西藏中部電網暫態電壓穩定問題分析及解決措施研究

鄭 勇，張立峰,晏小彬，何志強

(1.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.國網西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000)

西藏中部電網暫態電壓穩定問題分析及解決措施研究

鄭 勇1，張立峰2,晏小彬1，何志強1

(1.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.國網西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000)

西藏中部電網“十三五”期電力負荷增長迅猛，但電源建設滯后，冬季受電比例較高，暫態電壓穩定問題較為突出。深入研究了西藏中部電網暫態電壓穩定問題的機理和影響因素，分析表明感應電動機、直流換流站在電網暫態恢復過程中的無功需求會惡化受端系統的穩定性。綜合分析本地的優勢資源以及電網側可采取的穩定措施，其中新建光熱電站、調相機等措施均能有效地抑制中部電網電壓失穩，提高中部電網的受電能力。

西藏中部電網；暫態電壓穩定；感應電動機；調相機

0 引 言

目前，西藏電網由西藏中部電網、昌都電網和阿里電網共“一大兩小”3個電網組成。其中西藏中部電網覆蓋西藏中部拉薩、日喀則、山南、那曲和林芝等地區，是西藏電網的主要負荷中心。目前西藏中部電網通過1回±400kV直流線路與西北電網相連。2018年左右將建成西藏中部電網與昌都電網聯網工程及拉林鐵路配套供電工程，實現西藏中部電網、昌都電網和四川電網的500kV交流互聯，形成西藏—四川同步電網。

西藏中部電網冬季電源出力較小，區外電力送入比例較大，規劃藏中電網四川電網2回550kV交流聯網線路長約1 400 km，通道缺乏電源支撐，自身動態無功支撐能力較差；加上主網架結構薄弱，“十三五”新增工業負荷占比又較大，受端電網內部220kV線路三相短路故障后暫態電壓穩定問題較為突出。

下面對2018年西藏中部電網經昌都電網與四川電網的交流聯網通道建成后的冬大方式進行電壓穩定分析，詳細討論西藏中部電網暫態電壓失穩的影響因素，分析提高其穩定的措施，為電網規劃、建設以及運行提供參考。

1 計算模型和工具

1)負荷模型

負荷模型對電力系統的暫態穩定性具有復雜的影響[1-5]。目前西藏電網調度部門均采用綜合動態負荷模型，常規負荷感應電動機比例為30%，工業負荷感應電動機比例為70%。“十三五”期中部電網工業負荷所占總負荷比例將從35%提高到50%，主要有巨龍銅礦(220 MW)和華泰龍銅礦(110 MW)專用變壓器接入墨竹工卡220kV變電站，雄村銅礦(86 MW)專用變壓器間接接入多林220kV變電站。為分析 “十三五”期大型工業負荷對西藏中部電網的影響，負荷類型選擇兩種比例的負荷：Ⅰ 類全網采用30%的感應電動機負荷和70%的靜態負荷模型；Ⅱ 類大型工業負荷采用70%的感應電動機負荷+30%的靜態負荷，剩余負荷構成為30%的感應電動機模型和70%的靜態負荷模型。其中靜態負荷模型按照25%恒阻抗+55%恒電流+20%恒功率分配。

2)動態無功補償

動態無功補償對系統電壓穩定影響較大[6]，計算基礎模型考慮已建或已批準的動態無功補償設備，包括拉薩220kV環網和藏中交流聯網通道的SVC裝置。

3)直流模型

直流暫態過程中的無功需求遠大于穩態運行[7]，直流模型采用青藏直流的實際控制參數，包括低壓限流環節和換向失敗模型。

4)計算工具和指標

分析計算工具采用中國電科院開發的電力系統分析軟件(BPA)。擾動切除后電壓低于0.75 p.u.，持續超過50 Hz為電壓失穩，擾動切除后電壓持續不可逆轉地下降至0.5 p.u.以下為電壓崩潰[8]。

2 暫態電壓穩定主要影響因素

2.1 系統電壓穩定分析

西藏中部電網2018年冬大方式分析結果表明Ⅰ類負荷模型西藏中部電網單一故障不會引起電壓穩定問題，Ⅱ類負荷模型墨竹至電源或換流站的線路單一故障會造成電網末端電壓失穩或崩潰。表1中給出了藏中電網主要故障的分析結果。

表1 系統故障穩定計算結果

青藏直流單極閉鎖后原青藏直流輸送潮流轉移至藏中—四川交流聯網通道，故障前交流聯網通道芒康—林芝段送電約400 MW，單極閉鎖后聯網通道承擔轉移功率240 MW，芒康、波密和雅中均配置了120 Mvar的SVC，系統無暫態電壓跌落；此時芒康—沃卡500kV交流聯網通道以及藏中220kV環網配置的SVC無功出力能夠滿足潮流轉移所需的動態無功需求，兩種負荷模型下系統均能保持穩定運行。

