我國電力系統恢復策略探析論文
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摘要:電網發生部分乃至全部停電事故后,系統恢復目標是在盡可能短的時間內對盡可能多的負荷恢復供電。這就要求各電網制定可行的恢復方案,適時更新并且利用檢修時機進行現場實驗和仿真。文中給出了幾個國外典型恢復案例分析和經驗,對其他電力公司制定電力系統恢復方案有一定的借鑒價值。
0引言
近年來,電力工業的快速發展極大地提高了供電可靠性。然而,由于電力系統中存在著諸多不可預知的因素,如天氣、人員誤操作等,系統發生部分停電乃至全部停電的可能性依然存在。由于對電力系統恢復問題的研究起步較晚,目前還沒有適用于不同電網的恢復工具,這就迫切要求各電網根據各自的實際網絡結構制定各自的恢復計劃。系統大面積停電是低概率事件,因此無論是調度人員還是電廠、變電站的操作人員都沒有太多的實際經驗[1]。本文選擇了國外近年來幾個具體的系統恢復方案進行了分析。
1電力系統恢復的基本策略
電力系統恢復的基本策略有兩種[2]:
a.串行恢復。串行恢復是在大多數發電機并網前對整個網絡進行充電。串行恢復主要問題是高壓輸電系統充電時產生的無功常常超出實施充電的發電機的無功吸收能力,可能會導致線路末端出現過電壓。因此,這種方式更適用于沒有長輸電線的小系統,或是有高無功吸收能力的以水電為主的系統,或是服務區域比較緊湊的大系統。對于其他系統,通常是在系統發生部分停電事故或是有聯絡線援助情況下選用串行恢復。
b.并行恢復。并行恢復是將系統分成幾個子系統同時恢復,各子系統同步后整個網絡再連接起來。系統完全瓦解或沒有任何外部互聯援助時,常常采用并行恢復。在系統全黑情況下,子系統同步恢復能顯著縮短恢復時間。
2國外典型案例分析
近10幾年來,國外發生了多起大停電事故。事故發生后,瑞典、加拿大、以色列等都對停電事故進行了分析,對恢復方案進行了總結和修訂。其他國家的一些電力公司依據自身電網的特點制定了相應的恢復計劃并對計劃的可行性進行了現場實驗和仿真。本畢業論文由整理提供從這些恢復方案中可以看出系統恢復遵循一些共性的規律和原則,如將系統分裂成幾個有自啟動能力的子系統,子系統恢復到一定程度后聯網運行。但是不同的系統又各有特性,應充分利用這些特點加快整個恢復的進程[3～16]。下面給出了幾個具有代表性的案例。
2.1洛杉磯系統低電壓大規模城市電網恢復[10]
紐約大停電后,許多大的城市供電網開始投入大量的人力和物力進行系統恢復方案的研究和實驗。由于洛杉磯系統有大容量的抽水蓄能水電站且服務區域比較緊湊,洛杉磯水電局LADWP(LosAngelesDepartmentofWaterandPower)在制定系統恢復方案時選擇串行恢復策略,串行恢復如果成功,就能保證汽輪發電機組在臨界時間內熱啟動,加快恢復進程。為了控制系統充電時線路出現過電壓,他們提出了一種新的網絡充電方案:在發電機運行在極低電壓情況下,對供電區盡可能大的輸電網進行整體充電。為了驗證發電機運行在低電壓情況下對整個網絡充電方案的可行性以及實施方案可能會遇到的困難,LADWP進行了仿真和現場實驗。主要考察的問題包括:①實施充電的發電機機組的電壓工作范圍;②暫態電壓情況。
2.1.1LADWP系統描述
LADWP系統主要為洛杉磯市供電,在其服務區內有一個220kV和138kV輸電系統,與SouthernCaliforniaEdison公司的系統相連。還與西部500kV輸電系統相連,但是由于其過大的容性無功,兩個相鄰系統不能作為黑啟動電源。服務區內或靠近服務區的發電機組主要包括4個燃油或燃氣蒸汽發電廠和Castaic發電廠——大容量泵儲水電站。其中Castaic發電廠具有黑啟動能力,而且離服務區很近,所以被選為黑啟動電源對系統充電,為蒸汽機組提供啟動電源。對充電系統的潮流計算表明,如果Castaic發電廠高壓母線電壓不超過207kV(0.9,標幺值),230kV系統電壓最高值(1.05)將出現在Scattergood發電廠。當同步發電機給純容性負載充電時,潮流計算只給出電壓的穩態值。暫態電壓通過發電機等值電路計算獲得,通過現場實驗來驗證。
