甘南电网孤网运行电压及其频率控制研究

2015-12-15白兴东牛启宏郝广平陶智全王锦程陆民赵红磊刘永湘

电气自动化 2015年3期

白兴东，牛启宏，郝广平，陶智全，王锦程，陆民，赵红磊，刘永湘

(甘南供电公司，甘肃甘南747000)

0 引言

近年来随着可持续发展战略的实施以及对环境问题的高度关注，各地区利用其丰富的水资源开发了许多清洁无污染的水电站，中小型水力发电已经成为我国电力的重要组成部分。由于各地电网跨区互联，部分电网与主网联系薄弱，如通过单台联络变压器或者单回线路联网，联络元件一旦故障跳闸局部电网将脱离主网独立运行［1］。采用水电群孤网运行可以提高电网应对突发故障的能力，避免局部故障可能造成大面积停电事故，是主网故障发生时的应急措施。利用小水电机组立即带负荷向电网供电，既可以缩短恢复供电的时间又可以降低停电带来的巨大的经济损失。

甘南地区水电群逐级汇集升压后大功率高压外送甘肃主网。由于雷电等原因使上级并网线路出现故障，系统频率或电压越限以及失步保护动作使小水电群容易与甘肃主网解列形成孤网，孤网运行时由于系统功率不平衡导致电网频率和电压产生波动。当系统功率过剩时可能会导致电压、频率严重发生变化，从而影响系统的安全运行和电气设备的寿命与绝缘特性。

1 水电群孤网运行主要存在的问题

甘南电网位于甘肃电网东南部，是甘肃电网的末端网络，主要由洛大片电网和多合片电网组成，承担着甘南州七县一市的负荷需求同时将多余功率送入甘肃主网。甘南东部电网以330 kV多合变电站为中心，正常运行方式下通过30955临多单回线与甘肃主网连接运行，110 kV合作变、夏河变1114合临线、1115夏临线备用，其网内有大量的小水电电源。甘南多合地区就是典型的小水电群区域，小水电位于线路末端逐级汇集后经110 kV变电站升压后送至多合变电站最后通过330 kV线路送入甘肃主网。图1为多合地区电网主接线，网内有水电厂20座，变压器83台，负荷母线25条。夏大运行方式下，机组总有功出力为230.27 MW，无功出力为37.5 Mvar，其中70.34 MW供给当地负荷需求，其余通过330 kV多合变电站送入甘肃主网。

当多合变电站和甘肃主网之间线路出现故障或者频率电压越限时并网断路器跳闸后，多合地区便形成了水电群孤网运行状态。水电群孤网运行后因输电线路对地电容产生较大的充电功率，导致系统电压会迅速升高。由于多合地区内负荷功率较低，使大量有功功率过剩导致系统频率发生大幅升高。频率的大幅波动将使系统电抗参数发生较大改变，会大大增加线路充电无功功率，进而使母线电压继续升高，加重了系统内平衡无功功率的负担［2］。当孤网系统频率超过临界值时还可能使水电机组步入自励磁运行状态。因此，必须对水电群孤网运行时的电压和频率进行合理的控制，同时合理抑制区域弱联电网解列引起的过电压［3］，才能使水电群孤网稳定运行。

图1 多合电网电气主接线

2 频率控制策略

图2 多合电网孤网运行频率变化曲线

当发生故障导致多合330 kV变电站与甘肃主网裂解形成孤网，该孤网由于大量功率的过剩导致系统频率大幅增加。图2为多合地区孤网运行时频率随时间变化曲线，从图看出，当形成孤网瞬间系统频率由50 Hz迅速升高，而且陡度较大。若不立即采取切机措施，将会导致系统频率反复振荡，严重影响电网安全稳定运行［4］。为解决多合电网孤网运行时的高频问题，应采取连锁切机措施，在连锁切机措施部分或全部拒动的情况下，再采取发电机高频切机措施，当频率升高到一定值时，经过一定延时切除设定的发电机组，使系统有功功率最终达到平衡，频率恢复到可接受范围之内。

