試述電力系統(tǒng)分析中的暫態(tài)穩(wěn)定問題

劉偉

【摘 要】隨著國家各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益完善，對(duì)能源的需求量也日益增加，其中，電能已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中最為重要的基本能源之一，給我們的生活帶來了諸多的便利?；诖?，國家電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是老百姓維系正常生活的重要前提。在現(xiàn)實(shí)生活中，電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)優(yōu)劣直接影響著社會(huì)當(dāng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行秩序。為了防止電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況，給居民用電帶來影響，有關(guān)部門對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、緊急控制等領(lǐng)域進(jìn)行探究。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定；緊急控制

引言

隨著電力技術(shù)逐步成熟，電力并網(wǎng)規(guī)模不斷增大，電力場接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響越來越顯著，電力系統(tǒng)在電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電能質(zhì)量、次同步振蕩等方面都呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的特性，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨新的挑戰(zhàn)，其中，大規(guī)模電力接入下電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也是人們關(guān)心的熱點(diǎn)問題之一。

1、暫態(tài)過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式

為了能夠得到擾動(dòng)過程中功舞變化曲線，就需要進(jìn)行暫態(tài)的斤算。以下就針對(duì)發(fā)電機(jī)的經(jīng)典模型，即發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)電抗Xd′后電勢E′可以在暫態(tài)過程中始終保持一直不變的狀態(tài)，并利用此電勢的近似角度來對(duì)電極功角進(jìn)行表示；其中，負(fù)荷采用的是恒阻抗模型的形式。

1.1動(dòng)態(tài)方程

1.2初值方程

初值方程是以靜態(tài)潮流方程的解來求解狀態(tài)變量初值和，作為暫態(tài)計(jì)算的初值：

即

其中，；是第臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角初值，是第臺(tái)發(fā)電機(jī)的有功和無功輸出。

1.3網(wǎng)絡(luò)方程

網(wǎng)絡(luò)方程是各臺(tái)發(fā)電機(jī)和負(fù)荷相聯(lián)系的紐帶，通過注入網(wǎng)絡(luò)電流，可以確定各節(jié)點(diǎn)的電壓值。為了提高求解網(wǎng)絡(luò)方程的效率，需要對(duì)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)做一定的處理。對(duì)于發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，可以將電壓源模型的等值電路轉(zhuǎn)化為電流源模型的等值電路。如圖所示：

對(duì)于負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，如果采用恒定阻抗模型，則同樣可將其阻抗并入到網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣當(dāng)中，但是沒有注入電流。這樣，將發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗和負(fù)荷阻抗并入到網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣后的網(wǎng)絡(luò)方程為：YV=I

其中，是處理后的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣，是節(jié)點(diǎn)電壓向量；是節(jié)點(diǎn)注入電流向量；需要注意的是，每次發(fā)生故障或其他操作時(shí)，導(dǎo)納矩陣元素需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。當(dāng)在直角坐標(biāo)系下求解網(wǎng)絡(luò)方程時(shí)，上式可以寫成如下實(shí)數(shù)形式：

2、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析

2.1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的理論描述

在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，供電系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的體系，因其結(jié)點(diǎn)分布較為廣泛，是眾多國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及人們工作生活的重要支柱。對(duì)于電力系統(tǒng)的整體規(guī)劃及運(yùn)行過程而言，如若保證電網(wǎng)運(yùn)行的高效性與穩(wěn)定性，則要進(jìn)行大量的暫態(tài)穩(wěn)定分析，并針對(duì)相關(guān)的分析結(jié)果制定出電力系統(tǒng)的緊急控制策略，以便在實(shí)踐過程中降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的損失。

2.2電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的主要內(nèi)容

一般情況下，電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)遇到各種因素的干擾，因此，就可能會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率與輸出電磁功率失衡，在這種情形下，電力系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)組的轉(zhuǎn)子速度就會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，則會(huì)引起兩種不同的后果：其一是晃動(dòng)后停止，系統(tǒng)延續(xù)之前的運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，我們就可以評(píng)定該系統(tǒng)在受到干擾后是暫態(tài)穩(wěn)定的；其二是機(jī)組發(fā)生晃動(dòng)以后，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組內(nèi)部出現(xiàn)了震蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)功率或電壓不穩(wěn)，則稱其為電力系統(tǒng)處于非暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3暫態(tài)穩(wěn)定分析的目的及方法概述