2.1.2實驗系統描述
黑啟動情況下,大的空載輸電系統對發電機而言為容性負載,基于這一特征,可以通過充電同等容量的大電容器來做仿真和實驗。在距Castaic發電廠20英里(約32km)處有一高壓直流變流站——Sylmar變流站,該站有6組80Mvar的電容器,總容量為480Mvar。實驗系統確定為Castaic發電廠和Sylmar變流站以及它們之間的輸電線路。
2.1.3準備工作
a.發電機實驗。確定Castaic發電廠發電機組的實際工作電壓范圍。機組容量為250MVA,機端額定電壓為17.25kV,靜止勵磁機。實驗確定最小勵磁情況下發電機端電壓為2kV,但是在這個電壓下頻率裝置和同期表的讀數不可靠。為了解決這個問題,必須將各機組在額定電壓下同步,然后將各機組電壓同時減少到需要值,當3臺機同步時,電壓穩定最低極限值是3kV。
b.對實驗系統進行潮流計算。Castaic發電廠4臺發電機充電5組電容器和6組電容器的潮流結果如表1所示。
c.暫態電壓升計算。通過發電機空載等值電路和帶上電容器負載后等值電路,可以很方便地計算出各相電流,在已知每相容抗后,能夠求出暫態電壓。計算結果如表2所示。
2.1.4實驗過程及結果
實驗系統和系統隔離,所有設備和電源斷開。在Castaic發電廠選擇一條與系統、實驗系統都隔離的母線,4臺機組以額定轉速并列在該母線上,機端電壓同步減到3kV,然后合上電容器開關。首先是合上1組,然后2組、3組,當投入5組時,機端電壓從3kV升到7.5kV,Castaic發電廠母線電壓從40kV升到105kV,Castaic發電廠230kV母線上無功負荷是-90Mvar,Sylmar變流站電壓為112kV,無功負荷為-88Mvar。然后,電壓以每次1kV的速度升到15.5kV,Castaic發電廠母線電壓最大值為215kV,最大無功負荷為-415Mvar,Sylmar變流站最大電壓為232kV,最大無功為-423Mvar。投入6組電容器時,機端電壓從3kV升到12.5kV,Castaic發電廠母線電壓從40kV升到176kV,無功負荷為-330Mvar,Sylmar變流站電壓為191kV,無功負荷為-356Mvar。然后,電壓以每次1kV的速度升到14.5kV。Castaic發電廠母線最大電壓為207kV,最大無功負荷為-460Mvar;Sylmar變流站最大電壓為225kV,最大無功負荷為-482Mvar。
實驗結果與潮流計算結果十分接近。實驗證明:用Castaic發電廠的4臺機組對整個LADWP服務區內的網絡充電的方案是可行的。但是采用這種恢復方式時,要確保水電機組有足夠的無功吸收能力,至少能夠吸收網絡充電時產生的無功。
2.2NPPD大型燃煤火力發電廠的黑啟動[4]
系統發生大面積停電事故甚至全黑情況下,大型火電廠恢復的快慢直接關系到整個恢復進程的快慢,NPPD(NebraskaPublicPowerDistrict)對系統大面積失電(甚至全黑)且無外援情況下,用遠方小水電充電大型火力發電廠GGS(GeraldGentlemanStation)的方案進行了全面的分析、仿真和現場實驗。GGS總裝機容量為1300MW,共2臺機,每臺650MW。在夏季負荷高峰時GGS能帶Nebraska地區1ö3的負荷。一旦GGS啟動,能對整個地區的電網充電,從而加快恢復進程。小水電選擇GGS東部距其23英里(約37km)的NPHS(NorthPlatteHydroStation)和西部距其33英里(約53km)的KHS(KingsleyHydroStation)。NPHS有2臺14.5MVA機組,KHS有1臺52.6MVA機組。實驗主要考察以下問題:①考察GGS機組電機啟動電流,主要是6臺150kW以上的電機;②冷負荷啟動;③小水電系統的建立。
2.2.1實驗準備工作
