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特高壓交流發(fā)展相對滯后,“強(qiáng)直弱交”存在重大安全隱患
近年來,特高壓直流工程集中投產(chǎn),已建在建達(dá)16回,與此相對應(yīng)的特高壓交流工程建設(shè)相對滯后,已建在建僅8回,且多為輸電工程,特高壓交流尚未成網(wǎng),難以發(fā)揮作用,依靠現(xiàn)有的500千伏主網(wǎng)架無法承受特高壓直流故障帶來的巨大功率沖擊。
華北—華中兩大電網(wǎng)僅通過1000千伏長南單線聯(lián)系,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱,不能滿足±800千伏哈鄭直流安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。長南線南送500萬千瓦。哈鄭直滿流率運(yùn)行方式下,哈鄭直流單極、雙極閉鎖故障,都會突破長南線靜穩(wěn)極限650萬千瓦,導(dǎo)致電網(wǎng)失穩(wěn),震蕩解列裝置動作后,頻率跌至49.3赫茲至48.5赫茲以下,低頻減載切除991萬千瓦負(fù)荷后才能保住電網(wǎng)穩(wěn)定。為避免直流單、雙極閉鎖故障后電網(wǎng)失穩(wěn),分別需要聯(lián)切河南200萬千瓦和540萬千瓦負(fù)荷,否則將造成較大電網(wǎng)事故。
在交流電網(wǎng)得不到配套加強(qiáng)的情況下,±800千伏酒湖直流投運(yùn)后,華北—華中電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題進(jìn)一步突出。酒泉—湖南特高壓直流工程2015年5月獲得核準(zhǔn)并開工建設(shè),計(jì)劃2018年建成投運(yùn)。酒湖和哈鄭直流工程輸電走廊相同,沿線災(zāi)害較多,增加了直流兩極及以上故障的概率??紤]一回直流單極閉鎖、另一回直流雙極閉鎖或兩回直流同時(shí)雙極閉鎖,華中電網(wǎng)失去的直流功率將達(dá)到1200萬千瓦或1600萬千瓦,均會導(dǎo)電網(wǎng)失穩(wěn)、長南線振蕩解列后,華中電網(wǎng)低頻減載置動作,將切除荷1032萬千瓦,勢必造成重大電網(wǎng)事故。
交流電網(wǎng)規(guī)模與直流容量不匹配,多直流饋入地區(qū)存在大停電事故風(fēng)險(xiǎn)
電網(wǎng)發(fā)生事故擾動,產(chǎn)生頻率波動時(shí),系統(tǒng)依靠大量旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣性進(jìn)行調(diào)節(jié),稱為“轉(zhuǎn)動慣量”。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量越大,承受頻率波動的能力越強(qiáng)。由于多回直流換相失敗、閉鎖引起的頻率沖擊大,交流同步電網(wǎng)規(guī)模相對不足,轉(zhuǎn)動慣量較小,極易導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定破壞。
華東電網(wǎng)現(xiàn)已饋入直流10回,其中特高壓直流6回,******額定功率800萬千瓦。仿真計(jì)算表明,華東電網(wǎng)234條500萬千伏線路任一回故障,均可能導(dǎo)致華東電網(wǎng)8回以上直流同時(shí)換相失敗,如果故障不能快速切除,將導(dǎo)致多回直流閉鎖,華東電網(wǎng)出現(xiàn)大量功率缺額,造成系統(tǒng)頻率大幅下降,嚴(yán)重時(shí)低頻減載動作,系統(tǒng)損失大量負(fù)荷,可能引發(fā)較大電網(wǎng)事故。
考慮已核準(zhǔn)在建的錫盟—泰州(額定功率1000萬千瓦)、晉北—南京(額定功率800萬千瓦)準(zhǔn)東—皖南(額定功率1200萬千瓦)特高壓直流工程。2019年華東電網(wǎng)饋入直流將達(dá)到13回。屆時(shí),電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題將更加突出,可能引發(fā)大停電事故。
廣東電網(wǎng)現(xiàn)已饋入直流8回,其中特高壓直流2回,額定功率500萬千瓦。廣東境內(nèi)羅洞、北郊、花都、增城、穗東等55條500千伏交流線路任一回故障,均可能導(dǎo)致南方電網(wǎng)7回以上直流同時(shí)換相失敗,若故障不能快速切除,將導(dǎo)致多回直流閉鎖,廣東電網(wǎng)與主網(wǎng)解列,損失負(fù)荷將超過30%。
