交直流混联系统黑启动策略研究

发布时间：2016-06-26 06:45

第1章  引言 

1.1 课题的研究背景及意义 
高压直流输电技术（HVDC）以其技术上和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和全国联网等方面发挥了巨大的作用。近年来，我国直流输电从无到有，发展速度很快。自 1987 年自行研制建设的舟山直流输电试验工程投入运行以来，，1989 年葛洲坝-南桥±500kV、1200MW 直流输电工程，2000 年天生桥-广州±500kV、1800MW 直流输电工程，2003 年三峡-常州±500kV、3000MW 直流输电工程以及 2012 年世界上首个±660kV直流输电工程银东直流、向家坝-上海±800kV、6400MW 直流输电工程等均以相继投入运行。根据规划，未来将会有更多的直流输电线路出现。目前，我国已跨入交直流混联大电网时代，这在技术上和管理上都对我国的电力工作者提出了新的挑战。 然而，电网的大规模互联所带来的潜在安全威胁也日趋增加。特别是长距离输电线路、大容量机组和超高压、自动化、信息化设备的大量投入使用，以及交直流混联输电技术的发展，进一步增加了电力系统稳定运行的不确定性。电网局部发生微小的故障时，若处理不当很可能会波及附近的区域电网，诱发恶性连锁反应，甚至酿成大面积停电事故，使整个电网陷入瘫痪，造成严重的社会影响和经济损失。 近年来，国内外由连锁性故障导致的大停电事故屡见不鲜。自 2003 年“8·14”美加大停电以来，全球已多次发生较大规模的停电事故。2006 年 11 月 5 日，西欧多国发生严重的大面积停电事故。大片地区断电时间长达 90 分钟，此次停电事故波及近千万人[1]。2011 年 2 月 4 日，巴西东北部电网 8 个州发生大规模停电事故，经济损失超过六千万美元，约四千万人受灾[2]。2011 年 9 月 8 日，美国西南部电力系统超过 4.3GW 的发电能力退出运行，致使大量负荷失去电力供应，整个停电时间持续 12h[3]。2012 年 7 月 30 日凌晨，印度北部电网发生大面积停电事故，损失负荷约 36000MW，约三分之一的印度人口受其影响无法正常用电[4]。海南电网也曾在 2005 年受台风“达维”影响导致全网崩溃，此次事故造成了巨大的经济损失和负面影响[5]。2008 年 1 月至 2 月，我国南方部分地区遭受了几十年一遇的严重冰雪凝冻灾害，严重威胁了当地电力系统的安全稳定运行，造成了长时间、大面积的停电事故，对社会经济和人民生活造成了巨大的影响[6]。 
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1.2 交直流混联系统黑启动研究现状
早在上个世纪八十年代，国外的专家学者就开始对电力系统黑启动恢复问题进行研究。我国学者对此问题也十分重视，各大电网公司都在进行黑启动方案的研究和编制，有很多己经进入实用性阶段。黑启动恢复问题研究已经日趋成熟，取得了一定的进展和成果。HVDC 有着得天独厚的优势，使其具备帮助系统快速恢复的潜在能力，但传统的黑启动方案中对此考虑不足。因此，在交直流混联系统发生大停电事故之后，如何充分发挥 HVDC 固有的优势，利用 HVDC 帮助系统快速恢复，这是一个值得深入探讨的研究方向。其中涉及到的问题包括直流系统在电网黑启动及系统恢复过程中的作用，以及直流启动的基本条件、启动路径、运行控制方式等。对于上述问题目前国内外的研究还较少，许多基础理论及其相关应用仍需要深入分析和探讨。 文献[7]深入分析了云广直流的主要运行方式，对已有黑启动预案进行研究，讨论了云广直流如何在南方电网黑启动预案实施过程中发挥作用，制定了在大停电情况下云广直流的启动方案，对其启动的基本条件、启动路径、运行控制等方面做了详细说明。文献[8]对交直流混联系统进行建模，并以天广直流为例，对电网黑启动初期直流的启动方式和条件进行研究，提出了具体的实施方案。然而，上述文献中的云广直流、天广直流所连接两端的交流系统均属于同一个同步电网，即南方电网。这种情况下，直流输电的固有优势已大部分丧失，如限制短路电流水平、根除低频振荡、隔断交流故障传动等等，仅仅保留了直流输电在大功率远距离输电方面的优势。而当直流输电系统作为两个交流系统之间的联络线时，这两个交流系统是非同步的，可以独立运行，这无论在运行上还是管理上都非常方便。当其中一个交流系统发生故障时，可利用直流输电系统的快速可控性，对交流系统进行紧急的功率支援，以提高其暂态稳定性。这方面的问题还有待研究。
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第2章  黑启动一般过程及相关技术问题分析