孤网形成初期，因网内功率不平衡故要求每台机组具有相应的调节能力，即根据频率或者转速等参数的变化进行调节。水轮机调速器转速负荷控制功能是反馈转速误差信号来改变导叶开度，控制水量的变化从而实现有功调节，其响应特性主要取决于水轮机的响应特性［5］。发电机组功频特性的调差系数主要取决于调速器的静态调节特性，它与机组间功率分配密切相关。为了使多台机组并列稳定运行，调速器工作特性应具有下垂特性，才能保证各发电机之间负荷的合理分配。在系统孤网运行模式下要求速度控制具备良好的稳定性，这与正常同步运行条件下需要快速带负荷和切负荷的调速器整定值相矛盾。为了快速改变负荷，必须具有较快的调速器响应速度。但是造成快速响应的调速器整定值，在电网解列时会造成频率不稳定。若通过机组自调节能力无法使孤网稳定，则需要通过切机或切负荷方案来实现。

针对甘南孤网高频现象，仅凭借水轮机调节能力无法达到稳定运行，必须通过切机方案才能实现孤网稳定运行。孤网稳定运行后，根据孤网运行特性对相应的自动装置进行合理的调整以保证孤网稳定运行。夏大运行方式下，当发生故障并网断路器跳闸使多合变电站与甘肃主网解裂后，相当于多合网突然失去了159.93 WM负荷。因此形成孤网后，为了使孤网能保持功率平衡以及稳定运行必须切除部分机组。经PSASP仿真计算，确定了以下切机方案表1所示，该切机方案下孤网系统可以保持稳定运行。

表1 高频切机方案

水电群孤网运行利用高频切机措施来抑制孤网高频现象，可以预先制定发电机的控制策略、自身转速以及电网频率信号等切机方案。多合地区小水电主要为低水头径流式水电机组，孤网时可能会出现频率控制的稳定性问题，解决措施是孤网后切换调速器参数，整定适合孤网运行的调速器参数在水电群孤网后切换参数。这种控制措施的关键在于通过外送通道的功率和电流信号判断孤网运行状态、判断电网调度中心或地区调度中心再依次执行孤网控制策略。一般情况下小机组因调频能力有限，在大电网运行时不参与频率的调节，相当于恒定功率的电源，系统调频主要通过大机组良好的调频能力来实现。孤网运行时由于孤网区域功率过剩，所有机组的出力均加重功率过剩程度，使得系统调频越难。所以在孤网运行时，应严格控制恒定有功出力机组的运行。

3 电压控制策略

图3 多合地区220 kV母线电压随发电机进相深度变化曲线

电压控制可以利用投切电抗器或者机组进相运行能力来平衡系统过剩无功。投切电抗器需要增加额外的无功补偿装置费用以及控制成本，成本较大不经济。同步发电机通过励磁电流来控制无功出力，当发电机由滞相运行转入进相运行时，进一步减小励磁电流，发电机向系统提供有功的同时吸收系统无功。利用发电机进相能力平衡系统过剩无功功率可以有效地控制系统电压。利用发电机进相运行能力不仅响应速度快而且控制成本也低，因此利用发电机进相运行实现快速连续调节是一种有效的措施［6-7］。

从图3可以看出，发电机进相运行深度越深，母线电压越高。多合电网孤网运行时，因线路对地充电电容较大，系统呈容性。当发电机进相运行时，向系统提供大量的容性无功，即吸收系统大量的感性无功，系统母线电压升高。为了使孤网安全稳定运行必须使发电机进相运行在某一深度范围，同时需要考虑发电机端电压的安全运行范围。针对多合孤网，发电机进相运行深度处在0.28-0.34范围内，可以使系统电压稳定在正常水平。发电机进相能力主要由定子铁心端部热极限、静态稳定极限和定子过电流极限共同决定，所以对发电机进行低励磁限制和保护，以限制发电机进相功率，避免因励磁过小而威胁发电机安全稳定运行。