我国电力系统恢复策略探析论文
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摘要:电网发生部分乃至全部停电事故后,系统恢复目标是在尽可能短的时间内对尽可能多的负荷恢复供电。这就要求各电网制定可行的恢复方案,适时更新并且利用检修时机进行现场实验和仿真。文中给出了几个国外典型恢复案例分析和经验,对其他电力公司制定电力系统恢复方案有一定的借鉴价值。
0引言
近年来,电力工业的快速发展极大地提高了供电可靠性。然而,由于电力系统中存在着诸多不可预知的因素,如天气、人员误操作等,系统发生部分停电乃至全部停电的可能性依然存在。由于对电力系统恢复问题的研究起步较晚,目前还没有适用于不同电网的恢复工具,这就迫切要求各电网根据各自的实际网络结构制定各自的恢复计划。系统大面积停电是低概率事件,因此无论是调度人员还是电厂、变电站的操作人员都没有太多的实际经验[1]。本文选择了国外近年来几个具体的系统恢复方案进行了分析。
1电力系统恢复的基本策略
电力系统恢复的基本策略有两种[2]:
a.串行恢复。串行恢复是在大多数发电机并网前对整个网络进行充电。串行恢复主要问题是高压输电系统充电时产生的无功常常超出实施充电的发电机的无功吸收能力,可能会导致线路末端出现过电压。因此,这种方式更适用于没有长输电线的小系统,或是有高无功吸收能力的以水电为主的系统,或是服务区域比较紧凑的大系统。对于其他系统,通常是在系统发生部分停电事故或是有联络线援助情况下选用串行恢复。
b.并行恢复。并行恢复是将系统分成几个子系统同时恢复,各子系统同步后整个网络再连接起来。系统完全瓦解或没有任何外部互联援助时,常常采用并行恢复。在系统全黑情况下,子系统同步恢复能显著缩短恢复时间。
2国外典型案例分析
近10几年来,国外发生了多起大停电事故。事故发生后,瑞典、加拿大、以色列等都对停电事故进行了分析,对恢复方案进行了总结和修订。其他国家的一些电力公司依据自身电网的特点制定了相应的恢复计划并对计划的可行性进行了现场实验和仿真。本毕业论文由整理提供从这些恢复方案中可以看出系统恢复遵循一些共性的规律和原则,如将系统分裂成几个有自启动能力的子系统,子系统恢复到一定程度后联网运行。但是不同的系统又各有特性,应充分利用这些特点加快整个恢复的进程[3～16]。下面给出了几个具有代表性的案例。
2.1洛杉矶系统低电压大规模城市电网恢复[10]
纽约大停电后,许多大的城市供电网开始投入大量的人力和物力进行系统恢复方案的研究和实验。由于洛杉矶系统有大容量的抽水蓄能水电站且服务区域比较紧凑,洛杉矶水电局LADWP(LosAngelesDepartmentofWaterandPower)在制定系统恢复方案时选择串行恢复策略,串行恢复如果成功,就能保证汽轮发电机组在临界时间内热启动,加快恢复进程。为了控制系统充电时线路出现过电压,他们提出了一种新的网络充电方案:在发电机运行在极低电压情况下,对供电区尽可能大的输电网进行整体充电。为了验证发电机运行在低电压情况下对整个网络充电方案的可行性以及实施方案可能会遇到的困难,LADWP进行了仿真和现场实验。主要考察的问题包括:①实施充电的发电机机组的电压工作范围;②暂态电压情况。
2.1.1LADWP系统描述
LADWP系统主要为洛杉矶市供电,在其服务区内有一个220kV和138kV输电系统,与SouthernCaliforniaEdison公司的系统相连。还与西部500kV输电系统相连,但是由于其过大的容性无功,两个相邻系统不能作为黑启动电源。服务区内或靠近服务区的发电机组主要包括4个燃油或燃气蒸汽发电厂和Castaic发电厂——大容量泵储水电站。其中Castaic发电厂具有黑启动能力,而且离服务区很近,所以被选为黑启动电源对系统充电,为蒸汽机组提供启动电源。对充电系统的潮流计算表明,如果Castaic发电厂高压母线电压不超过207kV(0.9,标幺值),230kV系统电压最高值(1.05)将出现在Scattergood发电厂。当同步发电机给纯容性负载充电时,潮流计算只给出电压的稳态值。暂态电压通过发电机等值电路计算获得,通过现场实验来验证。