暫態(tài)穩(wěn)定分析是通過模擬某種故障場景，使電力系統(tǒng)受到較大干擾后，來測定電力系統(tǒng)的擋干擾能力的強(qiáng)弱，以便與采取一定的措施來控制系統(tǒng)維系暫態(tài)穩(wěn)定，提高電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的安全性與穩(wěn)定性。暫態(tài)穩(wěn)定分析的方法一般采用數(shù)學(xué)方法，運(yùn)用微分方程組的數(shù)值求解過程與函數(shù)計(jì)算過程來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際計(jì)算過程中，可能會(huì)產(chǎn)生一定的測量誤差，會(huì)對(duì)分析結(jié)果造成影響。但從總體來看，在進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定分析時(shí)要將可能出現(xiàn)計(jì)算誤差的情況考慮進(jìn)去，進(jìn)而使分析結(jié)果更為精準(zhǔn)，對(duì)實(shí)踐有利。

例如：某電站為350MW的自備電站電力小系統(tǒng)，日常自備機(jī)組發(fā)電量300MW，另50MW缺口負(fù)荷由一條220KV線路供電，發(fā)生雷擊事故，220KV線路跳閘，低周減載正確動(dòng)作，甩去50MW負(fù)荷，自備電站電力小系統(tǒng)孤島運(yùn)行，小系統(tǒng)穩(wěn)定。以此來分析電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題，由于50MW是一個(gè)負(fù)荷缺口，主要用于對(duì)接220KV線路的外接供電，而300MW的自備機(jī)組能夠在發(fā)生雷擊，220KV線路跳閘的情況下進(jìn)行正常運(yùn)行，這一現(xiàn)象稱為暫態(tài)穩(wěn)定。

3、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制措施

當(dāng)電力系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)沖擊時(shí)，發(fā)電機(jī)組輸入的機(jī)械功率和輸出的電磁功率會(huì)失去平衡，引起轉(zhuǎn)子速度及角度變化，各機(jī)組間發(fā)生相對(duì)搖擺。經(jīng)過一段時(shí)間后，系統(tǒng)或是逐步趨向同步運(yùn)行或是趨向失步運(yùn)行。如果這種搖擺最后平息下來，系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)組能夠達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，則認(rèn)為系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的；如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)角度不斷增大，直到發(fā)電機(jī)失去同步，則認(rèn)為系統(tǒng)失去了暫態(tài)穩(wěn)定。暫態(tài)穩(wěn)定破壞會(huì)引起非常嚴(yán)重的后果，尤其對(duì)于大規(guī)模電力系統(tǒng)而言，如果失去暫態(tài)穩(wěn)定往往引起大規(guī)模停電事故，給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。我國《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則》將大擾動(dòng)按照嚴(yán)重程度和出現(xiàn)概率分為三類：

第1類，單一故障（出現(xiàn)概率較高的故障：任何線路單相瞬時(shí)接地故障重合成功；同級(jí)電壓的雙回線或多回線和環(huán)網(wǎng)，任一回線單相永久故障重合不成功或無故障三相斷開不重合，任一回線三相故障斷開不重合；任一發(fā)電機(jī)跳間或失磁；受端系統(tǒng)任一臺(tái)變壓器故障退出運(yùn)行；任一大負(fù)荷突然變化；任一回交流聯(lián)絡(luò)線故障或無故障斷開不重合；直流輸電線路單極故障。

第2類，單一嚴(yán)重故障（出現(xiàn)概率較低的故障）：單回線單相永久性故障重合不成功或無故障三相斷開不重合；任一段母線故障；同桿并架雙回線的異名兩相同時(shí)發(fā)生單相接地故障重合不成功，雙回線三相同時(shí)跳開；直流輸電線路雙極故障。