在進行黑啟動實驗前,進行了一系列的仿真和實驗。首先對6臺電機的啟動進行了仿真,確定這6臺電機啟動順序應按容量大小降序排列,即先啟動最大容量的電機,容量最小的電機排在最后,從仿真中可以看出,雙速電機在黑啟動情況下應低速啟動,高速啟動時啟動電流太大,啟動時間也過長。另一個問題是保護,從仿真中可以看出,啟動大電機時頻率下降可能會使低頻減載保護動作,因此,實驗前應解除低頻減載保護。
在黑啟動情況下,水輪機要帶一定的冷負荷,隨停電時間的不同,冷負荷的大小也不同,最大可達到停電前負荷的3倍[17～19]。因此,NPPD進行了冷負荷啟動試驗確定機組帶冷負荷能力。實驗證明,NorthPlatte機組具有帶冷負荷的能力。KHS的機組輸出功率低于15MW時,汽輪機出現氣蝕現象。氣蝕現象通常出現在機組啟動和停機階段,但是由于持續時間很短,通常沒有太大影響。在實際黑啟動情況下,要確保KHS的機組帶足夠的冷負荷,達到15MW的最低要求。
小水電系統給GGS的230kV線路充電時,受GGS同期檢查保護的限制,要對整條50英里(約80km)長的230kV線路進行充電,計算機仿真表明,充電時會產生1.4(標幺值)的暫態過電壓,可能會引起避雷器動作或損壞設備,由于投入了電抗器,過電壓只持續幾個周期。
2.2.2黑啟動實驗
盡管分析和仿真表明用小水電系統啟動大的廠用電機方案是可行的,為了確保萬無一失,NPPD利用GGS的1號機組大修機會進行就地實驗。實驗分為2個階段:第1階段將2個小水電系統隔離,各自帶一些地區負荷;第2階段對Ogallala2GGS2NPHS的230kV輸電線充電,經NPHS低壓側的發電機開關將2個系統同步。
2.2.3實驗中出現的問題
a.通過230kV線路充電NPHS的230kVö115kV變壓器和115kVö13.2kV發電機升壓變壓器時產生持續動態過電壓,持續6s～7s。
b.實驗中,KHS與系統隔離后,頻率在59Hz～61Hz間振蕩。
c.另一個問題是關于KHS的調速器,當啟動GGS的一次風機后,由于水輪機的凈水頭變化非常大,其調速器被閉鎖,導致汽輪機變節距葉片閉鎖靜止不動。從而系統頻率在55Hz～65Hz之間振蕩,直到調速器手動復位。
除頻率響應外,其他實驗數據和仿真結果非常匹配。實際頻率響應和仿真結果的差異是實驗中調速器閉鎖造成的。
2.2.4實驗后系統改造措施
a.對電子調速器的參數進行調節校正。第1步是對KHS的調速器進行離線實驗。機組離線運行在額定轉速下,手動控制水門限度使頻降到55Hz,然后解除水門限度,讓調速器對一個小凈水頭模擬信號做出響應,對頻率越限和阻尼擺動情況進行監測。第2步是讓KHS與系統隔離運行,帶少量系統負荷,啟動GGS的大感應電動機,監測調速器的響應并調整調速器的離線控制增益設置。第3步讓KHS與系統隔離運行,帶大部分系統負荷,啟動GGS的大感應電動機,監測調速器的響應并調整調速器的離線控制增益設置。這些實驗提供了調速器在不同機組運行點下的響應,從而可以進行調速器離線控制增益的調整。在與系統隔離的運行方式下,使用調速器離線控制模式。調速器離線模式是一個過補償模式,增益設置通常比正常在線設置低一些。超級秘書網
b.調整充電操作步驟,消除線路充電時出現的過電壓現象。實驗后計算機仿真表明,對NPHS的230kVö115kV變壓器和發電機升壓變壓器分別進行充電就不會出現過電壓現象。
c.調整KHS發電機斷路器重合閘保護邏輯回路。現行的回路只允許重合到帶電系統、運行的發電機。黑啟動情況下,機組要對失電系統充電,啟動冷負荷。因此調整跳閘回路使其重合到失電系統。實驗結果表明:在對系統進行一些小的改造和調整后,用小水電系統啟動大型火電機組是可行的,實驗數據和仿真數據匹配得很好。
2.3意大利HV電網黑啟動和恢復就地實驗的仿真[11]
ENEL(ItalianElectricityBoard)為了改進系統的恢復可靠性,利用火電機組大修的機會定期進行現場實驗并對恢復過程進行完整的仿真,以便確認哪些電壓和頻率的暫態行為不能接受,從而調整電網重構的順序。
2.3.1ENEL恢復計劃
恢復控制組織結構分為3層:
a.NCC(NationalControlCenter)負責系統安全、頻率控制、負荷調度和輸電系統的監控(220kV～380kV);
