受端電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量及穩(wěn)定性研究

楊丹，劉海峰

(1.湖南省電力公司調(diào)度通信局，湖南長沙410007;2.湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

受端電力系統(tǒng)是指以負(fù)荷集中地區(qū)為中心，包括區(qū)內(nèi)和臨近電廠在內(nèi)，用較密集的電力網(wǎng)絡(luò)將負(fù)荷和這些電源連接在一起的電力系統(tǒng)。受端系統(tǒng)通過接受外部及遠(yuǎn)方電源輸入的有功電力和電能，以實現(xiàn)供需平衡。

受端電網(wǎng)由于缺乏電源支撐，電壓質(zhì)量及電壓穩(wěn)定性存在一定問題。文中以湖南湘西地區(qū)局部電網(wǎng)為例，分析了受端電網(wǎng)尤其是末端電網(wǎng)的電壓問題，并從電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行管理等各個方面提出了解決辦法。

1 電壓穩(wěn)定性概述

電壓穩(wěn)定性雖然研究了很多年，但到目前為止，學(xué)術(shù)界對它還沒有公認(rèn)的嚴(yán)格定義。Charles Concordia將電壓穩(wěn)定定義為“電力系統(tǒng)在合適的無功支持下維持負(fù)荷點電壓在規(guī)定范圍內(nèi)的能力。它使得負(fù)荷導(dǎo)納增加時，負(fù)荷功率也增加，功率和電壓都是可控的。”“電壓不穩(wěn)定表示為負(fù)荷導(dǎo)納增加時，負(fù)荷電壓降低很多以致負(fù)荷功率降低或至少不增加?！迸c此相應(yīng)，C.W.Taylor將電壓失穩(wěn)定義為“電壓穩(wěn)定的喪失，導(dǎo)致電壓逐步衰減的過程”，而電壓崩潰則為“故障或擾動后的節(jié)點電壓值已超出了可接受的范圍”。P.Kundur將電壓穩(wěn)定性定義為“電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行或經(jīng)受擾動后維持所有節(jié)點電壓為可接受值的能力”，而電壓失穩(wěn)是指“擾動引起的持續(xù)且不可控制的電壓下降過程”，至于電壓崩潰則是指“伴隨著電壓失穩(wěn)的一系列事件導(dǎo)致系統(tǒng)的部分電壓低到不可接受的過程”?！秶译娋W(wǎng)安全穩(wěn)定計算技術(shù)規(guī)范》將電壓穩(wěn)定定義為“電力系統(tǒng)受到小的或大的擾動后，系統(tǒng)電壓能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生電壓失穩(wěn)的能力?！?/p>

從擾動大小出發(fā)，Kundur和Taylor將電壓穩(wěn)定分為小擾動電壓穩(wěn)定和大擾動電壓穩(wěn)定。其中大擾動電壓穩(wěn)定性關(guān)注的是大擾動 (如短路故障、發(fā)電機(jī)跳閘、系統(tǒng)甩負(fù)荷等)之后系統(tǒng)控制電壓的能力。小擾動電壓穩(wěn)定性則關(guān)注的是小擾動(如負(fù)荷的緩慢變化)之后系統(tǒng)控制電壓的能力。

根據(jù)研究的方法，電壓穩(wěn)定問題可以分為3類，即靜態(tài)電壓失穩(wěn)、動態(tài)電壓失穩(wěn)和暫態(tài)電壓失穩(wěn)。文中主要研究暫態(tài)電壓失穩(wěn)問題，即電力系統(tǒng)發(fā)生故障或其他類型的大擾動后，伴隨系統(tǒng)處理事故的過程中發(fā)電機(jī)之間的相對搖擺，某些負(fù)荷母線電壓發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降的失穩(wěn)過程。

