孤網運行安全穩(wěn)定控制策略研究

吳　桐，劉　暢，王　剛，劉　莉

(沈陽工程學院 a.電力學院；b.研究生部，遼寧 沈陽 110136)

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孤網運行安全穩(wěn)定控制策略研究

吳桐a，劉暢b，王剛a，劉莉a

(沈陽工程學院 a.電力學院；b.研究生部，遼寧 沈陽 110136)

摘要：孤網是我國電網目前存在的一種特殊運行方式，它是孤立運行的最大單機容量大于電網總容量8%的電網，根據孤網由負荷控制轉變?yōu)轭l率控制的特點著手確立應在頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定兩方面分析其安全穩(wěn)定控制的適應能力，通過在PSASP搭建發(fā)電機、負荷模型，計算孤網一次系統(tǒng)的短路計算、潮流計算能全面的了解孤網運行時線路及設備承受高電壓、大電流的能力和潮流分布特點，最終提出安全穩(wěn)定判據條件，有助于進一步優(yōu)化孤網，減少其尚存的潛在風險。

關鍵詞：孤網運行；頻率穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定；穩(wěn)定判據條件

當今，作為現代社會主要能源的電能，以與國民經濟建設和人民生活有著密不可分的關系。而作為電力系統(tǒng)組成的電力網來說，對電能的發(fā)出、輸送、分配到使用的每個環(huán)節(jié)都有著或多或少的影響。電力網的供電不穩(wěn)定，特別是大面積停電事故所造成的經濟損失和社會影響是十分嚴重的，例如2003年發(fā)生的紐約、倫敦和東京大停電事故[1]。因此，對現代電力網的運行提出了更高的要求，既要保證安全、可靠和經濟地發(fā)電供能，又要求保證合格的供電質量。

通常情況下，電力網發(fā)生事故致使系統(tǒng)全部解列的后果是十分嚴重的，但系統(tǒng)解列并不一定代表著整個系統(tǒng)都會處于癱瘓狀態(tài)。根據科研和實際運行經驗可知，如果系統(tǒng)中部分電力網在保證本身構架足夠堅強的同時，也能持續(xù)承受小規(guī)模的供電，那么這個小的電力系統(tǒng)也具有很重要的實際分析意義，所以將這樣對象的研究稱為孤網運行分析。孤網運行有如下幾種類型[2]：①孤網依靠數臺并列的機組運行供電，單機與電網容量比超過8%；②僅有一臺機組孤網供電，我們將它稱為單機帶負荷；③甩負荷帶廠用電，稱為小島運行工況，是單機帶負荷的一種特例。

孤網發(fā)生的瞬間，孤網存在不平衡功率f/P，電網的有功與f有關，無功與v有關[3]。當電網處于電力過剩狀態(tài)時，即電源送出系統(tǒng)被解列為孤網后，有功功率的過剩將導致發(fā)電機轉子加速，系統(tǒng)頻率也隨之升高；無功功率過剩時，系統(tǒng)電壓也隨之升高。而電網電力不足時恰恰相反[4]。因此研究孤網的安全穩(wěn)定應從頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定兩方面著手。

1電網安全穩(wěn)定常規(guī)控制方法

低頻減載是一種最常見又最有效的用來防止電網出現頻率崩潰的安全控制措施，即當電力系統(tǒng)因發(fā)電和用電負荷的需求之間出現缺額而引起頻率下降時，按照事先整定的動作頻率值，依次將系統(tǒng)中預先安排好的一部分次要負荷切除，從而使電網有功功率重新趨于平衡，頻率得到回升。迄今為止，這是防止電網因頻率下降導致頻率崩潰事故的最主要的一種安全措施。因此研究的安全穩(wěn)定控制措施將考慮低頻減載。

低頻減載裝置是實現這一措施的自動裝置。它由頻率測量和減載兩個環(huán)節(jié)組成。為盡量減小切除負荷及盡快恢復頻率，要根據系統(tǒng)功率缺額大小和頻率下降的速度與絕對值把要切除的負荷分為若干輪，在頻率下降的過程中順次切除[5]。一般分為5～6輪，第一輪的起動頻率整定在48.0～48.5 Hz，最后一輪為46.0～46.5 Hz。

2孤網運行安全穩(wěn)定分析仿真模型

2.1PSASP簡介

電力系統(tǒng)分析尤其是電力孤網安全穩(wěn)定分析模型的搭建通常選用中國電力科學院研制的PSASP仿真程序，它是基于電網基礎數據庫、固定模型庫以及用戶自定義模型庫支持從而進行電力系統(tǒng)(輸電、供電和配電系統(tǒng))的各種計算分析。其計算分析可以分為穩(wěn)態(tài)分析、故障分析和暫態(tài)分析3個部分。

2.2PSASP孤網仿真模型

在PSASP仿真程序中供選用的模型有發(fā)電機和綜合負荷2種模型。針對發(fā)電機來說通常選用PSS模型、調速器模型、調壓器模型。而綜合負荷模型就是通常所說的ZIP等值模型。

PSS模型慣用的是Ⅱ型PSS，基本項包含了該模型的所有參數組號，在特殊情況下需要標注簡要注釋，簡單注釋最多只能包括10個字符。偏差放大系數依次可調節(jié)轉速、功率和電壓3項，其轉速WK反映了轉速偏差放大的倍數，功率PK反映了功率偏差放大的倍數，電壓VK反映了電壓偏差放大的倍數。在模型的時間常數上有3種環(huán)節(jié)常數。量側環(huán)節(jié)欄中標明的都是量側時間常數Tr，隔直環(huán)節(jié)欄標明的都是隔直環(huán)節(jié)時間常數Tw1、Tw2，移相環(huán)節(jié)時間常數欄標明時間常數T1~T6的所有時間。PSS的輸出上限Vsmax和PSS輸出下限Vsmin都是以標幺值為標準選取。

