摘要：四川電網(wǎng)錦蘇、復(fù)奉和賓金三回特高壓直流輸電線路相繼投產(chǎn)后,若任一直流工程發(fā)生雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障,大量盈余功率轉(zhuǎn)移將導(dǎo)致渝鄂輸電斷面失步解列裝置動(dòng)作,川渝電網(wǎng)孤立運(yùn)行.由于四川電網(wǎng)原有高頻切機(jī)方案切機(jī)量不足以及切除機(jī)組選擇不當(dāng),將引發(fā)川渝電網(wǎng)高頻問(wèn)題且失去穩(wěn)定.對(duì)此,針對(duì)多回特高壓直流投運(yùn)新形勢(shì),提出的高頻切機(jī)方案配置原則包括:應(yīng)避免特高壓直流發(fā)生換相失敗期間和線路故障再啟動(dòng)成功后誤切機(jī)組;高頻切機(jī)防控故障應(yīng)限于單回直流故障;為避免過(guò)切機(jī)組,每輪次切機(jī)量不宜過(guò)大;直流閉鎖引發(fā)的高頻問(wèn)題,應(yīng)該由直流配套電源來(lái)解決等.最后,重新配置并校核了高頻切機(jī)方案,研究結(jié)論已得到實(shí)際應(yīng)用,切機(jī)定值已下發(fā)至機(jī)組,應(yīng)用效果良好.

引言：

四川省地處中國(guó)西南地區(qū),可開(kāi)發(fā)的水利資源蘊(yùn)藏豐富,已投產(chǎn)的三回特高壓直流錦屏—蘇州(簡(jiǎn)稱錦蘇)輸送容量為7.2GW、復(fù)龍—奉賢(簡(jiǎn)稱復(fù)奉)輸送容量為6.4GW和宜賓—金華(簡(jiǎn)稱賓金)輸送容量為8GW,是國(guó)家電網(wǎng)公司“三交四直”特高壓網(wǎng)架中的重要組成部分.特高壓直流工程由于電壓等級(jí)高、輸送距離遠(yuǎn)、容量大,一旦發(fā)生換相失敗、線路故障再啟動(dòng)、功率閉鎖等故障,將對(duì)送端和受端電網(wǎng)穩(wěn)定性造成較大影響.因此,學(xué)者們針對(duì)特高壓直流饋入后受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性和穩(wěn)控措施配置,以及直流閉鎖引起功率大范圍轉(zhuǎn)移對(duì)送端電網(wǎng)穩(wěn)定性影響[5G9]做了深入研究,對(duì)交直流耦合下的穩(wěn)定機(jī)理以及維持穩(wěn)定的穩(wěn)控措施均有大量研究成果.

前述直流功率閉鎖后系統(tǒng)的穩(wěn)定性及穩(wěn)控措施研究屬于電力系統(tǒng)第二道防線范疇,針對(duì)川渝電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”的特點(diǎn),直流功率閉鎖后仍需考慮穩(wěn)控裝置拒動(dòng)的可能性,直流功率大范圍轉(zhuǎn)移至500kV交流線路,將引起川渝電網(wǎng)與華中東四省輸電斷面失步解列裝置動(dòng)作,導(dǎo)致川渝電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)頻率升高,配置第三道防線的高頻切機(jī)方案可使得系統(tǒng)恢復(fù)頻率穩(wěn)定.文獻(xiàn)提出結(jié)合發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻、連鎖切機(jī)、高頻切機(jī)和發(fā)電機(jī)超速保護(hù)等手段來(lái)抑制系統(tǒng)高頻問(wèn)題;文獻(xiàn)中對(duì)于發(fā)電機(jī)組超速保護(hù)定值設(shè)定與高頻切機(jī)協(xié)調(diào)配合進(jìn)行了優(yōu)化研究;文獻(xiàn)通過(guò)推導(dǎo)區(qū)域電網(wǎng)頻率偏差的解析式,掌握了頻率變化特性,提出了一種基于單機(jī)模型快速配置高頻切機(jī)方案的方法;文獻(xiàn)針對(duì)地區(qū)電網(wǎng)深化研究了機(jī)組間超速保護(hù)定值的協(xié)調(diào)配合.