2 受端電網(wǎng)的電壓運(yùn)行水平分析

以湖南湘西地區(qū)電網(wǎng)為例。從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上來看，湘西電網(wǎng)處于湖南電網(wǎng)末端，枯水期屬于典型的受端電網(wǎng)，220 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，呈放射型結(jié)構(gòu)，且區(qū)域內(nèi)無大的電廠提供無功支撐。碗米坡電廠由220 kV巖人坡變并網(wǎng)，為周調(diào)節(jié)水庫，枯水期發(fā)電能力十分有限。鳳灘電廠距湘西地區(qū)尤其是巖人坡、格山供電區(qū)電氣距離較遠(yuǎn)，對該地區(qū)電壓調(diào)整作用十分有限。湘西電網(wǎng)用電負(fù)荷主要以高能耗負(fù)荷為主，所占比重達(dá)70%以上，且主要集中在巖人坡變、格山變供電區(qū)域。由于高能耗用戶側(cè)無功補(bǔ)償缺額較大 (部分用戶側(cè)未配置無功補(bǔ)償裝置)，用戶所需無功大部分需從系統(tǒng)下網(wǎng)。

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量和無功電力管理規(guī)定》，正常運(yùn)行方式下，220 kV變電站的高中壓側(cè)母線電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的-3%～+7%;帶地區(qū)供電負(fù)荷的變電站的10 kV母線電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的0～+7%。2010年年初，由于延續(xù)2009年下半年的持續(xù)干旱，湘西地區(qū)小水電機(jī)組普遍停機(jī)，且湘西地區(qū)高能耗負(fù)荷較重，格山、巖人坡、萬溶江3個站負(fù)荷之和超過50萬kW。湘西地區(qū)220 kV母線最低電壓214 kV，已接近規(guī)定的下限值。

圖1(a)為碗米坡全停時的潮流電壓圖，圖1(b)為碗米坡電廠1臺機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時的潮流電壓圖，可見碗米坡電廠開機(jī)能夠大大改善湘西地區(qū)的電壓運(yùn)行水平，湘西地區(qū)巖人坡、格山、萬溶江、枇杷沖等變電站220 kV電壓都提高了5 kV左右。因此，合理安排碗米坡電廠的運(yùn)行方式是保證湘西地區(qū)電壓合格的關(guān)鍵。

3 受端電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

圖1 湘西局部電網(wǎng)潮流圖

受端電網(wǎng)如果缺乏足夠的無功支撐，在系統(tǒng)受到大擾動后，可能發(fā)生暫態(tài)電壓失穩(wěn)，尤其是末端變電站電壓失穩(wěn)明顯。仍然以湘西地區(qū)電網(wǎng)為例，當(dāng)碗米坡電廠全停時，巖人坡、格山、萬溶江3個220 kV變電站主要由220 kV枇萬線、公萬Ⅰ，Ⅱ線供電，重負(fù)荷期間，枇萬線三相故障將導(dǎo)致巖人坡、格山及萬溶江3個變電站暫態(tài)電壓失穩(wěn)，3個站的110 kV電壓都將下降至0.5倍額定電壓以下，且不能恢復(fù)。此時，如果碗米坡電廠開1臺機(jī)，枇萬線則能夠通過三相故障校核。枇萬線三相故障，0.12 s切除故障后，巖人坡、格山及萬溶江變110 kV母線電壓如圖2所示。

因此，正常方式下，當(dāng)巖人坡、格山、萬溶江變負(fù)荷較高時，碗米坡電廠應(yīng)至少保持1臺機(jī)組運(yùn)行;若碗米坡電廠因水位或其他問題不能開機(jī)，則需要限制這3個站的負(fù)荷。

圖2 枇萬線三相故障后相關(guān)母線電壓

重要線路的檢修方式下 (如:枇萬線、公萬Ⅰ，Ⅱ線、牌公Ⅰ，Ⅱ線)，末端電網(wǎng)與主網(wǎng)的聯(lián)系將更加薄弱，此區(qū)域電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定水平對碗米坡電廠的依賴性將更強(qiáng)。