2.1.2实验系统描述
黑启动情况下,大的空载输电系统对发电机而言为容性负载,基于这一特征,可以通过充电同等容量的大电容器来做仿真和实验。在距Castaic发电厂20英里(约32km)处有一高压直流变流站——Sylmar变流站,该站有6组80Mvar的电容器,总容量为480Mvar。实验系统确定为Castaic发电厂和Sylmar变流站以及它们之间的输电线路。
2.1.3准备工作
a.发电机实验。确定Castaic发电厂发电机组的实际工作电压范围。机组容量为250MVA,机端额定电压为17.25kV,静止励磁机。实验确定最小励磁情况下发电机端电压为2kV,但是在这个电压下频率装置和同期表的读数不可靠。为了解决这个问题,必须将各机组在额定电压下同步,然后将各机组电压同时减少到需要值,当3台机同步时,电压稳定最低极限值是3kV。
b.对实验系统进行潮流计算。Castaic发电厂4台发电机充电5组电容器和6组电容器的潮流结果如表1所示。
c.暂态电压升计算。通过发电机空载等值电路和带上电容器负载后等值电路,可以很方便地计算出各相电流,在已知每相容抗后,能够求出暂态电压。计算结果如表2所示。
2.1.4实验过程及结果
实验系统和系统隔离,所有设备和电源断开。在Castaic发电厂选择一条与系统、实验系统都隔离的母线,4台机组以额定转速并列在该母线上,机端电压同步减到3kV,然后合上电容器开关。首先是合上1组,然后2组、3组,当投入5组时,机端电压从3kV升到7.5kV,Castaic发电厂母线电压从40kV升到105kV,Castaic发电厂230kV母线上无功负荷是-90Mvar,Sylmar变流站电压为112kV,无功负荷为-88Mvar。然后,电压以每次1kV的速度升到15.5kV,Castaic发电厂母线电压最大值为215kV,最大无功负荷为-415Mvar,Sylmar变流站最大电压为232kV,最大无功为-423Mvar。投入6组电容器时,机端电压从3kV升到12.5kV,Castaic发电厂母线电压从40kV升到176kV,无功负荷为-330Mvar,Sylmar变流站电压为191kV,无功负荷为-356Mvar。然后,电压以每次1kV的速度升到14.5kV。Castaic发电厂母线最大电压为207kV,最大无功负荷为-460Mvar;Sylmar变流站最大电压为225kV,最大无功负荷为-482Mvar。
实验结果与潮流计算结果十分接近。实验证明:用Castaic发电厂的4台机组对整个LADWP服务区内的网络充电的方案是可行的。但是采用这种恢复方式时,要确保水电机组有足够的无功吸收能力,至少能够吸收网络充电时产生的无功。
2.2NPPD大型燃煤火力发电厂的黑启动[4]
系统发生大面积停电事故甚至全黑情况下,大型火电厂恢复的快慢直接关系到整个恢复进程的快慢,NPPD(NebraskaPublicPowerDistrict)对系统大面积失电(甚至全黑)且无外援情况下,用远方小水电充电大型火力发电厂GGS(GeraldGentlemanStation)的方案进行了全面的分析、仿真和现场实验。GGS总装机容量为1300MW,共2台机,每台650MW。在夏季负荷高峰时GGS能带Nebraska地区1ö3的负荷。一旦GGS启动,能对整个地区的电网充电,从而加快恢复进程。小水电选择GGS东部距其23英里(约37km)的NPHS(NorthPlatteHydroStation)和西部距其33英里(约53km)的KHS(KingsleyHydroStation)。NPHS有2台14.5MVA机组,KHS有1台52.6MVA机组。实验主要考察以下问题:①考察GGS机组电机启动电流,主要是6台150kW以上的电机;②冷负荷启动;③小水电系统的建立。
2.2.1实验准备工作