2.1  黑启动的一般过程
系统发生大停电后，需要一个长时间的过程才能完全恢复正常运行。为了便于研究，通常根据恢复过程中不同时间段的特点，将此复杂过程划分为三个阶段[11~12]： 1）黑启动阶段 此阶段需要根据电网实际情况指定启动电源，通常选择具备自启动能力的水电机组或燃机机组。以自启动电源为基础，为具有临界时间限制的机组提供启动功率，使其迅速恢复发电能力，再次并入电网，逐步形成最初的各个独立运行的子系统，通常需要用时 30min~1h。 2）网架恢复阶段 此阶段的目标是借助已并网机组的发电功率，对输电线路充电以启动更多的带基础负荷的机组，同时在适当的时机尽可能多得恢复某些重要负荷，逐步完成对子系统的并列，建立起一个稳定的网架，为后续的负荷全面恢复阶段打下坚实的基础，此阶段通常耗时 3~4h。 3）负荷恢复阶段 在之前的两个阶段，为保持系统频率和电压的稳定性，一些重要的负荷已经得到了恢复。进入负荷恢复阶段后，多数机组已恢复并具有一定的发电能力，同时已有足够稳定的网架基础，如何快速全面地恢复负荷是电力工作者们需要着重考虑的问题。 
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2.2  制定黑启动方案的原则
为保证电力系统在发生大停电之后能够迅速恢复正常运行，必须遵循一定的原则，制定合理有效的电力系统黑启动方案。黑启动恢复是一个复杂的过程，需要兼顾其中各个方面的基本原则，如黑启动电源的选择、子系统划分、路径选择、负荷恢复等[13]。大停电事故发生后，应优先选择系统外电源作为黑启动电源。在无法利用系统外电源的情况下，应综合考虑下列因素选择系统内具有自启动能力的机组作为黑启动电源：1）优先选择启动时易于调节、速度快的机组；2）优先选择具备进相能力的机组；3）电厂接入的电压等级应尽量高；4）能够支援其它待启动电源，使其快速恢复的电厂； 5）负荷中心附近的电厂。一般考虑具有快速自启动能力的大型水电机组、抽水蓄能电厂、燃气轮机和大功率柴油机组等作为黑启动电源。对确定的黑启动电厂，其现场运行规程应含有黑启动的相关内容，应由系统最高调度机构依据相关试验统一确定。 
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第 3 章  HVDC 在交直流混联系统黑启动中的应用.... 10 
3.1  HVDC技术特点与优势.... 10 
3.2  HVDC 在黑启动过程中发挥的作用........ 11 
3.3  两端交流系统对 HVDC 恢复的影响....... 11 
3.3.1  受端交流系统...... 11 
3.3.2  送端交流系统...... 13 
3.4  小结 .... 14 
第 4 章  黑启动初期 HVDC 启动方式及最小条件....... 15 
4.1  黑启动初期 HVDC 启动方式选择........... 15 
4.2  黑启动初期 HVDC 启动的最小条件....... 15
4.3  小结 .... 17 
第 5 章  考虑有权网络节点重要度的网架恢复及优化策略 ........ 18 
5.1  网架恢复问题研究现状 .... 18 
5.2  有权网络节点重要度评估方法 ........ 18
5.3  网络重构及路径优化策略 ........ 20
5.4  小结 .... 26 

