呼辽直流工程投产后辽宁电网运行特性分析

李正文,许 静,高 凯

（1.辽宁省电力有限公司,辽宁 沈阳 110006;2.东北电力科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110006）

作为东北电网的负荷中心,辽宁电网主要通过辽吉、赤辽、霍通沙等省间输电通道从吉林、蒙东电网受电。“十一五”期间,随着辽宁经济社会的快速发展,辽宁电网最大外受电力比重由2005年的36%上升至2009年的46%,省间断面潮流不断加重,在省内机组缺煤停机以及集中临检等情况下,为防止相关断面过载,辽宁电网不得不采取避峰限电措施。据统计,在2005～2009年间,辽宁电网因电力供应不足限电19亿kWh左右。“十二五”期间,随着国家振兴东北老工业基地以及辽宁沿海经济带开放政策的进一步落实,辽宁电网用电负荷将迅猛增长,省内电源不足问题将更加突出。

为优化东北地区一次能源配置,缓解辽宁电网长期缺电的供需矛盾,国家电网公司历时3年多时间完成了呼辽直流工程的建设及投运工作。呼辽直流投产后,辽宁电网的受电能力显著增强,电网运行特性发生明显变化。

1 呼辽直流工程概况

1.1 送端系统网架

呼伦贝尔-辽宁±500 kV直流输电工程是我国首个采用直流输电技术的煤电基地电力外送工程,是联接内蒙古煤炭基地与辽宁省负荷中心的能源大动脉。系统双极额定输送容量300万kW,额定直流电压±500 kV,采用4×ACSR-720复导线,线路长度约908 km,工程投产后将与现运行的500 kV伊冯双回线形成蒙东电源外送通道。呼辽直流送端系统结构如图1所示。

1.2 送端系统装机

图1 呼辽直流送端系统结构示意图

呼盟地区是东北电网内主要的煤炭生产基地,长期以来,由于电源交流送出通道建设困难,目前该地区内仅有伊敏电厂一期工程2台50万kW、二期工程2台60万kW通过500 kV交流伊冯双回线接入龙江电网。呼辽直流工程投产后,蒙东地区将有伊敏电厂三期、鄂温克电厂、呼伦贝尔电厂共6台60万kW机组并网运行,预计到2011年底,呼辽直流送端系统装机规模将达到580万kW。

1.3 送端系统运行方式

呼辽直流送端系统存在交直流混联（见图1）和孤岛运行（伊敏电厂一、二期与三期分裂运行）两种方式。为减小呼辽直流对东北电网安全稳定运行的影响,在送端系统6台及以下机组运行时,采取交直流混联方式;在6台机组以上时,采取孤岛运行方式。

2 呼辽直流对辽宁电网的影响

2.1 双极闭锁对系统频率的影响

在呼辽直流双极闭锁事故下,辽宁电网最严重将损失360万kW电源。若不采取措施,电网频率将在1min内下降至42 Hz左右。因此,必须采取低频切负荷措施以防止发生电网频率崩溃事故。同时为缩短频率恢复过程,东北网调采取了呼辽直流双极闭锁回降高岭送华北75万kW电力的措施。经计算,在呼辽直流双极闭锁并且不考虑风电低频脱网的条件下,如果在系统频率降至49.5 Hz时,采取回降高岭送华北75万kW电力的措施,东北电网需要切除214万kW负荷（辽宁电网切除130万kW负荷）,便可保证不发生电网频率崩溃事故,如图2所示。

图2 双极闭锁事故下辽宁电网频率变化曲线

2.2 单极闭锁对系统频率的影响

在呼辽直流单极闭锁损失120万kW送端电源的情况下,辽宁电网频率将下降至49.6 Hz左右,如果频率进一步降低,高岭变回降送华北电力措施启动,电网频率至少恢复至49.7 Hz以上。

2.3 风电对系统频率的影响

近年来,辽宁电网风电装机容量迅猛增长,截止到2010年9月底,辽宁电网在运行风电容量已达到249万kW,居全国第二位。在呼辽直流双极闭锁事故下,随着电网频率的不断下降,部分风电机组将因变频器过热而脱网运行,从而加速电网频率崩溃过程。经计算,在呼辽直流双极闭锁并且考虑150万kW风电低频脱网的条件下,东北电网需要切除467万kW负荷才可保证不发生电网频率崩溃事故,如图3所示。

