天然气能源站接入电网的运行方式及其稳定性研究

王龙，曹建伟，郑攀东，张怡心，董晓燕

（1.国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江湖州313000；2.湖州电力设计院有限公司，浙江湖州313000）

输配电技术

天然气能源站接入电网的运行方式及其稳定性研究

王龙1，曹建伟1，郑攀东2，张怡心2，董晓燕2

（1.国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江湖州313000；2.湖州电力设计院有限公司，浙江湖州313000）

大规模天然气内燃机组接入将对电网的稳定运行和运行方式制定产生较大影响。为分析天然气机组接入对电网的影响，基于天然气能源站的两种不同运行方式，分析了能源站接入对电网暂态稳定运行的影响。研究得到能源站机组的故障切除极限时间和稳定控制策略，可为大规模天然气能源站接入电网的工程设计提供理论指导。

节能减排；暂态稳定；极限切除时间；数字仿真；运行方式

0 引言

随着气候环境的日益恶化，如何利用和发展清洁能源是近些年国内外专家和学者的重要研究内容[1-3]。为优化能源结构，最大限度地减少能源使用对环境的影响，浙江省提出“节能优先、结构多元、环境友好”的可持续发展战略。天然气作为非常重要的一种清洁能源，可利用冷热电三联供方式，实现节能减排，预计在浙江省未来几年的能源利用比例将大幅度提高[4-5]。

文献[6-10]讨论了大规模天然气机组并网发电将对电网潮流分布和短路水平的影响，但对于系统机组的暂态稳定问题没有涉及。

为分析天然气能源站不同运行方式的特性，及其接入对电网暂态稳定的影响，为今后大规模天然气能源站接入电网工程提供理论指导和参考依据，以浙江A市电网数据为基础，以某天然气能源站为研究对象，研究天然气能源站接入对电网暂态稳定的影响，对比分析不同运行方式的特性，为天然气发电并网的运行方式选择提供参考。

1 系统参数

A市2015年夏季典型日的最大负荷为3 250 MW，系统机组出力为2 700 MW，在运行的重要电站有5座，其关键参数如表1所示。

某天然气能源站（以下简称能源站），配置有单机容量为4.3 MW的内燃发电机组9台，总装机容量34.4 MW，通过2×63 MVA主变压器（以下简称主变）接入A市电网，能源站的电压等级为110 kV/10 kV。能源站内的Ⅰ段母线带有负荷25.3 MW，Ⅱ段母线带有负荷19.5 MW，站内各机组型号均相同，其关键参数如表2所示。

表1 A市重要电站的机组关键参数

表2 能源站单台机组的关键参数

能源站通过2回110 kV线路接入电网，其中1回通过专线接入英溪变电站，1回T接到英溪-莫梁线，其接入后的A市输电网电压分布如图1所示。

分析图1可知，能源站接入A市电网，A市电网的各变电站母线电压水平均在合理范围内。

基于表1、表2的发电机组数据和图1的电网网架，下面进行能源站的运行方式分析和电网暂态稳定研究。

图1 能源站接入后的系统电压分布

2 运行方式分析

能源站的110 kV和10 kV母线均采用双母分段方式，其运行方式有分列、并列2种，下面依次讨论这2种运行方式的不同特性。

2.1 分列运行

能源站的分列运行如图2所示。分析图2可知，分列运行时，能源站Ⅰ段母线和Ⅱ段母线的机组与负荷属于2个独立子系统，当Ⅰ段发生故障时，只需对Ⅰ段进行操作，Ⅱ段不受影响；反之亦然。

图2 能源站分列运行示意

2.2 并列运行

能源站的并列运行如图3所示。从图3可看出，并列运行时，能源站Ⅰ段母线和Ⅱ段母线的机组与负荷属于1个系统，当Ⅰ段发生故障时，Ⅱ段将受到影响；反之亦然。

图3 能源站并列运行示意

2.3 分列、并列方式比较

分列运行与并列运行时的主要指标对比结果如表3所示。

表3 分列与并列运行的主要指标对比

分析表3可得，相对于并列运行，分列运行时的机组稳定性和供电可靠性较低，但其短路电流小，一旦发生故障（不考虑故障操作），其故障面积比并列运行的故障面积小，且继保设备的投资少；并列运行所需的投资高，但其运行时的机组稳定性和供电可靠性相对较高。