Ⅱ型PSS發(fā)電機模型控制框圖如圖1所示。

發(fā)電機調速器可采用2、3、4、5四種控制模型，模型控制框圖如圖2所示。

發(fā)電機調壓器模型控制框圖如圖3所示。

綜合負荷模型分為動態(tài)部分和靜態(tài)部分。其中，動態(tài)部分采用T型三階感應電動機數學模型，靜態(tài)部分采用負荷靜特性ZIP模型結構。2個部分的初始有功功率劃分由負荷界面上恒阻抗部分來完成，在這里恒阻抗部分所占比例為靜態(tài)ZIP模型部分所占初始有功比例。而三階感應電動機的初始滑差、初始無功、初始功率因子由參數Mlf計算得出。感應電動機初始有功比例參數定義如下：

圖1　發(fā)電機Ⅱ型PSS模型控制

圖2　調速器模型控制

圖3　調壓器模型控制

綜合負荷ZIP等值模型圖如圖4所示。

圖4　綜合負荷ZIP等值模型

3孤網運行安全穩(wěn)定仿真算例分析

3.1暫穩(wěn)態(tài)分析

從功角曲線圖和電壓曲線圖可以看出，當系統(tǒng)發(fā)生三永故障時，如果保護能夠正確動作，則無需采取穩(wěn)控措施，系統(tǒng)就能夠保持穩(wěn)定，不存在同步穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定問題。系統(tǒng)仿真算例具有網架結構緊湊，電氣距離較短的特點，當系統(tǒng)其中一期線路發(fā)生三永故障時，另一期系統(tǒng)母線電壓及動力變低壓母線電壓均約有50%的跌落，保護動作后均能很快恢復到故障前水平?？紤]到保護動作前系統(tǒng)電壓跌落嚴重，有必要對系統(tǒng)主要元件的低壓保護定值及延時重新核對以確保能夠躲過瞬時低電壓，避免定值整定不當引起負荷損失，甚至系統(tǒng)全黑的風險。

圖5　電鋁1#線發(fā)生三相短路故障時功角曲線

圖6　電鋁1#線發(fā)生三相短路故障時電壓曲線

3.2以功率差額為判據條件的穩(wěn)定控制分析

當4#機組處于檢修方式，發(fā)電機功率減少100 MW，此時就要采取切負荷保持功率平衡，由于兩期負荷分別為31.5 MW和25 MW，切任何負荷都還要配合切機來完成，因此要切較小負荷使切機較小保證電力正常供應生產受到損失最低，一旦較小負荷(2期負荷)切除，相應的存在功率差額，此時應該切機組來彌補這部分功率差額。對于切機來講，原則上要求其切

機切機組功率距功率差額較小的發(fā)電機。圖7反映了4號機組檢修方式下不同切機方式對頻率的影響。

圖7　4號機組檢修方式下頻率曲線

4結語

1)如果孤網系統(tǒng)網絡結構運行方式較為簡單，導線截面較大，負載率較低，則正常運行時可滿足負荷的需求。但如果孤網系統(tǒng)運行的靈活性較低，則設備檢修安排困難，一旦機組帶病運行會加重運行風險，機組檢修時風險更大。

2)孤網系統(tǒng)是否有必要提出相應的安全穩(wěn)定控制策略在于電網系統(tǒng)中的繼電保護能否在相應故障后正確動作，維持所需的頻率和電壓穩(wěn)定。

3)以某自備電廠作為孤網仿真算例分析了切機加切負荷的安全穩(wěn)定控制措施，該措施是以功率差額為判據條件的，解決了孤網系統(tǒng)的功率不平衡問題，具有一定的實際意義。

參考文獻

[1]賈長朱.從美、加停電事故看我國電力系統(tǒng)安全[J].現代電力，2004，21(3)：70-73.

[2]張靜.DEH系統(tǒng)孤網運行控制系技術解決方案[J].熱力透平,2009，38(1)：65-67.

[3]張健銘.小地區(qū)孤網頻率穩(wěn)定控制研究[D].北京：華北電力大學,2011.

[4]劉瑋蔚,陳均,肖寒.河南電網孤網運行分析[J].河南電力,2008(3)：32-34.

[5]王葵.自適應型低頻減載裝置的研究[J].山東電力技術,2000(3):12-14.

(責任編輯佟金鍇校對張凱)

Strategies for Isolated Network Operation Security and Stability Control

WU Tonga,LIU Changb,WANG Ganga,LIU Lia

(a.School of Electrical Engineering; b.Graduate Department ,Shenyang Institute of

Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：As a special operation mode,the isolated network means the largest single capacity is more than 8% of the total capacity of the isolated power grid.According to the frequency control feature in the isolated network,its adaptive capacity for security and stability control should be analyzed on the frequency and vol-tage stability.The generators and loads model is built with PSASP,then the short circuit calculation and flow calculation of isolated network are calculated to grasp the capacity of lines and equipment withstand high voltage and high current,and understand the power flow features during the isolated operation.The criterion of security and stability is proposed finally,which is helpful for further optimization of the isolated network and reducing the potential risk.

Key words：isolated network operation;frequency stability;voltage stability;criterion of stability

中圖分類號：TM74

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)01-0066-04