以上文獻(xiàn)對(duì)于高頻切機(jī)配置方法及各參數(shù)協(xié)調(diào)配合原則均值得借鑒,但針對(duì)大規(guī)模直流功率閉鎖引起的高頻問(wèn)題及其配置原則暫無(wú)詳細(xì)研究.

本文基于2014年四川電網(wǎng)三回特高壓直流滿功率送出運(yùn)行方式,若發(fā)生任一回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障,鄂渝斷面失步解列動(dòng)作導(dǎo)致川渝電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行,針對(duì)四川電網(wǎng)原有高頻切機(jī)方案切機(jī)量不足和切除機(jī)組選擇等問(wèn)題,提出了適應(yīng)多回特高壓直流送出新形勢(shì)的高頻切機(jī)方案配置原則,并重新配置和校核了高頻切機(jī)方案,為多回特高壓直流滿功率安全穩(wěn)定送出提供了重要技術(shù)支撐.

1原有高頻方案適應(yīng)性仿真分析

1.1特高壓直流投運(yùn)典型運(yùn)行方式

2014年夏季典型方式,特高壓交流北送約5.4GW,華中電網(wǎng)裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到146GW,最大

負(fù)荷達(dá)到119GW.其中,四川電網(wǎng)機(jī)組出力達(dá)到48.4GW,最大負(fù)荷達(dá)到21.55GW,此時(shí)三回特高壓直流均為額定功率送出.重慶電網(wǎng)出力達(dá)到10.92GW,最大負(fù)荷達(dá)到12.12GW,川渝電網(wǎng)總出力達(dá)到59.32GW,總負(fù)荷達(dá)到33.68GW.四川電網(wǎng)三回特高壓直流送出聯(lián)絡(luò)示意圖如圖1所示.

由圖1可以看出,四川電網(wǎng)具有鮮明的送端電網(wǎng)特點(diǎn),重慶電網(wǎng)屬于受端,需要從四川受電并承擔(dān)著轉(zhuǎn)送四川電力至華中的任務(wù),所以通常川渝斷面的解列裝置不啟用,川渝電網(wǎng)作為一個(gè)整體,而將渝鄂斷面的解列裝置啟用,保證發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)解列渝鄂斷面,川渝電網(wǎng)孤立運(yùn)行.

1.2四川電網(wǎng)現(xiàn)有高頻方案不適應(yīng)性

四川電網(wǎng)在特高壓直流工程投運(yùn)前,為了解決水電通道送出故障引起的局部電網(wǎng)高頻問(wèn)題,配置了高頻切機(jī)方案,具體如表1所示.

四川電網(wǎng)原有高頻切機(jī)方案的各輪次動(dòng)作延時(shí)均為0.5s,各輪次的切機(jī)量不超過(guò)1.35GW,6輪總計(jì)切機(jī)量為6.71GW.

三回特高壓直流線路投運(yùn)后,四川電網(wǎng)原有高頻方案能否適應(yīng)需要進(jìn)行研究.本文暫以錦蘇直流發(fā)生雙極閉鎖穩(wěn)控裝置拒動(dòng)故障為例,說(shuō)明四川電網(wǎng)原有高頻切機(jī)方案適應(yīng)性的不足.算例中考慮火電機(jī)組配置超速保護(hù)及渝鄂斷面解列裝置.錦蘇直流雙極閉鎖功率為7.20GW,約占川渝電網(wǎng)總出力12%,故障后大量盈余的直流功率轉(zhuǎn)移至500kV

交流通道,導(dǎo)致川渝電網(wǎng)相對(duì)于華中主網(wǎng)失步,渝鄂斷面失步解列裝置動(dòng)作,川渝電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行頻率升高,四川高頻切機(jī)動(dòng)作兩輪,切除機(jī)組約2.1GW.川渝電網(wǎng)整體頻率升高至51.5Hz附近,由于重慶未切除機(jī)組且距離川渝電網(wǎng)慣量中心較遠(yuǎn),所以大量機(jī)組頻率超過(guò)51.5Hz,引起超速保護(hù)反復(fù)動(dòng)作,發(fā)電機(jī)組機(jī)械功率曲線如圖2所示,導(dǎo)致川渝斷面潮流大幅波動(dòng),又引發(fā)四川重慶機(jī)組間功角失穩(wěn).可見(jiàn),四川現(xiàn)有高頻切機(jī)方案已經(jīng)不能適應(yīng)大容量特高壓直流工程投運(yùn)的方式,有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn).