在进行黑启动实验前,进行了一系列的仿真和实验。首先对6台电机的启动进行了仿真,确定这6台电机启动顺序应按容量大小降序排列,即先启动最大容量的电机,容量最小的电机排在最后,从仿真中可以看出,双速电机在黑启动情况下应低速启动,高速启动时启动电流太大,启动时间也过长。另一个问题是保护,从仿真中可以看出,启动大电机时频率下降可能会使低频减载保护动作,因此,实验前应解除低频减载保护。
在黑启动情况下,水轮机要带一定的冷负荷,随停电时间的不同,冷负荷的大小也不同,最大可达到停电前负荷的3倍[17～19]。因此,NPPD进行了冷负荷启动试验确定机组带冷负荷能力。实验证明,NorthPlatte机组具有带冷负荷的能力。KHS的机组输出功率低于15MW时,汽轮机出现气蚀现象。气蚀现象通常出现在机组启动和停机阶段,但是由于持续时间很短,通常没有太大影响。在实际黑启动情况下,要确保KHS的机组带足够的冷负荷,达到15MW的最低要求。
小水电系统给GGS的230kV线路充电时,受GGS同期检查保护的限制,要对整条50英里(约80km)长的230kV线路进行充电,计算机仿真表明,充电时会产生1.4(标幺值)的暂态过电压,可能会引起避雷器动作或损坏设备,由于投入了电抗器,过电压只持续几个周期。
2.2.2黑启动实验
尽管分析和仿真表明用小水电系统启动大的厂用电机方案是可行的,为了确保万无一失,NPPD利用GGS的1号机组大修机会进行就地实验。实验分为2个阶段:第1阶段将2个小水电系统隔离,各自带一些地区负荷;第2阶段对Ogallala2GGS2NPHS的230kV输电线充电,经NPHS低压侧的发电机开关将2个系统同步。
2.2.3实验中出现的问题
a.通过230kV线路充电NPHS的230kVö115kV变压器和115kVö13.2kV发电机升压变压器时产生持续动态过电压,持续6s～7s。
b.实验中,KHS与系统隔离后,频率在59Hz～61Hz间振荡。
c.另一个问题是关于KHS的调速器,当启动GGS的一次风机后,由于水轮机的净水头变化非常大,其调速器被闭锁,导致汽轮机变节距叶片闭锁静止不动。从而系统频率在55Hz～65Hz之间振荡,直到调速器手动复位。
除频率响应外,其他实验数据和仿真结果非常匹配。实际频率响应和仿真结果的差异是实验中调速器闭锁造成的。
2.2.4实验后系统改造措施
a.对电子调速器的参数进行调节校正。第1步是对KHS的调速器进行离线实验。机组离线运行在额定转速下,手动控制水门限度使频降到55Hz,然后解除水门限度,让调速器对一个小净水头模拟信号做出响应,对频率越限和阻尼摆动情况进行监测。第2步是让KHS与系统隔离运行,带少量系统负荷,启动GGS的大感应电动机,监测调速器的响应并调整调速器的离线控制增益设置。第3步让KHS与系统隔离运行,带大部分系统负荷,启动GGS的大感应电动机,监测调速器的响应并调整调速器的离线控制增益设置。这些实验提供了调速器在不同机组运行点下的响应,从而可以进行调速器离线控制增益的调整。在与系统隔离的运行方式下,使用调速器离线控制模式。调速器离线模式是一个过补偿模式,增益设置通常比正常在线设置低一些。超级秘书网
b.调整充电操作步骤,消除线路充电时出现的过电压现象。实验后计算机仿真表明,对NPHS的230kVö115kV变压器和发电机升压变压器分别进行充电就不会出现过电压现象。
c.调整KHS发电机断路器重合闸保护逻辑回路。现行的回路只允许重合到带电系统、运行的发电机。黑启动情况下,机组要对失电系统充电,启动冷负荷。因此调整跳闸回路使其重合到失电系统。实验结果表明:在对系统进行一些小的改造和调整后,用小水电系统启动大型火电机组是可行的,实验数据和仿真数据匹配得很好。
2.3意大利HV电网黑启动和恢复就地实验的仿真[11]
ENEL(ItalianElectricityBoard)为了改进系统的恢复可靠性,利用火电机组大修的机会定期进行现场实验并对恢复过程进行完整的仿真,以便确认哪些电压和频率的暂态行为不能接受,从而调整电网重构的顺序。
2.3.1ENEL恢复计划
恢复控制组织结构分为3层:
a.NCC(NationalControlCenter)负责系统安全、频率控制、负荷调度和输电系统的监控(220kV～380kV);
