試析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及方法

王正華

（江西省南昌縣供電有限公司，江西 南昌 330000）

1 分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

靜態(tài)穩(wěn)定：指電力系統(tǒng)受到小而緩慢的干擾(如負(fù)荷變化)，系統(tǒng)能依靠常規(guī)勵(lì)磁和調(diào)速的控制自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)和能力。

動(dòng)態(tài)穩(wěn)定：指電力系統(tǒng)受到小而突然的干擾，在自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制下(指借助于一個(gè)線性和連續(xù)動(dòng)作的附加穩(wěn)定控制)保持長(zhǎng)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

暫態(tài)穩(wěn)定性：指系統(tǒng)受到一個(gè)突然和嚴(yán)重的干擾后，系統(tǒng)內(nèi)各發(fā)電機(jī)組保持同步運(yùn)行的能力。系統(tǒng)受到大干擾后，很可能在第一次搖擺中失去穩(wěn)定，除非采取有效的連續(xù)動(dòng)作的防止措施，使能在電能過(guò)剩的地區(qū)采取電氣制動(dòng)或快速操作汽閥，在電能不足地方減負(fù)荷。

系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性：指系統(tǒng)在機(jī)組跳閘或重載聯(lián)絡(luò)線路斷開(kāi)后，系統(tǒng)由于有功功率的缺額而使頻率劇降，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率崩潰。其后果是大面積長(zhǎng)時(shí)間停電事故。

系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性：指系統(tǒng)內(nèi)或其中局部地區(qū)因無(wú)功補(bǔ)償能力太弱，負(fù)荷的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)又不足以補(bǔ)償所缺無(wú)功時(shí)，該區(qū)域的電壓出現(xiàn)無(wú)休止的下降，形成電壓崩潰。

電壓穩(wěn)定性的一次典型事故是1978年12月19日發(fā)生在法國(guó)的大面積停電事故。損失負(fù)荷2900多萬(wàn)kW，10h后才恢復(fù)供電。電壓崩潰一般是由于大機(jī)組跳閘或失磁，或線路經(jīng)母線故障導(dǎo)致電網(wǎng)瓦解而引起的。因此應(yīng)根據(jù)無(wú)功就地平衡的原則，大系統(tǒng)各地區(qū)配置足夠的無(wú)功電源，并在系統(tǒng)電壓降低時(shí)自動(dòng)或手動(dòng)切除部分次要負(fù)荷，防止電壓崩潰。電力系統(tǒng)所受的干擾主要來(lái)自二個(gè)方面：一方面是切除或投入大容量的電力系統(tǒng)元件，如大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路或重負(fù)荷用戶(hù)；另一方是由于短路故障造成的大干擾。對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響程度最大的是三相短路，尤其是在重負(fù)荷線路或者電源聯(lián)絡(luò)線中。其次是兩相接地短路，然后是兩相短路和單相接地短路。從安全角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)然希望電力系統(tǒng)能夠嚴(yán)重短路故障時(shí)保持穩(wěn)定性，但這將增加很多投資。這在經(jīng)濟(jì)上不合理。因此，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)，并根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)多年運(yùn)行中積累的統(tǒng)計(jì)資料顯示：220kV線路以上電壓等級(jí)，三相導(dǎo)線之間距離較大，不易發(fā)生相間短路。因此只要求發(fā)生單相接地故障時(shí)(單相接地瞬時(shí)故障，雙回線永久故障)保證系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。110kV輸電線路，三相導(dǎo)線間距離也較大，不易發(fā)生三相短路，故要求110kV輸電線路發(fā)生兩相接地短路故障時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。110kV以下電壓等組輸電線路在瞬時(shí)三相短路故障時(shí)，應(yīng)保證穩(wěn)定性。重要的樞紐變壓器、變電所、發(fā)電廠，沒(méi)有差動(dòng)保護(hù)的母線，發(fā)生兩相接地短路故障時(shí)應(yīng)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。原水電部頒發(fā)的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)作了原則性的規(guī)定，主要有如下標(biāo)準(zhǔn)：

①靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備：正常運(yùn)行方式下，要求Kp≥15%～20%，Ku≥10%-15%：事故后或特殊運(yùn)行方式下，要求Kp≥10%，Ku≥8%。

②在正常運(yùn)行方式下，任一元件斷開(kāi)時(shí)，電力系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行，且健全元件不過(guò)負(fù)荷。電網(wǎng)受到大的擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)或?qū)ω?fù)荷供電，應(yīng)滿(mǎn)足的可靠程度具體歸納為三個(gè)等級(jí)，相應(yīng)地建立起“三道防線”。

a、第一道防線：是對(duì)電力網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)合理性的基本要求，即當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)常見(jiàn)的單一故障，繼電保護(hù)、自動(dòng)重合閘和斷路器正確動(dòng)作時(shí)，必須保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)的正常供電。