根據(jù)文獻(xiàn)的理論推導(dǎo)和單機(jī)模型仿真結(jié)論:同一時(shí)刻采取不同切機(jī)量對(duì)系統(tǒng)頻率偏差最大值和穩(wěn)態(tài)頻率偏差均有影響.因此,增加高頻切機(jī)每輪次切機(jī)量將有利于抑制頻率升高幅度,特別是越快切除越有利于穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù),這也符合物理常識(shí).可見(jiàn),四川電網(wǎng)原有方案不適應(yīng)特高壓直流投運(yùn)的新形勢(shì)的主要原因與切機(jī)量不足和切除機(jī)組的選擇有關(guān)系.本文將在配置原則中明確切機(jī)量的控制范圍和切除機(jī)組的選定.

2高頻切機(jī)方案配置原則

2.1一般性配置原則

1)高頻切機(jī)措施應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)省網(wǎng)或地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后可能出現(xiàn)的高頻情況設(shè)置.

2)高頻切機(jī)需要與低頻減載措施配合,避免高頻切機(jī)動(dòng)作導(dǎo)致低頻減載裝置動(dòng)作.

3)應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)高頻保護(hù)與汽輪機(jī)超速保護(hù)配合問(wèn)題,避免超速保護(hù)先行動(dòng)作導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)反復(fù)“振蕩”過(guò)程,影響機(jī)組的安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定.

4)高頻切機(jī)措施應(yīng)根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及最大交換功率變化,定期進(jìn)行必要的校核及調(diào)整.

2.2適應(yīng)特高壓直流投運(yùn)后的配置原則

1)應(yīng)避免特高壓直流發(fā)生換相失敗期間、線路故障再啟動(dòng)成功后高頻切機(jī)誤動(dòng)而切除機(jī)組,此外應(yīng)保證發(fā)生交流系統(tǒng)短路故障暫態(tài)期間不應(yīng)誤動(dòng)切除機(jī)組.

2)針對(duì)四川電網(wǎng)三回特高壓直流滿功率送出方式,高頻切機(jī)防控的故障應(yīng)限于單回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng),主要原因一是直流閉鎖穩(wěn)控裝置均為一主一備配置,因此單回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)已經(jīng)屬于N-4故障,所以兩回及以上直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障發(fā)生的概率極低;二是,防控兩回以上直流閉鎖故障,需要配置快速、大量的切除機(jī)組方案作為穩(wěn)控裝置的后備措施,而這樣配置極有可能導(dǎo)致過(guò)切引起低頻減載動(dòng)作.

3)高頻切機(jī)方案每輪次切機(jī)量不宜過(guò)大,防止過(guò)切機(jī)組后引起低頻減載動(dòng)作.針對(duì)2014年川渝電網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)模和第1輪低頻減載動(dòng)作定值,可以計(jì)算得到高頻切機(jī)方案單輪臨界切機(jī)量.

4)因直流閉鎖引發(fā)的高頻問(wèn)題,切除機(jī)組選取,應(yīng)該主動(dòng)由直流配套電源來(lái)解決,如果舍近求遠(yuǎn)的采取切除網(wǎng)內(nèi)機(jī)組可能引起潮流轉(zhuǎn)移越限等問(wèn)題.

