备用要求的的情况下，合理安排开机台数。

(2)为了增大等效阻抗，降低短路电流水平，可考虑将电厂升压变分母运行。

(3)根据电网发展情况调整220 kV侧电网运行方式。

(4)选取合适的线路加装电抗器，发电机升压变采用高阻抗升压变。

(5)解开部分110 kV电磁环网，降低220、110 kV侧短路电流水平。

这些措施能够降低母线短路电流水平，但相应会导致电网稳定水平下降。实际电网运行中需综合考虑短路电流裕度与电网稳定性[8]。

4 660 MW机组投运后系统稳定特性分析

随着660 MW机组投产以及网架的不断变化，石河子电网稳定性日趋复杂，局部故障会引起整个区域电网失稳，石河子电网在孤网运行时主要面对的是频率稳定问题，与新疆主网联网运行时主要面临网内机组与新疆主网功角失稳、联络线功率越限问题。

4.1 孤网运行方式稳定分析

在孤网运行方式下，网内大容量机组跳闸或失磁跳闸及大用户甩负荷均会导致电网频率问题。天富电厂一台600 MW机组跳闸后，石河子全网频率持续快速下降，切除天铝负荷600 MW后，系统频率能够恢复到49.95 Hz，孤网稳定运行，如图2所示。

图2 系统频率曲线

通过对各机组调速能力校验以及仿真计算，在夏大、冬大方式下，天富660 MW机组跳闸和天铝300 MW负荷丢失两种故障，全网机组调节出力均未超过机组容量的7%。这与实际发电机特性相近，还有机组接近满发不具备调节能力，石河子电网最多能承受180 MW的功率缺额，可通过机组一次调频能保持电网稳定运行；超过180 MW的机组或者负荷丢失需稳控切机切负荷才能保证系统稳定运行。

4.2 联网运行方式稳定分析

在联网方式下，当前石河子电网与新疆主网的断面控制原则为玛东双线功率上网不超过100 MW，下网不超过110 MW[9-10]。天富2×660 MW机组投运，关停南热电厂一台330 MW机组、天河电厂关停一台330 MW机组，控制南热电厂和天河电厂剩余机组出力，分别研究660 MW机组投运后石河子电网发生联络线故障、网内“N-1”、网内“N-2”、检修“N-1”故障下的稳定情况。

针对天富2×660 MW机组的不同开机及出力情况，玛东双线三永“N-1”跳闸石河子电网均能保持稳定运行。

在夏大、冬大方式下，各220 kV线路以及主变“N-1”故障，在运行方式2和方式3下，控制天富两台机组总出力不超过800 MW时，石河子电网在“N-1”下无稳定问题；但网内有超过300 MW以上容量的机组或者负荷丢失，联络线会发生功率越限需采取稳控切机切负荷措施。例如，天富机组出力300 MW发生“N-1”跳闸，系统保持稳定运行但玛东双线功率越限，联络线断面稳态功率达120 MW，波动峰值达227 MW，具体见图3、图4。

图3 天河1号机组功角曲线

图4 系统频率曲线

在夏大、冬大方式下，控制天富两台机组总出力不超过800 MW时，当220 kV天富-欣旺双线、天富—联众双线、天铝—联众双线、绿洲合盛+绿洲-园区双线三永“N-2”故障，无暂稳问题，但会导致联络线功率越限，需要采取紧急切负荷措施。

在夏大、冬大方式下，控制天富两台机组总出力不超过800 MW时，当华联线检修时锦华线“N-1”或者锦华线检修时华联线“N-1”，光华、胡杨变区域孤网运行，频率崩溃，如图5所示。

图5 孤网频率曲线

5 660 MW机组投运稳定控制方案优化及运行调整指导建议

天富电厂2×660 MW机组投运后需关停其他机组，对电网运行及稳定控制影响大，电网调峰会更加困难，电热矛盾将进一步加剧，对石河子电网安全稳定运行及控制方案优化建议如下。

(1)为保证石河子电网在“N-1”、“N-2”、检修“N-1”故障下稳定运行，需控制天富机组出力不超过800 MW。

(2)天富电厂2×660 MW机组开机需关停南热电厂、天河电厂机组或者减出力，但南热电厂、天河电厂必须各保留至少一台机组运行。

(3)南热电厂主变检修“N-1”，石河子南部电网会孤网进行，需控制南热一台125 MW机组出力90 MW保证南热电厂110 kV侧出力与负荷基本自平衡，防止事故进一步扩大。

(4)为避免石河子电网夏大、冬大方式不同解环方案下的南热电主变“N-1”过载，考虑关停其他电厂机组或者降低天富机组出力来保证南热电一台125 MW机组运行。

(5)天富机组对近区220 kV母线短路电流水平抬升较大，可考虑天富电厂只开一台机组运行来降低短路电流水平。

(6)为保证石河子孤网运行时有足够的切机量，冬大、冬小方式下天富机组开机关停其他机组，要保证南热电一台330 MW机组出力至少300 MW，为保证高频切机量足够以及防止南热电厂被全切黑，还需保留南热一台125 MW机组出力至少90 MW，因此建议冬大方式天富机组出力不超过550 MW。

(7)天富2×660 MW机组投运，南热电厂、天河电厂等供热机组需要停运或减出力，导致石河子电网冬季供热无法保证；同时冬季甩大负荷时需要切机时必定需优先保证电网安全，供热机组必须参与切机。因此，综合考虑电网保供热和电网安全稳定运行，冬季天富机组不具备开机条件。

(8)针对石河子“大机大负荷小网”特点，660 MW机组跳闸后需要切除大量负荷才能保证系统稳定运行，而当前石河子电网实际没有足够的切负荷量，需考虑切除天山铝业电解铝负荷，需征得天山铝业用户同意。

(9)石河子电网考虑按照推荐的220/110 kV电磁解环运行方式下，南热电厂双主变高压侧同时断开时，低频减载一轮切负荷量过大，导致系统失稳。为了保证全网的低频减载量，建议通过方式安排避免南热电厂双主变高压侧同时断开的情况，例如单台主变检修时安排合环运行。

6 结语

660 MW机组接入区域电网易形成“大机大负荷小网”，极大地影响区域电网的安全运行和稳定控制，这也一直是区域电网安全运行和发展所面临的难题[10]。针对660 MW机组接入石河子电网，分析了区域电网在潮流分布、短路电流、暂态稳定等方面的影响，提出了机组投运后区域电网安全稳定控制优化方案及运行方式调整指导建议，有效提高了660 MW机组接入后区域电网安全稳定运行水平，为石河子电网的调度、运行和控制提供了有效的指导建议，所提出的方法对其他区域电网的运行控制具有较强的实际借鉴和参考价值。

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