500千伏電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題日益顯現(xiàn),傳統(tǒng)控制措施嚴(yán)重削弱了電網(wǎng)支撐能力
隨著用電負(fù)荷、裝機(jī)容量的大幅提高,特高壓、配電網(wǎng)“兩頭”薄弱,500千伏電網(wǎng)越來越密集,短路電流超標(biāo)問題日益顯現(xiàn),京津唐、長三角、珠三角和三峽地區(qū)的問題最為突出。2003年以來,我國已經(jīng)開始應(yīng)對500千伏樞紐變電站短路電流超標(biāo)問題。傳統(tǒng)的控制短路電流措施主要是采取線路拉停、出串和主變中壓側(cè)開斷等,這些措施使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞,安全隱患增加。2019年,在傳統(tǒng)措施基礎(chǔ)上,國家電網(wǎng)公司仍有45處廠站短路電流超標(biāo)。
“十三五”末期,廣東電網(wǎng)傳統(tǒng)限制短路電流手段將無法滿足要求,可能被迫開斷廣東內(nèi)環(huán)網(wǎng),屆時(shí)廣東電網(wǎng)承載多直流饋入的穩(wěn)定問題將進(jìn)一步突顯。
特高壓交流尚未成網(wǎng),高低壓電磁環(huán)網(wǎng)影響電網(wǎng)正常運(yùn)行
特高壓電網(wǎng)建設(shè)初期,500千伏電網(wǎng)暫不具備解環(huán)運(yùn)行條件,存在高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的情況。若發(fā)生線路故障,可能會出現(xiàn)因潮流轉(zhuǎn)移、阻抗增大造成系統(tǒng)熱穩(wěn)定、動穩(wěn)定破壞的問題。
例,1000千伏長南荊交流輸電線路建成后,南陽地區(qū)形成1000/500千伏電磁環(huán)網(wǎng),500千伏白河至南陽南線路N-2若發(fā)生故障后,約26%潮流將轉(zhuǎn)移至白河主變,受白河主變熱穩(wěn)定約束,鄂豫送外斷面極限將從500萬千瓦下降至350萬千瓦。
安控裝置運(yùn)行策略復(fù)雜,發(fā)生拒動誤動可能引發(fā)較大事故
國家電網(wǎng)在運(yùn)的所有特高壓直流均配置相應(yīng)的安控系統(tǒng),哈鄭直流安控系統(tǒng)******調(diào)制直流200萬千瓦、切負(fù)荷120萬千瓦,18個切負(fù)荷子站涉及河南8個地市。西南三大特高壓直流安控配置的******切機(jī)總量達(dá)2100萬千瓦(單一直流******切機(jī)800萬千瓦)。華東頻率協(xié)控系統(tǒng)******需要同時(shí)控制8回直流、7個抽蓄廠和253個切負(fù)荷子站,動作容量大,一旦發(fā)生裝置拒動或誤動,將對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊。
云南電網(wǎng)與主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后,云南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題突出。云南外送直流功率達(dá)到2400萬千瓦,若普僑、楚穗、牛從任一直流出現(xiàn)雙極閉鎖、大容量電廠送出線路跳閘以及多回直流持續(xù)換相失敗等故障,均將導(dǎo)致云南電網(wǎng)頻率大幅變化,頻率穩(wěn)定問題需要通過直流FLC(頻率限制控制器)、穩(wěn)控切機(jī)、機(jī)組一次調(diào)頻、AGC(自動發(fā)電控制)以及第三道防線高頻切機(jī)、低頻減載等多種控制措施協(xié)調(diào)解決,一旦控制措施配合失調(diào),可能導(dǎo)致云南電網(wǎng)頻率持續(xù)大幅上升或下降,甚至導(dǎo)致頻率崩潰,引發(fā)大停電事故。
各類電源規(guī)劃失衡,給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來一系列問題