4 提高電壓穩(wěn)定性的措施

受端電力系統(tǒng)如果缺乏足夠的無功支撐將存在一定的電壓穩(wěn)定問題，重要線路、主變等元件故障跳閘都可能導(dǎo)致暫態(tài)電壓失穩(wěn)。為了提高受端系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，確保受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以從電網(wǎng)運(yùn)行及建設(shè)方面采取一定措施，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.1 電網(wǎng)運(yùn)行方面

按照2010年發(fā)布的《國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算技術(shù)規(guī)范》，電壓穩(wěn)定性判據(jù)為:在電力系統(tǒng)受到擾動后的暫態(tài)過程中，負(fù)荷母線電壓能夠恢復(fù)到0.8 p.u.以上 (負(fù)荷母線監(jiān)測點選擇在220 kV變電站的110 kV母線處)。

4.1.1 提高系統(tǒng)的運(yùn)行電壓

提高受端 (尤其是末端)系統(tǒng)的運(yùn)行電壓將提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。表1為提高末端變電站運(yùn)行電壓前后在相同故障沖擊下穩(wěn)定計算結(jié)果。

表1 穩(wěn)定計算結(jié)果

4.1.2 配置低壓減負(fù)荷措施

合理配置低壓減負(fù)荷措施也可以提高受端系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。在電壓穩(wěn)定問題比較突出的受端電網(wǎng)，可以適當(dāng)提高低壓減負(fù)荷的動作電壓 (例如:設(shè)定為0.85 p.u.)，同時適當(dāng)減小低壓減負(fù)荷的動作時間，通過減負(fù)荷措施來加快系統(tǒng)的電壓恢復(fù)。

4.2 電網(wǎng)建設(shè)方面

受端系統(tǒng)存在電壓穩(wěn)定問題的根本原因在于缺乏足夠的電源 (無功)支撐。在電網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)保持受端系統(tǒng)內(nèi)部合理的電源容量。

4.2.1 增加無功電源支撐

通過增加無功支撐，如建設(shè)500 kV變電站、水輪機(jī)組調(diào)相運(yùn)行、安裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置都能提高受端系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。特別是新建500 kV變電站，將同時縮短末端電網(wǎng)與主網(wǎng)的電氣距離，大大提高末端電網(wǎng)的電壓質(zhì)量及電壓穩(wěn)定水平。如果在湘西地區(qū)建設(shè)500 kV自治州變電站，如圖3所示，湘西末端電網(wǎng)的電壓質(zhì)量將大有改善，暫態(tài)電壓穩(wěn)定水平也將提高。

圖3 500 kV變電站投產(chǎn)前后湘西電網(wǎng)潮流圖

4.2.2 增加無功補(bǔ)償容量

增加末端系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置的配置容量，積極督促用戶安裝無功補(bǔ)償裝置。按照《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則 (試行)》，220 kV及以下電壓等級的變電所無功補(bǔ)償設(shè)備容量可按主變壓器容量的0.1～0.3倍確定。建議在末端變電站適當(dāng)提高無功補(bǔ)償裝置的配置容量，盡量減少末端系統(tǒng)由主網(wǎng)吸收的無功功率。同時按照無功功率“分層分區(qū)就地平衡”的原則，應(yīng)該積極督促用戶安裝無功補(bǔ)償裝置。

〔1 〕 Charles Concordia.Voltage Stability:Definition and Concepts.Venice〔M〕.Florida，1987.

〔2〕Carson W.Taylor.Power System Voltage Stability〔M〕.New York:McGraw-Hill.Inc，1994.

〔3〕P.kundur.Power System Stability and Control〔M〕.New York:McGraw-Hill.Inc，1994.

〔4〕周雙喜.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其控制〔M〕.北京:中國電力出版社，2003.

〔5〕DL755—2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則〔S〕.北京:中國電力出版社，2001.

〔6〕國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 404—2010國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算技術(shù)規(guī)范〔S〕.北京:中國電力出版社，2010.

〔7〕SD 325—1989電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則(試行)〔S〕.北京:中國水利水電出版社，1989.