大容量核電機(jī)組接入西北電網(wǎng)適應(yīng)性分析

傅旭，黃明良

(西北電力設(shè)計(jì)院，西安市，710075)

0 引言

隨著能源問題的重要性日益突顯，我國(guó)核電機(jī)組在未來20年將有較大的增長(zhǎng)［1-7］。自1991年國(guó)內(nèi)第1座核電站——秦山一期并網(wǎng)發(fā)電以來，已有6座核電站(11臺(tái)機(jī)組、90.08 GW)投入商業(yè)運(yùn)行，分別為秦山一、二、三期共30.68 GW，田灣核電20 GW，大亞灣核電19.6 GW，嶺澳核電19.8 GW。根據(jù)國(guó)家中長(zhǎng)期核電發(fā)展規(guī)劃(2007年版)［8］，到2020年，我國(guó)核電裝機(jī)容量將達(dá)到運(yùn)行400 GW、在建180 GW的目標(biāo)。

我國(guó)西北地區(qū)的一次能源豐富，在一定的時(shí)期內(nèi)仍然是能源外送地區(qū)，由此造成西北地區(qū)的核電發(fā)展步伐將落后于其他電價(jià)承受能力強(qiáng)、一次能源缺乏的東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。但從環(huán)境保護(hù)、優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等方面來看，遠(yuǎn)期在我國(guó)西北中東部省區(qū)建設(shè)一定數(shù)量的核電仍然是可行的。

目前，我國(guó)的大亞灣核電基地的4臺(tái)核電機(jī)組(2×9.8.4 GW+2×9.9 GW)以及田灣核電站的2臺(tái)核電機(jī)組(2×10.6 GW)，單機(jī)容量大，均接近或者超過10 GW。未來，中廣核集團(tuán)擬采用單機(jī)容量更大的EPR 1700型機(jī)組［9-10］，并在全國(guó)大部分新建核電站中推廣使用。EPR 1700機(jī)型是由法國(guó)和德國(guó)共同開發(fā)的面向21世紀(jì)的改良型四環(huán)路壓水堆核電堆型，屬于第三代技術(shù)，堆型的熱功率為4 900 MWt，電功率為1.750 GW。中廣核在西北地區(qū)規(guī)劃的核電站址有陜西安康龔家洲地區(qū)、甘肅臨夏地區(qū)和寧夏吳忠地區(qū)。本文在文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)上，結(jié)合西北電網(wǎng)規(guī)劃，分析上述站址接入EPR 1700大型核電機(jī)組后的西北電網(wǎng)適應(yīng)性，重點(diǎn)從潮流分布、暫態(tài)穩(wěn)定和短路電流3個(gè)方面來分析。

1 西北電網(wǎng)核電機(jī)組接入方案

1.1 陜西核電接入系統(tǒng)方案

安康地區(qū)有豐富的水電資源，除滿足地區(qū)負(fù)荷外，仍有超過15 GW的盈余電力，而關(guān)中地區(qū)為電力虧缺地區(qū)，安康核電需要送往關(guān)中電網(wǎng)消納。結(jié)合電網(wǎng)規(guī)劃，安康地區(qū)核電適宜就近接入安康750 kV電網(wǎng)，進(jìn)而通過750 kV送電通道送往陜西關(guān)中地區(qū)消納。根據(jù)安康地區(qū)核電的廠址，結(jié)合電廠單機(jī)容量及規(guī)劃總?cè)萘?，初步擬定該地區(qū)核電廠初期投運(yùn)1～2臺(tái)EPR 1700機(jī)組時(shí)，以2回750 kV線路接入安康750 kV變電站，如圖1所示。

圖1 安康核電接入系統(tǒng)方案Fig.1 Plan of Ankang nuclear power p lant connection

1.2 甘肅臨夏地區(qū)核電接入系統(tǒng)方案

從甘肅電網(wǎng)的電源和負(fù)荷分布情況分布來看，蘭州、天水地區(qū)均為電力虧缺地區(qū)，臨夏地區(qū)的電力消納能力有限。因此，臨夏地區(qū)核電需送往蘭州地區(qū)和天水地區(qū)消納。根據(jù)臨夏地區(qū)核電的廠址，結(jié)合電廠單機(jī)容量及規(guī)劃總?cè)萘?，臨夏地區(qū)核電的接入方案中，初期投運(yùn)1～2臺(tái)EPR 1700機(jī)組時(shí)，電廠出2回750 kV線路，接至蘭州東750 kV變電站，終期規(guī)模達(dá)到4臺(tái)機(jī)組時(shí)，可根據(jù)送電需要，再擴(kuò)建1回電廠出線接至蘭州東750 kV變電站。