常規(guī)火電機(jī)組深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰,機(jī)組健康水平下降。為滿足用電負(fù)荷變化和新能源出力波動等情況,常規(guī)火電機(jī)組負(fù)荷頻繁大幅變化。近年來,機(jī)組深度調(diào)峰、頻繁啟停造成的設(shè)備銹蝕、閥門卡澀、管道穿孔泄漏、水質(zhì)惡化、電氣設(shè)備絕緣降低、環(huán)保設(shè)備劣化頻繁發(fā)生,已構(gòu)成燃煤電廠重大安全隱患,嚴(yán)重影響機(jī)組壽命。
供熱機(jī)組快速增長導(dǎo)致調(diào)節(jié)能力不斷下降,系統(tǒng)運(yùn)行更加困難。供熱機(jī)組可用調(diào)峰幅度僅為額定容量的15%~25%,遠(yuǎn)低于常規(guī)燃煤機(jī)組的50%調(diào)峰。供熱機(jī)組占比大,調(diào)峰困難,導(dǎo)致清潔能源消納矛盾進(jìn)一步惡化。華北、東北、西北供熱機(jī)組裝機(jī)占火電裝機(jī)比例分別為70%、70%、47%,靈活調(diào)節(jié)電源比重不足3%,“十二五”以來,東北電網(wǎng)新投產(chǎn)火電1690萬千瓦,其中供熱機(jī)組1027萬千瓦,占新投產(chǎn)火電的61%。2015年春節(jié)期間,東北電網(wǎng)最小負(fù)荷低于供熱機(jī)組最小開機(jī)方式下的出力,共安排9座供熱電廠單機(jī)供熱運(yùn)行,一旦停機(jī),將影響供熱安全。
企業(yè)自備電廠快速發(fā)展,進(jìn)一步加大系統(tǒng)調(diào)峰壓力。自備電廠多隸屬高耗能企業(yè),不參與系統(tǒng)調(diào)峰,在電力需求放緩的情況下,自備電廠發(fā)電量的增長造成公用電廠和新能源被迫進(jìn)一步壓減出力參與調(diào)峰。截至2018年12月底,東北電網(wǎng)自備電廠裝機(jī)總?cè)萘?385萬千瓦,遼寧、黑龍江自備電占本省火電裝機(jī)比例超過12%;吉林自備電廠利用小時(shí)數(shù)比全省火電平均利用小時(shí)數(shù)高近1000小時(shí)。近年,新疆、寧夏等省區(qū)自備電廠裝機(jī)快速增長,造成風(fēng)電等新能源被迫壓減出力參與調(diào)峰。
新能源機(jī)組涉網(wǎng)性能差,電網(wǎng)發(fā)生連鎖性故障風(fēng)險(xiǎn)加大
新能源機(jī)組基本不具備一次調(diào)頻能力,系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題突出。由于新能源機(jī)組基本不具備一次調(diào)頻能力,系統(tǒng)有效轉(zhuǎn)動慣量小,頻率調(diào)節(jié)能力持續(xù)下降,在大功率缺失情況下,極易誘發(fā)全網(wǎng)頻率問題。東北電網(wǎng)負(fù)荷5500萬千瓦,在伊穆直流閉鎖缺失300萬千瓦功率情況下,若網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電出力達(dá)到1000萬千瓦,將引發(fā)低頻減載動作,損失負(fù)荷300萬千瓦。預(yù)計(jì)2019年云南電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)將超1400萬千瓦,而云南最高負(fù)荷僅1800萬千瓦左右,給云南調(diào)頻造成較大困難。
新能源機(jī)組頻率、電壓耐受能力差,若出現(xiàn)大規(guī)模脫網(wǎng)可能引發(fā)嚴(yán)重的連鎖性故障。風(fēng)電機(jī)組高壓穿越及高頻耐受能力不如火電,存在系統(tǒng)故障或波動時(shí),風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)火電機(jī)組頻率、電壓耐受能力上限分別為51.5Hz和1.3p.u.,風(fēng)機(jī)上限分別為50.2Hz和1.p.u.。仿真計(jì)算表明,目前西北電網(wǎng)有30條交流線路任一回N-1故障,會導(dǎo)致直流換流站近區(qū)電壓下降,引起直流連鎖反應(yīng),造成電網(wǎng)頻率越限、電壓短時(shí)沖高,造成風(fēng)機(jī)脫網(wǎng),引起低頻減載動作,切除負(fù)荷。
新能源機(jī)組產(chǎn)生次同步諧波,系統(tǒng)次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)加大。新能源機(jī)組產(chǎn)生的次同步諧波與系統(tǒng)固有頻率耦合時(shí),一旦發(fā)生振蕩,容易導(dǎo)致火電機(jī)組跳閘,對電網(wǎng)運(yùn)行造成威脅。2015年1月1日,新疆哈密山北地區(qū)風(fēng)電機(jī)組持續(xù)產(chǎn)生次同步波,對鄭直流安全運(yùn)行造成影響,花園電廠機(jī)組軸系次同步振保護(hù)動作,導(dǎo)致3臺66萬千瓦機(jī)組相繼跳閘,如果保護(hù)拒動,將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)設(shè)備損壞。
