湖南电网低谷方式下调相机进相运行影响分析

2020-11-13张泰磊石辉王玎

湖南电力 2020年5期

张泰磊，石辉，王玎

(1. 国网湖南省电力有限公司，湖南长沙410014；2. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

0 引言

湖南电网低谷小负荷时段, 特别是汛期、春节等期间, 主网运行电压偏高, 局部地区存在电压越上限情况。丰水期负荷水平较低时, 在株洲南部、邵阳南部、永州南部、怀化西部等风电和小水电上网较多区域, 由于并联补偿电抗器容量不足, 部分站点电压偏高, 越上限情况时有发生。春节小负荷运行方式下, 负荷中心部分站点电压偏高, 特别是低谷时段, 长沙市区和宁乡电压偏高, 电压调整手段有限。

由于湖南电网感性无功补偿设备整体配置不足, 小机组无功调节资源没有得到充分发掘和利用, AVC (自动电压无功控制) 系统网省、省地、厂站、各电压等级的无功电压协调优化控制能力不强, 在低谷小负荷方式下, 即便补偿电抗器全部投入、机组按最大进相深度运行、调整运行方式、开出水电机组空载调压后, 500 / 220 kV 层面母线电压仍然偏高甚至越限。尤其在水电、风电大发等时段, 低谷调峰已经十分困难, 清洁能源无法保证全额消纳, 被迫临时开出水电机组调压将加大弃电风险和比例。

祁韶直流一般不参与电网调峰是湖南电网低谷调峰困难的另一个因素。此外, 祁韶直流安全稳定运行与湘中及负荷中心火电机组开机方式、旋转备用容量与全省负荷水平、祁韶直流送湘功率、主网运行方式息息相关, 需时刻相应调整。大量火电机组常年挂网运行并长期留有旋转备用, 制约了火电机组开机方式、检修安排, 降低了负荷利用率[1-2]。

为解决湖南电网无功支撑不足、电压稳定水平低等问题, ± 800 kV 韶山换流站投运了2 台300 Mvar调相机, 是国内首套用于特高压受端换流站的调相机组[3]。目前暂未接入全省AVC 系统,由站内值班人员手动控制, 输出无功基本维持在0 Mvar, 一般不超过± 50 Mvar, 留有一定无功储备。若能对调相机进行精细调整, 充分发挥调相机容量大、响应速度快等特点, 研究调相机参与地区电压控制、优化火电开机方式、释放机组旋转备用容量的无功策略和运行方式, 对于提升电网安全性与经济性、提高开机方式的灵活性、缓冲低谷调峰调压矛盾、减少“三弃” 等都具有实际意义[4-12]。

1 计算条件

2019 年湖南电网主网结构如图1 所示。选取低谷小负荷运行方式, 计算数据由国家电力调度控制中心( 简称国调) 统一下发。全省计算负荷10 600 MW, 祁韶直流送电1 400 MW、鄂湘联络线送电239 MW, 负荷中心火电开机10 台并预留1 692 MW旋转备用容量, 韶山换流站1 台调相机并网运行, 其初始无功功率0 Mvar, 全省火电机组合计预留1 690 MW 旋转备用容量。

图1 湖南电网主网架结构

韶山换流站300 Mvar 额定容量的同步调相机采用自并励静止励磁系统, 仿真模型参数参考中国电力科学研究院推荐的典型值, 最大进相深度为-150 Mvar[13]。

2 调相机静态调压效果

目前韶山换流站调相机正常运行控制在±50 Mvar范围内, 极少参与地区电压控制, 而湘中地区在负荷低谷时段多发电压偏高问题。按照无功补偿分层分区和就地平衡原则, 考虑调相机参与近区电压控制, 可以缓解湖南电网低谷小负荷方式下局部电压偏高问题, 特别是湘中地区电压越限情况。取2019 年湖南电网低谷小负荷方式, 计算韶山换流站1 台调相机在不同无功运行工况下的近区500 / 220 kV母线电压结果见表1、表2。

表1 不同进相条件下的500 kV 母线电压 kV

表2 不同进相条件下的220 kV 母线电压 kV

在低谷小负荷方式下, 韶山换流站1 台调相机进相运行50 Mvar 时, 近区500 kV 母线电压降低1～2 kV, 220 kV 母线电压基本不变； 1 台调相机进相运行100 Mvar 时, 近区500 kV 母线电压降低2～3 kV, 220 kV 母线电压降低约1 kV； 1 台调相机进相运行150 Mvar 时, 近区500 kV 母线电压降低4～5 kV, 220 kV 母线电压降低约2 kV。