3高頻切機(jī)方案配置

3.1確定第1輪的啟動(dòng)頻率

高頻切機(jī)方案第1輪的啟動(dòng)頻率不宜過(guò)低,應(yīng)避免特高壓直流發(fā)生換相失敗期間、線路故障再啟動(dòng)成功及發(fā)生交流系統(tǒng)短路故障暫態(tài)期間不應(yīng)切除機(jī)組.以直流再啟動(dòng)成功為例說(shuō)明定值的設(shè)定原則.再啟動(dòng)策略選擇工程應(yīng)用較多的2次全壓1次降壓,三回直流中輸送功率最大的賓金直流穩(wěn)定曲線如圖3所示.

從圖3可以看出,賓金直流2次全壓?jiǎn)?dòng)未成功,第3次降壓?jiǎn)?dòng)成功,川渝電網(wǎng)最高頻率不超過(guò)50.8Hz,為了避免因直流再啟動(dòng)成功誤切機(jī)組,高頻切機(jī)第1輪頻率定值設(shè)置應(yīng)不低于50.8Hz,留有一定裕度后可設(shè)置為51.0Hz,同時(shí)可與四川電網(wǎng)現(xiàn)有方案第1輪定值匹配.

3.2高頻切機(jī)方案防控故障

高頻切機(jī)應(yīng)主要防控特高壓直流任意單回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障引起的系統(tǒng)頻率升高,而兩回及以上直流同時(shí)發(fā)生雙極閉鎖故障的概率極低,且若將高頻切機(jī)作為穩(wěn)控措施的后備解決暫態(tài)功角失穩(wěn),則需要增加大量的高頻切機(jī)量,由此帶來(lái)過(guò)切的隱患.以復(fù)奉、賓金直流雙極閉鎖故障穩(wěn)控裝置拒動(dòng)為例.四川電網(wǎng)功角曲線如圖4所示.

從圖4可以看出,向家壩和溪洛渡機(jī)組相對(duì)于川渝電網(wǎng)暫態(tài)功角失穩(wěn),導(dǎo)致頻率大幅波動(dòng)后機(jī)組超速保護(hù)反復(fù)動(dòng)作.需采取快速聯(lián)切失步機(jī)組措施,才能維持川渝電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行.

3.3確定每輪次最大切機(jī)量

為避免過(guò)切機(jī)組引起低頻減載動(dòng)作,本文采取如下方式確定每輪次最大切機(jī)量.首先,調(diào)整渝鄂斷面為零功率,隨后無(wú)故障解列渝鄂斷面,形成川渝電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行,再通過(guò)不斷增加川渝電網(wǎng)的切機(jī)容量尋求達(dá)到低頻減載第1輪定值49.0Hz的切機(jī)量邊界.川渝電網(wǎng)不同切機(jī)量的頻率曲線如圖5所示.從圖5可以看出,切除2.45GW機(jī)組后川渝電網(wǎng)頻率最低達(dá)到49.03Hz,且低頻減載特殊輪動(dòng)作一輪.切除2.20GW機(jī)組,川渝電網(wǎng)頻率最低達(dá)到49.53Hz.

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,川渝電網(wǎng)負(fù)荷水平33GW方式下,過(guò)切2.20~2.45GW機(jī)組將面臨低頻減載誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn).隨著系統(tǒng)損失機(jī)組數(shù)量增多,系統(tǒng)規(guī)模降低,系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量減少,能容忍的切除機(jī)組容量就越少,面臨更大的過(guò)切風(fēng)險(xiǎn).所以,四川電網(wǎng)高頻切機(jī)每輪次的切機(jī)容量應(yīng)不超過(guò)2.20GW,留有一定裕度后不超過(guò)2GW為宜.

3.4確定高頻切機(jī)方案需切除機(jī)組

基于四川電網(wǎng)原有高頻切機(jī)方案,需要在第1輪增加切機(jī)量,考慮到高頻問(wèn)題主要由直流閉鎖故障引起,所以新增加的切除機(jī)組可有兩類選擇,第1類直流近區(qū)機(jī)組,第2類直流遠(yuǎn)端機(jī)組.以賓金直流雙極閉鎖穩(wěn)控裝置拒動(dòng)故障為例,說(shuō)明切除不同機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率恢復(fù)的影響.假設(shè)兩類新增切除機(jī)組的切機(jī)量一致,新增切除直流近區(qū)機(jī)組對(duì)最低頻率和穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)更有利.即切除閉鎖直流近端的機(jī)組,頻率恢復(fù)周期短,恢復(fù)速度快;而切除四川電網(wǎng)內(nèi)部直流遠(yuǎn)端機(jī)組與切除重慶電網(wǎng)機(jī)組對(duì)于頻率第1擺過(guò)后的恢復(fù)速度影響不大.所以,從系統(tǒng)頻率恢復(fù)速度角度考慮,應(yīng)盡量采取切除直流近端的機(jī)組.