網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理弱化,影響系統(tǒng)安全
技術(shù)措施難以落實(shí),系統(tǒng)抗擾動能力下降,在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中,發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理和輔助服務(wù),為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障,電力改革“廠網(wǎng)分離”后,網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理明顯弱化。部分發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)與涉網(wǎng)保護(hù)不匹配,發(fā)電機(jī)大修及改造后不進(jìn)行參數(shù)測試,發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)改造,軟件升級及參數(shù)修改后不進(jìn)行試驗(yàn);較多數(shù)量的自備電廠不投運(yùn)AVC設(shè)備,無考核管理手段等。
管理不規(guī)范,一次調(diào)頻能力不足。在一次調(diào)頻管理方面,華北區(qū)域僅對機(jī)組一次調(diào)頻投入情況、正確動作率、響應(yīng)速率進(jìn)行考核,無法全面反映并網(wǎng)電廠一次調(diào)頻性能;華東采用月度平均值進(jìn)行考核,無法有效反映系統(tǒng)大擾動情況下機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)能力不足的問題。2015年9月19日,錦蘇直流雙極閉鎖,華東頻率跌至49.56赫茲,據(jù)統(tǒng)計(jì),事故期間華東主力機(jī)組中,僅有20%的機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,其余80%均不合格機(jī)組甚至出現(xiàn)反調(diào)特性。
消除安全隱患的建議
電力系統(tǒng)安全事關(guān)人民生產(chǎn)生活穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。安全生產(chǎn)責(zé)任進(jìn)一步落實(shí),安全生產(chǎn)監(jiān)督檢査進(jìn)一步深入,突發(fā)事件應(yīng)對和重大活動保電能力進(jìn)一步提高。在國外大面積停電事故頻發(fā)的情況下,我國保持了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對如上安全隱患,提出如下建議,供國家、行業(yè)、電網(wǎng)公司、電力企業(yè)參考。
(一)加快發(fā)展交流特高壓電網(wǎng),消除電網(wǎng)重大安全風(fēng)險(xiǎn)
首先,重點(diǎn)建設(shè)華北—華中聯(lián)網(wǎng)加強(qiáng)工程,解決電網(wǎng)安全燃眉之急。國際上現(xiàn)有高壓直流輸電技術(shù)均依托交流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)換相,交流成網(wǎng),直流依托交流電網(wǎng)才能安全運(yùn)行,這是由交、直流輸電自身的功能特點(diǎn)決定的。只有交流網(wǎng)架強(qiáng)度達(dá)到一定水平,才能承受特高壓直流故障擾動帶來的巨大功率沖擊。為滿足±800千伏哈鄭、酒湖直流安全穩(wěn)定運(yùn)行要求,需要建設(shè)蒙西一湘南和錫盟一贛州特高壓交流工程。