1.3 寧夏吳忠地區(qū)核電接入方案

以寧夏吳忠地區(qū)核電廠址距離黃河和銀川東750 kV變電站較近，接入方案如圖2所示。

圖2 吳忠核電接入電網(wǎng)方案Fig.2 Plan of Wuzhong nuclear power plant connection

吳忠核電廠以2點(diǎn)接入750 kV電網(wǎng)，初期投運(yùn)1～2臺(tái)EPR 1700機(jī)組時(shí)，電廠出線3回，暫按2回至銀川東750 kV變電站、1回至黃河750 kV變電站；電廠終期規(guī)模達(dá)到3～4臺(tái)機(jī)組時(shí)，可根據(jù)送電需要，再擴(kuò)建1回電廠出線，接入黃河750 kV變電站。

2 核電機(jī)組接入西北電網(wǎng)適應(yīng)性

2.1 2020年西北電網(wǎng)規(guī)劃情況

2010年新疆與西北主網(wǎng)通過敦煌—哈密750 kV雙回線路實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，西北750 kV骨干網(wǎng)架基本形成。目前，西北電網(wǎng)已形成陜甘斷面2回750 kV線路、甘青斷面4回750 kV線路、甘寧斷面2回750 kV線路、新疆與西北主網(wǎng)斷面2回750 kV線路的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。西北電網(wǎng)在建及規(guī)劃的750 kV工程主要有：渭南—延安—榆橫雙回輸變電工程、日月山—烏蘭開關(guān)站—柴達(dá)木雙回輸變電工程、吐魯番—巴州輸變電工程、伊寧—鳳凰輸變電工程、蘭州東—天水—寶雞雙回輸變電工程、寶雞—西安南—渭南輸變電工程、伊寧—庫車—巴州輸變電工程、庫車—阿克蘇—喀什輸變電工程、鳳凰—西山—東郊輸變電工程。

目前，西北電網(wǎng)已投運(yùn)的直流工程有：靈寶背靠背直流聯(lián)網(wǎng)工程、寶雞—德陽直流聯(lián)網(wǎng)工程、寧東±660 kV直流聯(lián)網(wǎng)工程、青藏±400 kV直流聯(lián)網(wǎng)工程。“十二五”期間西北電網(wǎng)還規(guī)劃在哈密、酒泉、彬長(zhǎng)、隴東和準(zhǔn)東等地區(qū)建設(shè)大規(guī)模直流外送電工程。

2020年，西北電網(wǎng)將形成甘陜斷面4回、甘寧斷面2回、甘青斷面8回、陜寧斷面1回、新疆與西北主網(wǎng)斷面4回750 kV線路的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

西北網(wǎng)對(duì)網(wǎng)外送電出口主要集中在關(guān)中(彬長(zhǎng)、渭南、寶雞)、寧東、隴東、酒泉、哈密、準(zhǔn)東和伊犁等煤(風(fēng))電基地，便于煤電基地就近配套電源送出。根據(jù)規(guī)劃，2015年西北外送電規(guī)模為624.1 GW，其中接入三華同步電網(wǎng)96 GW，西北電網(wǎng)直流出口容量528.1 GW；2020年西北外送電規(guī)模為1 096.6 GW，其中接入三華同步電網(wǎng)260 GW，西北電網(wǎng)直流出口容量931.6 GW。

2.2 大容量核電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)潮流分布影響

2.2.1 安康地區(qū)潮流分析

夏大方式下，扣除廠用電后，電廠約有16.45 GW電力送出，這些電力加上安康地區(qū)富裕水電，安康—西安南雙回750 kV線路的潮流已經(jīng)達(dá)到34.6 GW，即N—1故障下，剩下的1回750 kV線路的潮流將達(dá)到34.6 GW，接近了單回750 kV線路的發(fā)熱極限40 GW。因此從潮流分布角度來看，至2020年，安康地區(qū)建設(shè)1臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組為宜。2025—2030年，在安康地區(qū)安裝1臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組的情況下，安康地區(qū)仍有超過24 GW的盈余電力需要送往關(guān)中地區(qū)。若安康地區(qū)配置2臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組，則安康地區(qū)的盈余電力將超過40 GW。因此，從潮流N—1的角度來看，在安康—關(guān)中電網(wǎng)維持2回750 kV線路連接的情況下，安康地區(qū)核電開發(fā)規(guī)模仍以1臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組為宜。若考慮配合安康地區(qū)的核電開發(fā)進(jìn)度調(diào)整規(guī)劃網(wǎng)架，則安康地區(qū)核電開發(fā)容量可進(jìn)一步增加。

