湖南電網低谷方式下調相機進相運行影響分析

張泰磊， 石輝， 王玎

(1. 國網湖南省電力有限公司， 湖南 長沙410014；2. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007)

0 引言

湖南電網低谷小負荷時段, 特別是汛期、 春節等期間, 主網運行電壓偏高, 局部地區存在電壓越上限情況。 豐水期負荷水平較低時, 在株洲南部、邵陽南部、 永州南部、 懷化西部等風電和小水電上網較多區域, 由于并聯補償電抗器容量不足, 部分站點電壓偏高, 越上限情況時有發生。 春節小負荷運行方式下, 負荷中心部分站點電壓偏高, 特別是低谷時段, 長沙市區和寧鄉電壓偏高, 電壓調整手段有限。

由于湖南電網感性無功補償設備整體配置不足, 小機組無功調節資源沒有得到充分發掘和利用, AVC (自動電壓無功控制) 系統網省、 省地、廠站、 各電壓等級的無功電壓協調優化控制能力不強, 在低谷小負荷方式下, 即便補償電抗器全部投入、 機組按最大進相深度運行、 調整運行方式、 開出水電機組空載調壓后, 500 / 220 kV 層面母線電壓仍然偏高甚至越限。 尤其在水電、 風電大發等時段, 低谷調峰已經十分困難, 清潔能源無法保證全額消納, 被迫臨時開出水電機組調壓將加大棄電風險和比例。

祁韶直流一般不參與電網調峰是湖南電網低谷調峰困難的另一個因素。 此外, 祁韶直流安全穩定運行與湘中及負荷中心火電機組開機方式、 旋轉備用容量與全省負荷水平、 祁韶直流送湘功率、 主網運行方式息息相關, 需時刻相應調整。 大量火電機組常年掛網運行并長期留有旋轉備用, 制約了火電機組開機方式、 檢修安排, 降低了負荷利用率[1-2]。

為解決湖南電網無功支撐不足、 電壓穩定水平低等問題, ± 800 kV 韶山換流站投運了2 臺300 Mvar調相機, 是國內首套用于特高壓受端換流站的調相機組[3]。 目前暫未接入全省AVC 系統,由站內值班人員手動控制, 輸出無功基本維持在0 Mvar, 一般不超過± 50 Mvar, 留有一定無功儲備。 若能對調相機進行精細調整, 充分發揮調相機容量大、 響應速度快等特點, 研究調相機參與地區電壓控制、 優化火電開機方式、 釋放機組旋轉備用容量的無功策略和運行方式, 對于提升電網安全性與經濟性、 提高開機方式的靈活性、 緩沖低谷調峰調壓矛盾、 減少“三棄” 等都具有實際意義[4-12]。

1 計算條件

2019 年湖南電網主網結構如圖1 所示。 選取低谷小負荷運行方式, 計算數據由國家電力調度控制中心( 簡稱國調) 統一下發。 全省計算負荷10 600 MW, 祁韶直流送電1 400 MW、 鄂湘聯絡線送電239 MW, 負荷中心火電開機10 臺并預留1 692 MW旋轉備用容量, 韶山換流站1 臺調相機并網運行, 其初始無功功率0 Mvar, 全省火電機組合計預留1 690 MW 旋轉備用容量。

圖1 湖南電網主網架結構

韶山換流站300 Mvar 額定容量的同步調相機采用自并勵靜止勵磁系統, 仿真模型參數參考中國電力科學研究院推薦的典型值, 最大進相深度為-150 Mvar[13]。

2 調相機靜態調壓效果

目前韶山換流站調相機正常運行控制在±50 Mvar范圍內, 極少參與地區電壓控制, 而湘中地區在負荷低谷時段多發電壓偏高問題。 按照無功補償分層分區和就地平衡原則, 考慮調相機參與近區電壓控制, 可以緩解湖南電網低谷小負荷方式下局部電壓偏高問題, 特別是湘中地區電壓越限情況。 取2019 年湖南電網低谷小負荷方式, 計算韶山換流站1 臺調相機在不同無功運行工況下的近區500 / 220 kV母線電壓結果見表1、 表2。

表1 不同進相條件下的500 kV 母線電壓 kV

表2 不同進相條件下的220 kV 母線電壓 kV

在低谷小負荷方式下, 韶山換流站1 臺調相機進相運行50 Mvar 時, 近區500 kV 母線電壓降低1～2 kV, 220 kV 母線電壓基本不變； 1 臺調相機進相運行100 Mvar 時, 近區500 kV 母線電壓降低2～3 kV, 220 kV 母線電壓降低約1 kV； 1 臺調相機進相運行150 Mvar 時, 近區500 kV 母線電壓降低4～5 kV, 220 kV 母線電壓降低約2 kV。

由此可見, 低谷小負荷方式下, 韶山換流站1臺調相機進相運行時, 對湘中地區500 kV 云田、星城、 古亭、 鶴嶺等電壓調整效果較好, 但對近區220 kV母線電壓的調整效果不明顯。 調相機參與地區電壓控制時, 只能用于500 kV 層面調壓, 對220 kV層面調壓基本沒有效果。