其次,組織開展我國同步電網(wǎng)格局研究,先期實(shí)現(xiàn)華東、華北區(qū)域內(nèi)特高壓交流環(huán)網(wǎng)運(yùn)行,推動實(shí)施區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)工程。交流電網(wǎng)規(guī)模與直流容量相匹配,才能承受大容量、多饋入直流閉鎖帶來的頻率沖擊。交流同步電網(wǎng)規(guī)模越大,共同響應(yīng)支援的元件就越多,抵御各類嚴(yán)重故障沖擊的能力就越強(qiáng)。我國特高壓已經(jīng)步入大規(guī)模建設(shè)新階段,亟需對我國未來電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)和總體格局進(jìn)行前瞻性、系統(tǒng)性設(shè)計(jì),形成目標(biāo)清晰、布局科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理、便于實(shí)施的中長期網(wǎng)架規(guī)劃,避免大量重復(fù)建設(shè)和技術(shù)改造。
最后,加快主網(wǎng)架建設(shè),降低對安控系統(tǒng)的過度依賴。盡快形成主網(wǎng)架,減少電網(wǎng)過渡時(shí)間,按照分層分區(qū)原則,合理消除電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),有效控制短路電流水平,減輕電網(wǎng)安全對安控系統(tǒng)的過度依賴。
(二)加強(qiáng)統(tǒng)一規(guī)劃、強(qiáng)化監(jiān)督管理,提升系統(tǒng)安全運(yùn)行水平
統(tǒng)籌各類電源規(guī)劃,制定相關(guān)支持政策和激勵機(jī)制。加快抽水蓄能和燃?xì)獾日{(diào)峰電站建設(shè),從嚴(yán)控制燃煤機(jī)組新建規(guī)模,有序發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)。嚴(yán)格控制自備電廠建設(shè),擴(kuò)大火電靈活性改造規(guī)模;建立健全常規(guī)電源為新能源調(diào)峰的輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制和市場機(jī)制,制定自備電廠管理辦法,鼓勵自備電廠參與系統(tǒng)調(diào)峰明確收費(fèi)政策。
加大產(chǎn)學(xué)研科技攻關(guān)力度,提高新能源機(jī)組涉網(wǎng)性能。加大科技攻關(guān)力度,切實(shí)提高機(jī)組涉網(wǎng)性能;深入開展風(fēng)電場地區(qū)次同步振蕩機(jī)理研究,研發(fā)先進(jìn)抑制設(shè)備。
加強(qiáng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理,強(qiáng)化技術(shù)監(jiān)督和指導(dǎo)。完善《發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》,明確責(zé)任主體,組織開展發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)安全性評價(jià)工作,充分發(fā)揮行業(yè)組織和中介機(jī)構(gòu)的作用,強(qiáng)化技術(shù)監(jiān)督和指導(dǎo),對不滿足標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)組限期整改。
(三)盡快修訂《電力法》,切實(shí)加強(qiáng)電力標(biāo)準(zhǔn)化工作
加快《電力法》修改進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)《電力法》與其他法律的有效銜接;修改完善《可再生能源法》,細(xì)化法律條文,提升法律的可操作性。
組織專門力量,系統(tǒng)梳理電力配套規(guī)章和制度,統(tǒng)籌考慮相關(guān)配套條例的制定、修改問題,確保各項(xiàng)制度的銜接。
盡快完善電力標(biāo)準(zhǔn)體系,組織專業(yè)隊(duì)伍,對現(xiàn)有國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面清理,妥善處理好標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容沖突問題,加快制定針對新領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。