2.2.2 臨夏地區(qū)潮流分析

夏大方式下，臨夏地區(qū)投運(yùn)2臺(tái)EPR 1700機(jī)組時(shí)，扣除廠用電后約有32.9 GW的電力需要送出。根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果，臨夏核電電力通過蘭州東—天水750 kV雙回線路和蘭州東—平?jīng)?50 kV雙回線路送出。其中，蘭州東—天水750 kV雙回線路通過的功率為11.13 GW，蘭州東—平?jīng)?50 kV雙回線路通過的潮流為14.91 GW。臨夏核電補(bǔ)充蘭州地區(qū)電力不足后，通過蘭州東—天水和蘭州東—平?jīng)鼍€路送往天水及平?jīng)龅貐^(qū)進(jìn)一步消納。投運(yùn)4臺(tái)核電機(jī)組后，蘭州東—天水 750 kV雙回線路通過的功率為18.44 GW，蘭州東—平?jīng)?50 kV雙回線路通過的潮流為25.45 GW。2020年冬小方式下，臨夏地區(qū)投運(yùn)2臺(tái)EPR 1700機(jī)組時(shí)，蘭州東—天水750 kV雙回線路通過的功率為6.22 GW，蘭州東—平?jīng)?50 kV雙回線路通過的潮流為7.01 GW。投運(yùn)4臺(tái)核電機(jī)組后，蘭州東—天水750 kV雙回線路通過的功率為12.32 GW，蘭州東—平?jīng)?50 kV雙回線路通過的潮流為6.31 GW?？梢娕R夏核電投產(chǎn)后，全網(wǎng)潮流分布合理，母線電壓均在允許范圍內(nèi)，滿足N—1要求，無過載現(xiàn)象。

2.2.3 吳忠地區(qū)潮流分析

2020年吳忠地區(qū)的網(wǎng)架可以接納4臺(tái)EPR 1700機(jī)組。其中，2020年夏大方式下，吳忠核電廠投運(yùn)4臺(tái)EPR 1700機(jī)組時(shí)，黃河—太陽山750 kV單回線路通過的功率為22.49 GW，銀川東—太陽山750 kV單回線路通過的潮流為14.99 GW。冬小方式下，吳忠核電廠投運(yùn)4臺(tái)EPR 1700機(jī)組時(shí)，黃河—太陽山750 kV單回線路通過的功率為8.51 GW，銀川東—太陽山750 kV單回線路通過的潮流為8.01 GW。2020年夏大方式下的黃河—太陽山斷開情況下，銀川東—太陽山 750 kV單回線路通過的潮流為37.7 GW，接近了發(fā)熱極限。

規(guī)劃期影響電力流的不確定因素較多，其中負(fù)荷水平變化的影響和電源建設(shè)方案變化對(duì)寧夏中部地區(qū)的潮流分布影響較大，吳忠地區(qū)核電開發(fā)進(jìn)度需要與當(dāng)?shù)氐拿弘婇_發(fā)進(jìn)度相互配合。

2.3 核電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平影響

2.3.1 安康地區(qū)暫態(tài)穩(wěn)定分析

經(jīng)計(jì)算分析，安康地區(qū)接入1臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組后，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定滿足要求。但接入2臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組后，西安南—安康750 kV線路三永故障時(shí)，安康地區(qū)核電機(jī)組相對(duì)主網(wǎng)失穩(wěn)。這是由于安康電網(wǎng)和陜西主網(wǎng)僅通過2回750 kV線路連接，當(dāng)斷開1回后，安康地區(qū)電網(wǎng)僅通過1回750 kV線路和主網(wǎng)相連，且約350萬kW·h的電力需要該回750 kV線路送至陜西主網(wǎng)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，導(dǎo)致安康地區(qū)發(fā)電機(jī)組相對(duì)主網(wǎng)功角失穩(wěn)。2025—2030年，安康地區(qū)負(fù)荷將增加，但幅度有限，因此安康地區(qū)豐水季節(jié)水電大發(fā)的情況下，仍有大量盈余電力需要送往關(guān)中主網(wǎng)消納，西安南—安康750 kV線路的潮流依然較重，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性會(huì)不會(huì)明顯改善。通過穩(wěn)定計(jì)算，安康地區(qū)核電仍以建設(shè)1臺(tái)EPR 1700為宜。但若考慮配合安康地區(qū)的核電開發(fā)進(jìn)度，加強(qiáng)規(guī)劃的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，則安康地區(qū)的核電開發(fā)容量可以進(jìn)一步增加。2.3.2 臨夏地區(qū)暫態(tài)穩(wěn)定分析