3.5確定高頻切機(jī)方案

文獻(xiàn)[17]中區(qū)域電網(wǎng)高頻切機(jī)方案配置方法可以借鑒,而本文重點(diǎn)是基于四川電網(wǎng)原有方案,結(jié)合特定的配置原則來(lái)改進(jìn)四川電網(wǎng)高頻切機(jī)方案.根據(jù)計(jì)算結(jié)果,需要在原有高頻切機(jī)方案第1輪增加直流近區(qū)機(jī)組,確定為錦西電廠一臺(tái)機(jī)組加上溪洛渡電廠一臺(tái)機(jī)組,并且每輪次切機(jī)量不超過(guò)2GW.

國(guó)家電力調(diào)度通信中心召開(kāi)了專題研討會(huì)后,認(rèn)可了本文提出的適應(yīng)大規(guī)模直流輸電的四川電網(wǎng)高頻切機(jī)方案優(yōu)化調(diào)整原則.此外,四川電網(wǎng)根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度通信中心的意見(jiàn),重新調(diào)整高頻切機(jī)方案,具體如表2所示.

四川電網(wǎng)最終高頻切機(jī)方案的各輪次動(dòng)作延時(shí)仍為0.5s,各輪次的切機(jī)量不超過(guò)2GW,6輪總計(jì)切機(jī)量約為9.67GW.

4高頻切機(jī)方案校核

確定四川電網(wǎng)最終高頻切機(jī)方案后,需要對(duì)任一特高壓直流閉鎖故障進(jìn)行校核.選取復(fù)奉和賓金為例,故障形式為雙極閉鎖,直流極控0.3s切除濾波電容器,直流穩(wěn)控裝置拒動(dòng),故障后的系統(tǒng)頻率曲線如圖6所示.

計(jì)算結(jié)果表明,復(fù)奉直流雙極閉鎖故障,川渝電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,四川電網(wǎng)高頻切機(jī)動(dòng)作兩輪,共計(jì)切除2.05GW機(jī)組,四川電網(wǎng)最高頻率升高至51.2Hz,最低頻率49.8Hz,恢復(fù)頻率為50.1Hz.賓金直流雙極閉鎖故障,川渝電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,四川電網(wǎng)高頻切機(jī)動(dòng)作兩輪,共計(jì)切除3.93GW機(jī)組,最高頻率51.4Hz,最低頻率49.7Hz,恢復(fù)頻率為50.0Hz.

5結(jié)語(yǔ)

“十二五”期間,四川省三回特高壓直流輸電線路相繼投產(chǎn),直流滿功率送出方式下若發(fā)生任一單回直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)故障,均將導(dǎo)致渝鄂斷面失步解列,川渝電網(wǎng)孤立運(yùn)行頻率升高.本文計(jì)算結(jié)果表明,四川電網(wǎng)原有高頻切機(jī)方案已不能適應(yīng)多回特高壓直流投運(yùn)的新形勢(shì),因此基于原有高頻方案,結(jié)合避免誤切機(jī)組、防控單回直流雙極閉鎖故障、單輪切機(jī)量不宜超過(guò)2GW和宜切除直流近區(qū)機(jī)組等配置原則,在第1輪中增加了錦西和溪洛渡各一臺(tái)機(jī)組,重新調(diào)整并校核了四川電網(wǎng)切機(jī)方案,研究結(jié)論已得到實(shí)際應(yīng)用,切機(jī)定值已下發(fā)至機(jī)組,應(yīng)用效果較好,為多回特高壓直流滿功率安全穩(wěn)定送出提供了重要技術(shù)支撐.