b.RCC(RegionalControlCenters)主要负责控制配电网(132kV～150kV);
c.ACC(AreaControlCenters)主要负责输电网和水电厂的就地操作。
依赖于这3个中心之间适当的通信设施,在离线研究的基础上制定一套系统恢复计划。计划分为以下5步。
第1步:各层控制中心检测黑启动状态,ACC确认电网准备阶段的开关操作顺序,RCC和NCC的关键作用是确定黑启动的边界。
第2步:尽可能快地在黑启动机组和火电厂建立HV通路,为火电厂提供启动功率,以便使火电厂尽快地投入运行。在此阶段,RCC与ACC协调沟通为接下来带负荷做准备。启动功率路径的选择除了满足充电电压在允许范围内之外,还要能够为火电机组提供一个基本负荷。除此之外,RCC还通过该路径充电其他2个水电机组,改善电压和频率调节。
第3步:全部由RCC来协调控制。电厂操作人员经RCC允许后,将火力机组同步并网开始带负荷,但需注意,在负荷低于最小负荷前,发电机控制为手动控制。
第4步:主要由RCC负责,NCC提供必要的支持。
第5步:在NCC的监督下,进行整个电网的连接。
2.3.2ENEL现场实验
VadoLigure火电厂的3号机组通过恢复路径来获得启动功率,恢复路径包括黑启动水电站Entracque(装有黑启动频率控制装置AURET,孤岛运行情况下作为二次调频限制启动冷负荷引起的频率降低)、配电网的普通水电机组(包括Casteldelfino,Brossasco,Andonno)和一些提供负荷支持的变电站。实验具体操作步骤如下。
a.利用ENEL大多数电厂双母线结构特性构造孤岛运行状态(火电厂甩负荷成功带厂用运行)。
b.Entracque水电站9号机组(装有AURET)依靠自身蓄电池系统黑启动,然后依次对主变、380kV母线、通往MaglianoAlpi的恢复线路、就地380kVö132kV自耦变压器充电。EHV空载线路充电时出现暂态过电压现象,但由于线路较短,同时通过改变AVR参考电压设定点得以控制。在Carru启动12MW冷负荷后,出现了显著低频现象,持续了大约15s。继续带冷负荷(Alba为24MW,Bra为24MW,SanRocco为11MW),频率动态特性与前面相似。
c.其他小水电机组并网运行。由于AURET的作用,频率不低于49.8Hz。然而,当所用水电机组并网后发电量在各机组间并不是正常分配的。为了防止负荷进一步增长时Entracque有功饱和,提高了功率因数设置。继续带负荷,总共达到150MW左右。
d.通过合上380kV线路开关将电输送到VadoLigure。
e.VadoLigure机组实施升负荷,升负荷率为3MWömin,直到带上大部分系统负荷为止(大约130MW)。在这一阶段,AURET起了很大作用,频率维持在49.9Hz。实验的成功完全证明了恢复计划的有效性,整个子系统的重构用了35min。
3结论
第2节前述的3个案例的恢复基本包括了电力系统恢复的几种方式。第2.1节中的串行低电压恢复方案,在恢复供电区域比较紧凑的城市电网时有很大的借鉴价值。另外,用电容器来代替实际电网进行实验,可以很方便地验证方案的可行性。但是要确保发电机组有足够的无功吸收能力。第2.2节中的小水电启动大型火力发电厂,是并行恢复中的一个关键环节,在制定和实施方案时要重点考察大电机启动顺序和启动电流、保护以及调速器的整定等问题。在很多电网的恢复方案中,都要考虑小水电启动大型火电机组的问题。第2.3节从全局的角度对系统恢复进行了全面描述和分析,从而对系统恢复方案的制定中各层控制中心的责任划分及人力物力分配上有一定的参考价值。
从上述3个案例中,我们也可以看出各电力公司要根据各系统的具体情况制定各自的恢复方案,利用自身优势,既要保证恢复可靠完成,又要力争在最短的时间内对尽可能多的负荷恢复供电。
参考文献
1AdibiMM,KafkaRJ.PowerSystemRestorationIssue.IEEEComputerApplicationinPower,1991,4(2):19～24