由于甘肅中部地區(qū)750 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，因此，從暫態(tài)穩(wěn)定角度來看，系統(tǒng)可以接納4臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組。2020年冬小方式和夏大方式的暫態(tài)穩(wěn)定情況基本相當(dāng)。冬小方式下，最大擺開角度為嘉酒煤電—麒麟寺109.85°(蘭州東—天水750 kV線路蘭州東側(cè)三永故障)。夏大方式下，最大擺開角度為嘉酒煤電—麒麟寺123.96°(蘭州東—官亭750 kV線路蘭州東側(cè)三永故障)。

2.3.3 吳忠地區(qū)暫態(tài)穩(wěn)定分析

2020年，寧夏電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在2015年網(wǎng)架基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)，750 kV形成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，暫態(tài)穩(wěn)定性水平較高。吳忠地區(qū)接入4臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組后，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定滿足要求。冬小方式下的穩(wěn)定情況略好于夏大方式。夏大方式下，最大擺開角度為略陽—青銅峽127.2°(吳忠核電—銀川東750 kV線路電廠側(cè)三永故障)。冬小方式，最大擺開角度為嘉酒煤電—麒麟寺117.18°(吳忠核電—黃河750 kV線路電廠三永故障)。

2.4 核電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)短路電流水平影響

2.4.1 陜西電網(wǎng)短路電流分析

安康電網(wǎng)處于陜西最南部，且僅通過2回安康—西安南750 kV線路與關(guān)中電網(wǎng)連接，短路電流不大。安康地區(qū)接入EPR 1700核電機(jī)組后的短路電流水平見表1?？梢钥闯觯尤?臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組后，安康750 kV變330 kV母線的三相短路電流僅為17.827 kA，750 kV母線的三相短路電流僅為23.073 kA。因此，短路電流不是安康地區(qū)核電發(fā)展的限制因素。

2.4.2 臨夏地區(qū)短路電流分析

臨夏地區(qū)接入核電后的短路電流水平如表2所示?？梢钥闯?，接入2臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組后，蘭州東750 kV母線的三相短路電流達(dá)46 kA，臨夏核電750 kV母線的三相短路電流達(dá)31.1 kA。接入3～4臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組后，蘭州東750 kV母線的三相短路電流進(jìn)一步增加，已經(jīng)接近或超過目前750 kV斷路器的斷流能力。因此，在規(guī)劃的2020年網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，從短路電流的角度來看，臨夏地區(qū)EPR 1700核電裝機(jī)最多不能超過3臺(tái)。若要滿足4臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組的接入要求，需采用更高斷流能力的開關(guān)或適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧?.4.3 寧夏電網(wǎng)短路電流分析

表1 2020年安康地區(qū)主要母線短路電流水平Tab.1 Themain bus short circuit current level of Ankang regions in 2020 kA

表2 2020年甘肅中部主要母線短路電流水平Tab.2 Themain bus short circuit current level of Gansu regions in 2020(kA) kA

2020年吳忠地區(qū)短路電流計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，接入1臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組后，黃河750 kV母線三相短路電流52 kA、銀川東750 kV母線三相短路電流48.6 kA。接入2臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組后，黃河750 kV母線三相短路電流55.5 kA、銀川東750 kV母線三相短路電流52.6 kA。由于寧夏中部電網(wǎng)電源較多，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)緊密，因此母線短路電流普遍較高。接入核電后，現(xiàn)有750 kV斷路器的斷流能力已無法滿足要求。

表3 2020年寧夏電網(wǎng)母線短路電流水平Tab.3 Themain bus short circuit current level of Ningxia regions in 2020 kA

3 結(jié)語

從接入核電后的局部電網(wǎng)潮流和暫態(tài)穩(wěn)定情況來看，甘肅臨夏和寧夏吳忠地區(qū)接入4臺(tái)EPR 1700核電機(jī)組影響不大。然而從短路電流上來看，寧夏吳忠地區(qū)短路電流超標(biāo)，在沒有更大斷流能力的750 kV斷路器(如63 kA)可供采用之前，短路電流超標(biāo)問題將是限制該地區(qū)核電發(fā)展的一個(gè)主要問題。臨夏地區(qū)的短路電流超標(biāo)問題略輕一些，短路電流計(jì)算表明，以不超過3臺(tái)EPR 1700機(jī)組為宜。

陜西安康地區(qū)由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較薄弱，短路電流不是限制安康地區(qū)核電發(fā)展的因素，但潮流和穩(wěn)定是陜南地區(qū)核電發(fā)展的制約因素。在陜南電網(wǎng)有較大加強(qiáng)之前，安康EPR 1700核電機(jī)組的規(guī)模以1臺(tái)為宜。若考慮配合安康地區(qū)核電開發(fā)調(diào)整規(guī)劃的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，則安康地區(qū)的核電開發(fā)容量可以進(jìn)一步增加。

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