图3 风机脱网对电网频率变化过程的影响

2.4 对系统电压的影响

呼辽直流投产后,正常方式下,穆家换流站500 kV交流母线电压基本维持在527 kV左右,受此影响,鞍山变500 kV母线平均电压较呼辽直流投产前约升高5 kV,如图4所示。

在交流系统异常扰动导致呼辽直流双极闭锁的方式下,故障期间,鞍山变500 kV母线电压最低跌落至额定电压的70%左右,故障切除后,电压迅速恢复至正常水平,如图5所示。

2.5 对暂态稳定的影响

呼辽直流对系统稳定的影响,主要表现为送端系统在500 kV伊冯甲、乙线跨线故障情况下的暂态稳定问题,辽宁电网的暂态稳定特性在呼辽直流投产后没有发生变化,如图6所示。

2.6 对辽宁电网受电能力的影响

呼辽直流投产后,辽宁电网省间500 kV受电断面增加至四回,受电格局发生较大变化,电网受电能力进一步增强,如图7所示。

图7 呼辽直流投产后辽宁电网受电格局示意图

呼辽直流投产后,辽吉、霍通沙、赤峰等三回省间交流断面的输电能力基本保持不变。在呼辽直流送端系统交直流混联方式下,由于辽吉断面潮流转移至呼辽直流系统送出,因此断面的稳定问题有所缓解,在此方式下,辽宁电网整体受电能力提高60万kW左右;在呼辽直流孤岛运行方式下,辽宁电网省间断面的输电能力基本保持不变,经分析,在此方式下,辽宁电网整体受电能力提高150万kW左右。

2.7 对500 kV系统潮流分布的影响

呼辽直流投产前,辽吉断面、辽宁中部断面是辽宁电网“北电南送”的重要通道,尤其是辽吉断面经常满载运行。呼辽直流投产后,辽吉断面、辽宁中部断面潮流显著降低。呼辽直流投产前后,辽宁电网尖峰时段主要断面潮流变化情况如图8所示。

图8 呼辽直流投产前后主要断面潮流变化图

3 应对措施

3.1 简化送端系统运行方式

为防止发生送端系统580万kW电源同时损失事故,确定了“在送端系统6台及以下机组运行时,采用交直流混联方式;在送端系统7台及以上机组运行时,采用孤岛方式”的简化策略。采取此方式后,在最严重的事故方式下,辽宁电网仅损失300万kW电源。

3.2 回降高岭送华北电力

在呼辽直流双极闭锁事故下,减少送华北电力是缓解辽宁电网频率稳定压力的最有效方法。初步确定在东北电网频率降至49.5 Hz时,延时0.3 s,回降东北送华北一半电力的措施。

3.3 低频切负荷

低频切负荷措施是防止发生电网频率崩溃事故的最后一道防线。在呼辽直流双极闭锁、送端系统损失300万kW电源的事故下,辽宁电网低频减载方案的第一轮负荷将从电网中切除。严格保证低频切负荷数量,将高危及重要负荷移出基本级第一轮,是应对呼辽直流投产的最重要措施。

3.4 水电机组低频自启动

当电网频率持续降低时,自动投入处于备用状态的水电机组,是减少电网低频甩负荷数量、缩短频率恢复时间的主要手段。目前,桓仁、回龙等5个水厂已完成相关设备的采购工作,并计划结合机组检修作业,实现机组低频自启动功能。

3.5 调整风电机组低频保护定值

当电网频率降低时,风电机组从系统中切除会加速电网频率下降过程,扩大电网频率事故。根据呼辽直流研究结论,对不满足要求的风机频率保护定值进行调整,是避免辽宁电网出现大面积负荷损失事故的关键。目前,辽宁电网已投运风电机组的频率保护定值均已调整至48Hz以下,满足呼辽直流投产后电网对风机频率保护定值的要求。

3.6 事故预案编制及应急演练

针对呼辽直流双极闭锁事故,健全公司系统应对电网大面积停电的应急处置机制,提升调度、营销、安监、生技等部门在损失负荷统计、停电用户供电恢复、事故信息发布等方面的能力。

4 结束语

呼辽直流投产后,辽宁电网的受电格局及潮流分布均发生了较大变化,尤其是双极闭锁事故下的频率稳定问题,成为威胁电网安全稳定运行的主要隐患。以呼辽直流研究结论为依托,严格落实应对呼辽直流的各项措施,不断总结呼辽直流系统调度运行及管理维护经验,才能发挥呼辽直流对于提升辽宁电网受电能力、缓解辽宁电网供需矛盾的积极作用。