3 調相機暫態調壓效果

湖南電網負荷與電源逆向分布, 主網架結構薄弱, 電壓不穩定問題突出。 500 kV 鶴嶺、 沙坪變電站近區發生三相故障時, 負荷中心電壓跌落后不能恢復, 存在電壓不穩定問題。 祁韶直流大功率饋入后, 若在電網交流側發生大擾動、 換相失敗等故障, 逆變器會持續從交流系統吸收大量無功功率,進一步惡化受端電網動態無功平衡, 加劇了電壓不穩定問題[14～16]。 基于此, 研究低谷小負荷方式下調相機進相運行時, 負荷中心500 kV 線路三永N-1 故障、 祁韶直流雙極閉鎖故障后系統的暫態穩定特性至關重要。

3.1 負荷中心500 kV 線路三永N-1 故障

湖南電網低谷小負荷方式, 主要面臨靜態電壓過高問題, 調相機進相運行能抑制電壓偏高, 同時也可能影響近區嚴重故障下的暫態電壓支撐能力。為此, 對比調相機在不同初始方式下, 500 kV 韶鶴線鶴嶺側N-1 三永故障時近區暫態電壓變化, 如圖2 所示(以淮川變220 kV 母線電壓為例)。

圖2 500 kV 韶鶴線N-1 三永故障時淮川站母線電壓響應特性

由圖2 可見, 電網小負荷方式下, 調相機加大進相運行深度后, 系統應對故障時的暫態電壓恢復時間縮短, 電壓穩定特性有所改善。

3.2 祁韶直流雙極閉鎖故障

湖南電網低谷小負荷方式, 祁韶直流雙極閉鎖后, 韶山換流站濾波和無功補償裝置不能立即切除, 導致系統峰值電壓過高。 若調相機初始方式加大進相深度、 拉低近區系統電壓水平, 可降低故障后系統電壓峰值, 緩解甚至避免電壓過高問題。

與此同時, 為考察調相機加大進相深度對故障后近區動態電壓支撐的影響, 對比了調相機在不同初始方式下, 祁韶直流雙極閉鎖后近區動態電壓響應情況, 如圖3 所示。 可見, 在不同進相深度下,故障對韶山換流站近區500 kV、 220 kV 母線動態電壓的影響幾乎一致, 調相機加大進相深度不會惡化故障時對動態電壓的支撐能力。

圖3 不同進相深度下近區動態電壓響應特性對比(祁韶直流雙極閉鎖)

調相機對祁韶直流雙極閉鎖故障的動態無功響應曲線如圖4 所示。 故障后, 調相機在暫態過程中首先將持續吸收無功功率25 ～30 Mvar, 抑制系統電壓升高； 在換流站濾波器及無功補償裝置切除后, 系統電壓跌落, 調相機快速減小無功吸收量并向系統注入無功, 由進相變遲相運行； 最后, 無功輸出趨于穩定, 系統電壓恢復。

圖4 祁韶直流雙極閉鎖下調相機動態無功功率輸出

由此可見, 在湖南低谷小負荷方式下, 調相機加大進相運行深度, 有助于抑制系統電壓過高, 同時保持嚴重故障下對動態電壓的支撐能力。

4 調相機與負荷中心火電關聯關系及置換后暫態特性

低谷小負荷、 祁韶直流運行方式下, 系統主要面臨動態無功儲備不足與基礎有功出力過剩的問題, 直觀體現為對負荷中心火電機組開機方式的擠壓。 前者制約祁韶直流運行及送湘功率, 后者制約清潔能源出力消納, 若能在保證系統動態無功儲備的同時減少負荷中心火電機組開機, 則能釋放清潔能源發電空間、 緩解矛盾。 為此, 通過加大調相機進相深度、 提升動態無功儲備的方式來置換負荷中心火電開機。 基于典型小負荷方式, 祁韶直流運行要求負荷中心火電開機10 臺, 當調相機加大進相深度、 替代長沙地區1 臺機組后, 低谷時段可安排長沙地區1 臺機組停機, 釋放約300 MW 出力,增加清潔能源消納空間, 減少窩電、 棄電, 見表3。

表3 韶山站調相機不同初始無功工況下與負荷中心火電開機和旋轉備用容量置換關系

為考察調相機加大進相深度、 置換負荷中心1臺火電機組對系統動態無功儲備水平的影響, 對比調相機在不同初始工況下進行火電機組置換前后的動態無功響應特性曲線, 如圖5 所示( 以淮川變母線電壓為例)。 仿真結果表明, 火電機組置換前后系統動態無功響應特性基本無變化, 暫態電壓恢復能力良好。

圖5 調相機無功響應曲線

5 結語

本文研究了湖南電網低谷小負荷方式下, 韶山換流站調相機進相運行對系統電壓控制、 動態電壓支撐及火電機組置換的影響, 主要結論如下:

1) 韶山站調相機進相運行時, 對湘中500 kV系統電壓過高的抑制效果較好, 最大下降幅度達5 kV； 對近區220 kV 系統電壓的抑制效果有限,電壓下降幅度1～2 kV。

2) 韶山換流站調相機進相運行時, 系統應對近區故障的暫態電壓恢復特性略好于調相機非進相方式； 調相機加大進相深度, 不影響對祁韶直流雙極閉鎖故障的動態電壓支撐能力。

3) 韶山換流站調相機加大進相深度, 能置換負荷中心火電開機, 同時不削弱系統動態無功支撐能力, 有助于負荷低谷時段清潔能源消納。