b.RCC(RegionalControlCenters)主要負責控制配電網(132kV～150kV);
c.ACC(AreaControlCenters)主要負責輸電網和水電廠的就地操作。
依賴于這3個中心之間適當的通信設施,在離線研究的基礎上制定一套系統恢復計劃。計劃分為以下5步。
第1步:各層控制中心檢測黑啟動狀態,ACC確認電網準備階段的開關操作順序,RCC和NCC的關鍵作用是確定黑啟動的邊界。
第2步:盡可能快地在黑啟動機組和火電廠建立HV通路,為火電廠提供啟動功率,以便使火電廠盡快地投入運行。在此階段,RCC與ACC協調溝通為接下來帶負荷做準備。啟動功率路徑的選擇除了滿足充電電壓在允許范圍內之外,還要能夠為火電機組提供一個基本負荷。除此之外,RCC還通過該路徑充電其他2個水電機組,改善電壓和頻率調節。
第3步:全部由RCC來協調控制。電廠操作人員經RCC允許后,將火力機組同步并網開始帶負荷,但需注意,在負荷低于最小負荷前,發電機控制為手動控制。
第4步:主要由RCC負責,NCC提供必要的支持。
第5步:在NCC的監督下,進行整個電網的連接。
2.3.2ENEL現場實驗
VadoLigure火電廠的3號機組通過恢復路徑來獲得啟動功率,恢復路徑包括黑啟動水電站Entracque(裝有黑啟動頻率控制裝置AURET,孤島運行情況下作為二次調頻限制啟動冷負荷引起的頻率降低)、配電網的普通水電機組(包括Casteldelfino,Brossasco,Andonno)和一些提供負荷支持的變電站。實驗具體操作步驟如下。
a.利用ENEL大多數電廠雙母線結構特性構造孤島運行狀態(火電廠甩負荷成功帶廠用運行)。
b.Entracque水電站9號機組(裝有AURET)依靠自身蓄電池系統黑啟動,然后依次對主變、380kV母線、通往MaglianoAlpi的恢復線路、就地380kVö132kV自耦變壓器充電。EHV空載線路充電時出現暫態過電壓現象,但由于線路較短,同時通過改變AVR參考電壓設定點得以控制。在Carru啟動12MW冷負荷后,出現了顯著低頻現象,持續了大約15s。繼續帶冷負荷(Alba為24MW,Bra為24MW,SanRocco為11MW),頻率動態特性與前面相似。
c.其他小水電機組并網運行。由于AURET的作用,頻率不低于49.8Hz。然而,當所用水電機組并網后發電量在各機組間并不是正常分配的。為了防止負荷進一步增長時Entracque有功飽和,提高了功率因數設置。繼續帶負荷,總共達到150MW左右。
d.通過合上380kV線路開關將電輸送到VadoLigure。
e.VadoLigure機組實施升負荷,升負荷率為3MWömin,直到帶上大部分系統負荷為止(大約130MW)。在這一階段,AURET起了很大作用,頻率維持在49.9Hz。實驗的成功完全證明了恢復計劃的有效性,整個子系統的重構用了35min。
3結論
第2節前述的3個案例的恢復基本包括了電力系統恢復的幾種方式。第2.1節中的串行低電壓恢復方案,在恢復供電區域比較緊湊的城市電網時有很大的借鑒價值。另外,用電容器來代替實際電網進行實驗,可以很方便地驗證方案的可行性。但是要確保發電機組有足夠的無功吸收能力。第2.2節中的小水電啟動大型火力發電廠,是并行恢復中的一個關鍵環節,在制定和實施方案時要重點考察大電機啟動順序和啟動電流、保護以及調速器的整定等問題。在很多電網的恢復方案中,都要考慮小水電啟動大型火電機組的問題。第2.3節從全局的角度對系統恢復進行了全面描述和分析,從而對系統恢復方案的制定中各層控制中心的責任劃分及人力物力分配上有一定的參考價值。
從上述3個案例中,我們也可以看出各電力公司要根據各系統的具體情況制定各自的恢復方案,利用自身優勢,既要保證恢復可靠完成,又要力爭在最短的時間內對盡可能多的負荷恢復供電。
參考文獻
1AdibiMM,KafkaRJ.PowerSystemRestorationIssue.IEEEComputerApplicationinPower,1991,4(2):19～24