500kV交流聯網發生三相短路故障時，交流系統發生暫態電壓跌落，故障點離負荷中心和換流站均相對較遠；且林芝和山南500kV下網點均有一定的電源支撐。故障切除后負荷中心和換流站電壓迅速恢復至0.75 p.u.，電網儲備的動態無功能夠滿足此時感應電動機負荷以及直流暫態恢復的無功需求，兩種負荷模型下系統均能保持穩定運行。

區內220kV電網發生三相短路故障，Ⅰ類負荷模型的暫態電壓穩定性較好；Ⅱ類負荷模型系統末端的日喀則電網電壓失穩或崩潰。電壓崩潰故障控制點位于墨竹工卡附近。交流聯網通道落點以及主要電源支撐主要位于山南和林芝，負荷中心和換流站位于拉薩。墨竹工卡是山南和林芝至拉薩負荷中心220kV送電通道的重要樞紐站，220kV送電通道墨竹工卡側三相短路造成最大范圍的電壓跌落。故障切除后系統電壓約0.5～0.6 p.u.，SVC最大出力下降約70%，負荷和換流站暫態無功需求增大，系統電壓恢復困難，末端電壓崩潰。墨竹—沃卡三相短路故障后系統主要節點電壓如圖1所示。

圖1 節點電壓曲線

2.2 主要影響因素

1)感應電動機負荷

感應電動機負荷比例較高是中部電網電壓失穩的主要原因，暫態擾動后感應電動機將經歷機械和電磁相互耦合、相互作用的復雜動態過程。中部電網負荷中心電壓恢復困難，末端的日喀則電網缺乏支撐。墨竹—沃卡三相短路后雄村和巨龍的無功負荷如圖2所示，位于日喀則電網的雄村銅礦負荷無功需求增大至擾動前的3倍，感應電動機轉速將快速降低直至“堵轉”。

圖2 節點無功負荷曲線

2)直流換流站暫態后無功需求

在穩態階段時，直流系統吸收的無功功率由換流站濾波器組提供，與交流系統基本不發生無功交換；但在故障后暫態過程中，直流系統所消耗的無功功率遠大于穩態運行，而濾波器組發出的無功功率與母線電壓平方成正比。如當電壓跌至0.7 p.u.時，靜態無功補償將降至50%，直流系統將從交流系統吸入大量無功功率，惡化交流電網電壓穩定特性。若交流系統強壯，可提供足夠的動態無功支撐，則影響不大；但對藏中電網而言，系統規模較小，如圖3所示，墨竹—沃卡三相短路后暫態恢復期間換流站從電網吸收的無功最高達到135 Mvar，青藏直流系統的無功電壓特性對西藏中部電網暫態電壓穩定性有重要影響。

圖3 換流站從電網吸收的無功功率

綜上所述，網內220kV電網三相短路故障系統暫態電壓跌落，網內電源支撐較弱，SVC出力受限，感應電動機負荷誘發系統電壓失穩；此外直流功率恢復需要吸收大量的無功，進一步惡化了系統電壓穩定性。

3 解決措施研究

3.1 措施可實施性分析

采用Ⅱ類負荷模型時西藏中部電網存在暫態電壓失穩，主要原因是感應電動機負荷所占比例較大、直流換流站暫態后無功需求增大、網內特別是電網末端電源支撐較弱缺乏足夠的動態無功支撐。為提高電網枯期暫態電壓穩定性，可選擇的措施主要有3類：1)增加電源；2)增加調相機；3)裝設SVC或SVG等動態無功補償裝置。

1)增加電源

西藏水能、地熱、太陽能和風能等可再生資源十分豐富，化石能源缺乏。區內規劃電源主要有水電、光伏、光熱、風電以及燃氣機組，其中水電、地熱、光熱和燃機可以有效增強枯期電源支撐。但是地熱資源遠離負荷中心，建設工期長，目前只能小規模開發；水電站建設工期長，建設難度相對較大，規劃電源提前建成難度較大。故“十三五”期增加電源方案可用的解決措施如下：

①光熱電站

光熱電站類似于常規火電站具有出力平穩、可參與調峰、有效改善電源結構、建設周期相對較短等優點，根據《十三五西藏太陽能熱發電規劃》，西藏中部的日喀則、山南和拉薩等地區均具備建設大規模光熱電站的條件。可在末端的日喀則電網建設200 MW光伏電站接入多林或羊湖220kV變電站。

②燃氣電站

規劃“十三五”期建設格拉輸氣管道，屆時在燃料供應充裕時可將拉薩1號燃油機組改為燃氣機組；同時建設2號燃氣機組。2臺燃機均通過燃乃線接入乃瓊220kV變電站。

③電源多開機

西藏中部電網電源以水電為主，電源多開機有2種方式：一是部分水電機組調相運行[9]，目前羊湖電廠具備調相機運行的條件；二是水電機組采用低負荷方式，西藏大部分水電機組避開振動區的穩定出力范圍在額定出力的45%～100%[10]。在旁多和藏木等主力水電站能夠適應調相機運行或者機組低負荷運行情況下，水電多開機組約250 MW。