2)无人机航测数据获取速度快、影像分辨率高，在稀土开采监测中有不可比拟的优势，已成为稀土开采动态监测的重要手段。

下面依次分析能源站内的机组和电网大机组在分列、并列2种运行方式下的暂态稳定性。

3 稳定性分析

考虑到英溪线和英莫线发生的概率相等，且站内其他设备故障时的电网运行工况相似，下面仅就英溪线发生三相短路永久故障情况进行系统稳定性分析。

3.1 分列运行

分列运行，且发生故障，2 s切除故障时的系统大机组功角曲线如图4所示。分析图4可知，分列运行的能源站出口线路发生故障不会影响系统大机组的稳定运行。

英溪线发生故障，0.15 s切除后的站内机组功角曲线如图5所示。

图4 2 s切除故障时的系统机组功角曲线

图5 0.15 s切除故障时的站内机组功角曲线

0.15 s为继电保护切除故障的极限时间，分析图5可知，英溪线发生故障时，Ⅰ段母线上的机组功角将越来越大，即Ⅰ段母线上5台的机组均将失稳。此情况下，能源站Ⅰ段母线上的机组将被切除，其中断向电网供电，且Ⅰ段母线上的负荷供电亦被中断。Ⅱ段母线上的机组功角差越来越小，即Ⅱ段母线上的4台机组仍然稳定运行，其继续向系统供电。此结论验证了2.1节分析结果的正确性。

3.2 并列运行

结合3.1的分析结论可知，能源站在并列、分列运行发生故障情况下，系统大机组均是稳定性的。

并列运行，能源站出口发生故障时，故障切除及时，则站内的机组可继续稳定运行；如果故障切除不及时，则站内的机组将失稳退出运行。

故障在极限时间前后切除时的站内机组功角曲线如图7所示。经过理论计算和实际仿真分析可知，本算例中，故障的极限切除时间是0.20 s，即11个周波。当出口线路发生三相短路永久故障时，如果0.20 s内切除故障，则能源站内的机组均可继续稳定运行，如图7的虚线所示，站内机组的功角曲线收敛；如果超过0.20 s再切除故障，则能源站内的机组均失稳定运行，如图7的实线所示，站内机组的功角曲线发散。

图6 2 s切除故障时的站内机组功角曲线

图7 极限时间前后切除时的站内机组功角曲线

基于上述分析结论，为实现故障在0.20 s切除，则需要在能源站出口线路侧安装一套光线差动保护装置。

4 结论

以浙江A市电网数据为基础，以某天然气能源站为研究对象，研究得到如下结论：

（1）分列运行时的站内负荷供电可靠性较低，并列运行时的站内负荷供电可靠性相对较高；分列运行发生短路时的高/低压侧短路电流值小，并列运行发生短路时的高/低压侧短路电流值相对较大；分列运行时发生故障时的故障面积相对较小，并列运行时，如果故障切除不及时，则其故障面积相对较大。

（2）为保证故障能够及时切除，并列运行需安装一套光差保护，其继保投资费用相对更高。

（3）小容量天然气能源站接入电网，不影响原电网大机组的暂态稳定运行。

（4）分列运行时，出口线路侧发生故障，则故障侧母线的机组将失稳，非故障侧母线的机组继续稳定运行。

（5）并列运行时，出口线路侧发生故障，故障在极限切除时间内切除，则站内的机组将继续稳定运行。

研究结论可为天然气能源站的运行方式选择提供参考，为其接入对电网暂态稳定影响分析提供理论指导。在研究过程中，能源站内的机组容量设为固定，分析能源站配置不同容量机组时的经济收益，是今后的研究重点。

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[2]周杰，陈植，李勇，等.变电站所用电系统的2种优化方案[J].浙江电力，2016，35（2）∶14-17.

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[4]丁剑，彭瑞玲，岳伟，等.北京某城区居室内空气污染现状及其影响因素[J].环境与健康杂志，2004，21（6）∶361 -363.

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[10]黄莉，孙淑莲.基于电压偏移量的直流微电网分层控制策略仿真研究[J].浙江电力，2016，35（5）∶7-12.

（本文编辑：陆莹）

Research on Operation Mode and Stability of Natural Gas Energy Station Integrated into Power Grid

WANG Long1，CAO Jianwei1，ZHENG Pandong2，ZHANG Yixin2，DONG Xiaoyan2
（1.State Grid Huzhou Power Supply Company，Huzhou Zhejiang 313000，China；2.Huzhou Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Huzhou Zhejiang 313000，China）

The integration of large scale natural gas engine units has a great impact on operation stability and operation mode of power grid.In order to analyze the impact of natural gas engine units on power grid，the influence of energy station on transient operation stability of power grid is analyzed based on the two different operation modes of natural gas energy station.Critical fault clearing time and stability control strategy of the energy station engine units are concluded through the research to provide theoretical guidance for engineering design of the integration of large scale natural gas energy station into power grid.

energy saving and emission reduction；transient stability；critical clearing time；digital simulation；operation mode

10.19585/j.zjdl.201705001

：1007-1881（2017）05-0001-04

：TM712

：A

2016-11-07

王龙（1983），男，硕士，工程师，主要研究方向为电网规划设计。