b.第二道防線：是針對(duì)出現(xiàn)機(jī)率較小但對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定影響嚴(yán)重的單一故障的。當(dāng)繼電保護(hù)、自動(dòng)重合閘和斷路器正確動(dòng)作時(shí)，必須保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，但允許損失部分負(fù)荷。在某些情況下，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，允許采取某些必要的自動(dòng)措施，包括短時(shí)間中斷對(duì)某些負(fù)荷的供電。

c.第三道防線：是針對(duì)極小出現(xiàn)的極端嚴(yán)重的非單一故障的，此時(shí)原則上允許系統(tǒng)失去穩(wěn)定，但必須從最不利的條件考慮，采取預(yù)防措施，防止系統(tǒng)崩潰，避免造成大面積長(zhǎng)時(shí)間停電和對(duì)重要用戶(hù)和電廠用電的災(zāi)害性停電，使負(fù)荷損失盡可能減到最小，系統(tǒng)要盡快地恢復(fù)正常運(yùn)行。

2 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法

電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制最基本的出發(fā)點(diǎn)就是要使發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率與它輸出的電磁功率加各種損耗始終保持能量平衡。從靜態(tài)穩(wěn)定分析可知，如果電力系統(tǒng)具有較高的功率極限，一般也就有了較高的運(yùn)行穩(wěn)定度。從暫態(tài)穩(wěn)定分析可知，電力系統(tǒng)受到大干擾后，發(fā)電機(jī)最大減速面積越大，承受干擾的能力愈強(qiáng)。由此可以看出盡量提高功率極限可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定控制能力。從電力系統(tǒng)功率極限Pmax=EV/>(可以看出，要提高功率極限，應(yīng)從提高發(fā)電機(jī)的電勢(shì)E，減小系統(tǒng)電抗X和提高穩(wěn)定系統(tǒng)電壓V等三項(xiàng)參數(shù)著手。

2.1 送電系統(tǒng)的控制

快速勵(lì)磁與強(qiáng)行勵(lì)磁和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)

①快速勵(lì)磁與強(qiáng)行勵(lì)磁快速的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可以大大地提高發(fā)電機(jī)的功率極限，同時(shí)也增加了最大減速面積，對(duì)提高電力系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性及電壓穩(wěn)定性均有良好的作用。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路的瞬間，相端電壓下降，勵(lì)磁裝置應(yīng)立即給出項(xiàng)值電壓并進(jìn)行勵(lì)磁。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的慣性才能使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流得到增長(zhǎng)。在短路切除之前這段時(shí)間(0.15-0.5s)，或在轉(zhuǎn)子的第一搖擺周期，強(qiáng)勵(lì)的作用是有限的。在第二搖擺周期之后，快速的可控硅勵(lì)磁常規(guī)的勵(lì)磁對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性有較好的作用。

②電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)

自從大型互聯(lián)電力系統(tǒng)出現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)發(fā)生了多次的類(lèi)似每分鐘幾個(gè)周波的低頻自發(fā)性振蕩。研究表明，以功角偏差化為強(qiáng)力式調(diào)節(jié)器的輸入量，其效果最好，因其可以使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Ug為恒定。補(bǔ)償勵(lì)磁調(diào)節(jié)器負(fù)阻尼的另一個(gè)有效辦法，就是在比例式調(diào)節(jié)器上加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，簡(jiǎn)稱(chēng)為PSS。其PSS的功用下面還要詳細(xì)論述。

快速操作汽閥(快關(guān))。電力系統(tǒng)受到大干擾后，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率會(huì)發(fā)生突變，而原動(dòng)機(jī)的功率則幾乎不變，使發(fā)電機(jī)大軸上出現(xiàn)不平衡功率，由此使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生劇烈的相對(duì)運(yùn)行，甚至造成系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞和樞紐的嚴(yán)重?fù)p壞。如果原動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)裝置十分靈敏，快速和準(zhǔn)確，使原動(dòng)機(jī)的功率能跟上電磁功率的變化，則可大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

電力制動(dòng)。電氣制動(dòng)是指在事故發(fā)生時(shí)在送端發(fā)電機(jī)附近自動(dòng)投入電阻等以增加發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率，增大最大減速面積來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

切機(jī)。減小發(fā)電機(jī)大軸上的不平穩(wěn)功率是提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的基本措施，這可以從增加發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率和減小原動(dòng)機(jī)輸入功率這二方面著手，如果系統(tǒng)有足夠的備用，則切除故障線路的同時(shí)，聯(lián)鎖切除部分發(fā)電機(jī)可以有效提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

2.2 高壓線路的控制

①采用快速的繼電保護(hù)和斷路器切除故障線路；②采用自動(dòng)重合閘裝置；③采用串聯(lián)電容補(bǔ)償；④采用并聯(lián)電抗補(bǔ)償。

2.3 用戶(hù)受端系統(tǒng)的控制

①快速切除大容量的集中負(fù)荷；②采用低頻減載裝置；③快投無(wú)功負(fù)荷補(bǔ)償裝置；④采用低電壓減載裝置。

[1]王成亮，單克.電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)估探討[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009-11-08.