第3類，多重嚴(yán)重故障（出現(xiàn)概率很低的故障）：故障時(shí)開關(guān)拒動(dòng)；故障時(shí)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)；自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置失靈；多重故障；失去大容量發(fā)電廠；其他偶然因素。為了保證電力系統(tǒng)發(fā)生第類較嚴(yán)重故障時(shí)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)由防止系統(tǒng)穩(wěn)定破壞和運(yùn)行參數(shù)嚴(yán)重越限的緊急控制措施，構(gòu)建保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的第二道防線。對(duì)于防止暫態(tài)穩(wěn)定破壞的緊急控制措施按作用方式大體分為兩類：

（1）減輕由擾動(dòng)引起的發(fā)電機(jī)功率過剩和輸電斷面輸送能力降低的實(shí)現(xiàn)手段，包括送端切除發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)快速控制汽門（簡稱快控汽門）、動(dòng)態(tài)電阻制動(dòng)、集中切負(fù)荷和局部解列等；（2）增強(qiáng)輸電斷面輸送能力的實(shí)現(xiàn)手段，包括發(fā)電機(jī)勵(lì)磁緊急控制、串聯(lián)或者并聯(lián)電容裝置強(qiáng)行補(bǔ)償、切除并聯(lián)電抗器和功率緊急調(diào)制等。

以下簡單介紹幾種控制措施。

切除發(fā)電機(jī)：在暫態(tài)期間不平衡功率較大時(shí)使用，以達(dá)到快速降低送端電源加速能量的目的。汽輪機(jī)起停時(shí)間長、啟動(dòng)費(fèi)用大，而水輪機(jī)起停方便、控制代價(jià)小，因而通常優(yōu)先考慮水電機(jī)組。汽輪機(jī)快控汽門：送端汽輪機(jī)組快速控制閥門，通過降低輸入機(jī)械功率達(dá)到減少不平衡功率的目的，分為短暫減功率和持續(xù)減功率兩種方式。動(dòng)態(tài)電阻制動(dòng)：在發(fā)電機(jī)出口或者高壓母線處并聯(lián)接入電阻，暫態(tài)期間吸收加速功率以消除擾動(dòng)引起的發(fā)電機(jī)過剩功率。

切負(fù)荷：受端系統(tǒng)切除一定比例不重要的負(fù)荷可以減小送受端發(fā)電機(jī)組的擺開程度；或者由于送端大量切機(jī)引起受端電網(wǎng)出現(xiàn)較大的功率缺額，在受端相應(yīng)切除一部分負(fù)荷。

解列：弱聯(lián)系的聯(lián)絡(luò)線一般是互聯(lián)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)，如果通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)解列聯(lián)絡(luò)線損失最小，此時(shí)宜采取解列互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的控制措施。在實(shí)際工程中，應(yīng)用較多而且簡單直接的措施就是切除發(fā)電機(jī)，本章的研究也是圍繞切機(jī)控制措施展開的。

總之，暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制是電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中較為關(guān)鍵的管理步驟。關(guān)于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析和控制的研究內(nèi)容較多，大部分的研究內(nèi)容都需要首先假定關(guān)于電力系統(tǒng)運(yùn)行情況的前提，但在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行過程中，往往與預(yù)設(shè)前提不符，因此，之前針對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)分析與控制方面所進(jìn)行的模擬分析與評(píng)估結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)差異。所以，在實(shí)踐過程中，要不斷增強(qiáng)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制過程的效果。

結(jié)束語

我國的能源分布決定了大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的輸電格局，多個(gè)電源集中基地會(huì)形成多個(gè)緊密聯(lián)系的機(jī)群，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。基于響應(yīng)的穩(wěn)定控制可以對(duì)系統(tǒng)任意沖擊做出實(shí)時(shí)控制決策，其本質(zhì)上講是一種反饋控制，控制措施實(shí)施時(shí)間較晚，切機(jī)量可能比基于策略表型的常規(guī)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)要多，但是該方法靈活有效，適應(yīng)性強(qiáng)，可以與傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)互為補(bǔ)充。最后通過算例驗(yàn)證了該方法的有效性，其計(jì)算量小，靈活可靠的特點(diǎn)，可以構(gòu)筑一道新的防線避免發(fā)生大規(guī)模停電事故，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。

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