由此可见, 低谷小负荷方式下, 韶山换流站1台调相机进相运行时, 对湘中地区500 kV 云田、星城、古亭、鹤岭等电压调整效果较好, 但对近区220 kV母线电压的调整效果不明显。调相机参与地区电压控制时, 只能用于500 kV 层面调压, 对220 kV层面调压基本没有效果。

3 调相机暂态调压效果

湖南电网负荷与电源逆向分布, 主网架结构薄弱, 电压不稳定问题突出。 500 kV 鹤岭、沙坪变电站近区发生三相故障时, 负荷中心电压跌落后不能恢复, 存在电压不稳定问题。祁韶直流大功率馈入后, 若在电网交流侧发生大扰动、换相失败等故障, 逆变器会持续从交流系统吸收大量无功功率,进一步恶化受端电网动态无功平衡, 加剧了电压不稳定问题[14～16]。基于此, 研究低谷小负荷方式下调相机进相运行时, 负荷中心500 kV 线路三永N-1 故障、祁韶直流双极闭锁故障后系统的暂态稳定特性至关重要。

3.1 负荷中心500 kV 线路三永N-1 故障

湖南电网低谷小负荷方式, 主要面临静态电压过高问题, 调相机进相运行能抑制电压偏高, 同时也可能影响近区严重故障下的暂态电压支撑能力。为此, 对比调相机在不同初始方式下, 500 kV 韶鹤线鹤岭侧N-1 三永故障时近区暂态电压变化, 如图2 所示(以淮川变220 kV 母线电压为例)。

图2 500 kV 韶鹤线N-1 三永故障时淮川站母线电压响应特性

由图2 可见, 电网小负荷方式下, 调相机加大进相运行深度后, 系统应对故障时的暂态电压恢复时间缩短, 电压稳定特性有所改善。

3.2 祁韶直流双极闭锁故障

湖南电网低谷小负荷方式, 祁韶直流双极闭锁后, 韶山换流站滤波和无功补偿装置不能立即切除, 导致系统峰值电压过高。若调相机初始方式加大进相深度、拉低近区系统电压水平, 可降低故障后系统电压峰值, 缓解甚至避免电压过高问题。

与此同时, 为考察调相机加大进相深度对故障后近区动态电压支撑的影响, 对比了调相机在不同初始方式下, 祁韶直流双极闭锁后近区动态电压响应情况, 如图3 所示。可见, 在不同进相深度下,故障对韶山换流站近区500 kV、 220 kV 母线动态电压的影响几乎一致, 调相机加大进相深度不会恶化故障时对动态电压的支撑能力。

图3 不同进相深度下近区动态电压响应特性对比(祁韶直流双极闭锁)

调相机对祁韶直流双极闭锁故障的动态无功响应曲线如图4 所示。故障后, 调相机在暂态过程中首先将持续吸收无功功率25 ～30 Mvar, 抑制系统电压升高；在换流站滤波器及无功补偿装置切除后, 系统电压跌落, 调相机快速减小无功吸收量并向系统注入无功, 由进相变迟相运行；最后, 无功输出趋于稳定, 系统电压恢复。

图4 祁韶直流双极闭锁下调相机动态无功功率输出

由此可见, 在湖南低谷小负荷方式下, 调相机加大进相运行深度, 有助于抑制系统电压过高, 同时保持严重故障下对动态电压的支撑能力。

4 调相机与负荷中心火电关联关系及置换后暂态特性

低谷小负荷、祁韶直流运行方式下, 系统主要面临动态无功储备不足与基础有功出力过剩的问题, 直观体现为对负荷中心火电机组开机方式的挤压。前者制约祁韶直流运行及送湘功率, 后者制约清洁能源出力消纳, 若能在保证系统动态无功储备的同时减少负荷中心火电机组开机, 则能释放清洁能源发电空间、缓解矛盾。为此, 通过加大调相机进相深度、提升动态无功储备的方式来置换负荷中心火电开机。基于典型小负荷方式, 祁韶直流运行要求负荷中心火电开机10 台, 当调相机加大进相深度、替代长沙地区1 台机组后, 低谷时段可安排长沙地区1 台机组停机, 释放约300 MW 出力,增加清洁能源消纳空间, 减少窝电、弃电, 见表3。