2)調相機

同步調相機在1～2 s內無功出力可達到其額定容量的2倍以上，為系統提供無功電壓支撐，提高電壓穩定性。朗塘換流站站外具備擴建同步調相機的條件，考慮在換流站擴建2臺100 Mvar調相機。

3)SVC

除新建電源、調相機或電源多開機等方案外，可采用SVC等快速響應的FACTS設備提高受端電網的動態無功支撐能力。朗塘換流站具備站外擴建SVC的條件，考慮在朗塘建設200 Mvar的SVC。

3.2 措施效果比較

針對Ⅱ類負荷模型分別采用上述措施后，西藏中部電網末端電壓曲線如圖4所示，結果表明上述措施均能有效提高西藏中部電網的暫態電壓穩定性。

圖4 電網末端電壓曲線

對于增加電源類方案，電網末端建設光熱電站接入多林220kV變電站的系統暫態電壓穩定性明顯優于羊湖和乃瓊220kV變電站接入新增電源或電源多開機方案，西藏中部電網電源建設于電網末端更有利于提高系統暫態電壓穩定性。

對于上述3類方案，由于調相機1～2 s內無功出力可達到其額定容量的2倍以上，SVC或SVG無功出力和電壓的平方成正比，受參數等多方面因素的限制發電機無功出力比調相機小。在3類方案接入點和規模基本相當時，調相機方案的系統暫態電壓穩定性明顯優于其余方案。

4 結論和建議

通過對西藏中部電網2018年冬大運行方式暫態電壓穩定分析，結果表明：

1)中部電網網內220kV電網三相短路故障后，由于網內電源支撐較弱，感應電動機負荷比例較大以及直流功率恢復需要吸收大量的無功導致系統電壓失穩。

2)結合西藏資源條件，“十三五”期建設光熱、燃機、調相機、SVC以及電源多開機等措施均可增強西藏中部電網動態無功支撐，有效提高暫態電壓穩定性。西藏中部電網電源建設于電網末端的日喀則電網更有利于提高系統暫態電壓穩定性，同等規模下調相機方案的電源支撐和電壓穩定性優于增加電源方案和SVC方案。

3)建議“十三五”期在換流站建設一定容量的調相機，應鼓勵建設一定規模的光熱電站，新建發電機組應具備低負荷運行能力；調度安排運行方式時應盡量降低單臺機組出力，增大中部電網開機容量。新增工業負荷應盡可能降低感應電動機的使用比例。

[1] 西藏地區大中型礦業負荷特性對聯網通道穩定性的影響研究[R]．北京：中國電力科學研究院，2015．

[2] 孫華東，周孝信，李若梅．感應電動機負荷參數對電力系統暫態電壓穩定性的影響[J]．電網技術，2005，29(23)：1-6．

[3] 曹路，勵剛，武寒．馬達負荷模型對華東電網暫態穩定性的影響分析[J]．電網技術，2007，31(5)：6-10．

[4] 應林志, 王建全．負荷模型對特高壓接入浙江電網暫態穩定分析的影響[J]．華東電力，2011，39(1)：121-124．

[5] 趙賀，周孝信．受端系統負荷對高壓直流輸電的影響[J]．中國電機工程學報，2007，27(16)：1-6．

[6] 孫元章，王志芳，盧強．靜止無功補償器對電壓穩定性的影響[J]．中國電機工程學報，1997，17(6)：373-376．

[7] 李興源．高壓直流輸電系統[M]．北京：科學出版社，2010．

[8] 廖民傳，蔡廣林，張勇軍．交直流混合系統受端電網暫態電壓穩定分析[J]．電力系統保護與控制，2009，37(10)：1-4．

[9] 周德貴．發電機組作調相機運行的分析與實踐[J]．四川電力技術，2001，24(3)：1-6．

[10] GB/T 15468-2006，水輪機基本技術條件[S]．北京：中國國家標準化管理委員會，2006．

鄭 勇(1975)，碩士、高級工程師，從事電力系統規劃設計工作；

張立峰(1978)，碩士、高級工程師，研究方向為電網技術與控制；

晏小彬(1987)，碩士、工程師，從事電力系統規劃設計工作；

何志強(1979)，碩士、高級工程師，從事電力系統規劃設計工作。

Power load of central Tibet power grid will be growing rapidly in 13th Five-Year period, but the power construction lags, the proportion of receiving power in winter will be higher, and the transient voltage stability problem is much more outstanding. The mechanism and influencing factors of transient voltage stability problem in central Tibet power grid are deeply studied. The analysis shows that the reactive power demand of induction motor and DC converter station will worsen the stability of the receiving system in the process of transient recovery. The advantages of local resources and the stability measures on grid side are comprehensively analyzed, wherein newly-built solar-thermal power generation stations and synchronous condenser can effectively restrain the voltage instability of central power grid and increase the power receiving capability of central power grid.

central Tibet power grid; transient voltage stability; induction motor; synchronous condenser

TM712

A

1003-6954(2017)02-0071-04

2016-10-18)