第6章  上海电网黑启动策略研究 

6.1  上海电网概述 

上海作为我国的金融中心，拥有全国规模最大的城市电网。上海电网是典型的大受端网络，具有负荷数量多、规模大、密度高等特点，除了大量的生活用电外，还有众多商户、交通运输业、公共设施、石化、钢铁及其他大型工业用户，对电网的供电可靠性要求很高。由于用电需求量较大且自身电源匮乏，上海电网对外部电力供应的需求较大，因此外部受电比例较高。电网内电源结构单一，大部分为燃煤机组，风电、光伏等新能源发电有待发展。为缓解用电压力，上海电网积极开辟对外联络通道，逐步形成了“三交四直”的结构，是一个典型的交直流混联系统，所连四条直流如表 6-1 所示。另外，根据特高压电网规划及相关输变电工程前期工作、建设进展，2013 年底建成了 1000kV淮南～皖南～浙北～沪西输变电工程，2014 年底将建成 1000kV淮南～南京～泰州～苏州～上海西输变电工程。上述工程建成后，上海电网将建成沪西及苏州两座特高压变电站，通过沪西～苏州的双回特高压线路接入华东的 1000kV主环网。 上海电网的骨干主网架由 500kV电网构成，已建成的线路包括双环网（黄渡~泗泾~南桥~亭卫~远东~顾路~外二厂~杨行~徐行~黄渡）和南半环网（顾路~杨高/远东  ~三林以及亭卫~南桥/练塘  ~泗泾）。220kV电网已深入市中心，同时围绕市区边缘，是上海地区的主要供电网络，其中除个别线路外均为双回或多回。为限制短路电流以及简化电网后备保护的整定以提高继电保护触发的可靠性，上海电网采用逐步分层分区运行。以杨行、黄渡、泗泾、南桥、杨高、顾路、徐行、虹杨、静安、新余 500kV 变电站为中心，配合分区内部的大容量主力发电厂，上海 220kV 电网解环分成 14 片运行，万荣、武威、西郊、嘉定、双丁、于田、青浦、古北、新通、三庄、港口、宛平、农园、江海、瑞金、新周、浦建、机场、唐镇、森林、罗山等 220kV变电站是分片运行的分解点。 

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总结

近年来我国已跨入交直流混联大电网时代，电网的大规模互联所带来的潜在安全威胁也日趋增加。电网局部发生微小的故障时，若处理不当很可能会波及附近的区域电网，诱发恶性连锁反应，甚至酿成大面积停电事故，使整个电网陷入瘫痪，造成严重的社会影响和经济损失。因此，作为电力系统安全运行的重要措施之一，研究系统大面积停电后的恢复问题，从而制定切实可行的黑启动方案是十分必要的。 本文针对交直流混联系统的黑启动策略进行了研究，主要工作和成果包括： 
1）综合研究了电力系统大停电后的黑启动恢复过程。根据恢复过程中不同时间段的特点，将此复杂过程划分为三个阶段：即黑启动阶段、网架恢复阶段以及负荷恢复阶段。电力系统黑启动方案的编制和实施，应结合电网的实际情况，遵循制定黑启动预案的各项原则，包括黑启动电源的选择、子系统的划分、黑启动的路径选择、负荷恢复等方面。分析了黑启动过程中可能出现的问题：如过电压问题、自励磁问题、电压和频率控制问题、以及冲击负荷、厂用电等，针对各个问题提出了解决措施。 
2）详细分析了 HVDC 的技术特点与优势，即适合于大功率远距离输电、具有强大的调节性能、稳定性较好、能彻底根除低频振荡的发生等。归纳了其在黑启动过程中所能发挥的作用。分析了两端交流系统和 HVDC 恢复之间的相互影响。采用短路比和有效惯性时间常数作为评估指标，定量地研究交流系统的强弱程度。对于送端交流系统，主要考虑在大直流弱送端特别是送端孤岛运行方式下的发电机自励磁问题。为解决此问题，通常采用的措施包括：降低滤波性能来减少投入的交流滤波器数量、设计启动专用的特殊滤波器等。
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参考文献(略) 

本文编号：61754