勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)對(duì)改善系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的作用

李曉明,黃大為,張鵬宇

(1.國網(wǎng)天津武清供電有限公司，天津 301700；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130000)

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勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)對(duì)改善系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的作用

李曉明1,黃大為2,張鵬宇3

(1.國網(wǎng)天津武清供電有限公司，天津 301700；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130000)

針對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功支撐能力不足導(dǎo)致的暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題，研究了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)優(yōu)化對(duì)改善機(jī)組動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)，提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的作用。首先介紹了勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)的概念，然后分析了調(diào)差系數(shù)設(shè)置對(duì)機(jī)組自身穩(wěn)定性的影響，并提出了調(diào)差系數(shù)的建議調(diào)整范圍。對(duì)廣東電網(wǎng)典型方式的算例分析結(jié)果表明，廣東電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)優(yōu)化后，能夠有效提高故障后系統(tǒng)電壓的恢復(fù)能力。

勵(lì)磁系統(tǒng)；調(diào)差系數(shù)；暫態(tài)電壓穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)無功

發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)重要的動(dòng)態(tài)無功電源，在系統(tǒng)故障電壓跌落的情況下能夠快速輸出動(dòng)態(tài)無功，為系統(tǒng)受端電壓跌落提供動(dòng)態(tài)支撐。發(fā)電機(jī)的無功功率是由勵(lì)磁系統(tǒng)控制，因此，勵(lì)磁系統(tǒng)的控制參數(shù)對(duì)機(jī)組的無功功率控制至關(guān)重要。

勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)是描述同步發(fā)電機(jī)無功電壓外特性的參數(shù)，其值大小不但對(duì)發(fā)電機(jī)電壓和無功功率具有重要影響，也間接影響到電網(wǎng)電壓水平[1-3]。為了改善系統(tǒng)的電壓水平，有必要對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)進(jìn)行合理整定。

根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求的國家標(biāo)準(zhǔn)，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)無功電流補(bǔ)償率(無功電流調(diào)差率)的整定范圍不小于±15%[4-6]。對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的整定以保證發(fā)電廠內(nèi)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行且

并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間無功功率合理分配為目標(biāo)，并未考慮發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐作用[7-8]。目前國內(nèi)的省級(jí)電力公司大多未將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)納入管理，以廣東為例，省內(nèi)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)整定值基本采用出廠默認(rèn)設(shè)定，并未充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)的無功調(diào)節(jié)能力。

無功補(bǔ)償容量不足和配備不合理是我國電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行中長期存在的問題，特別是可調(diào)節(jié)的無功容量不足，快速響應(yīng)的無功調(diào)節(jié)設(shè)備更少[9-10]。發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)最大的無功源，如何通過優(yōu)化內(nèi)部勵(lì)磁參數(shù)，改善故障情況下機(jī)組的動(dòng)態(tài)無功特性，盡可能地為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無功支撐，對(duì)提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性有重要的意義。

本文深入分析了勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)對(duì)改善系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的作用，通過全面的仿真分析，研究調(diào)差系數(shù)的調(diào)整范圍，提出廣東電網(wǎng)勵(lì)磁參數(shù)優(yōu)化推薦方案，并分析了推薦方案對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響。仿真分析結(jié)果證明了本文所提策略的有效性。

1 勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)

為使并列運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)組按其容量向系統(tǒng)提供無功功率，實(shí)現(xiàn)無功功率在各機(jī)組間穩(wěn)定合理的分配，在勵(lì)磁控制器中，一般都設(shè)有改變發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性斜率的環(huán)節(jié)，即調(diào)差系數(shù)。

調(diào)差系數(shù)δ是用來表征發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性(Uf=f(IQ)，IQ：無功電流)曲線的斜率。調(diào)差系數(shù)的物理意義為同步發(fā)電機(jī)在功率因數(shù)等于零的情況下，無功電流從零變化到額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓變化的標(biāo)么值。它通常用下式表示：

圖1 調(diào)差特性曲線

(1)

式中：ΔU/UN為電壓變化相對(duì)值；ΔIQ/IN為無功電流變化相對(duì)值。

習(xí)慣上規(guī)定，向下傾斜的特性曲線(即電壓隨無功負(fù)荷增加而下降)的調(diào)差系數(shù)為正，稱為正調(diào)差，這可以理解為：當(dāng)無功電流增大時(shí)，自動(dòng)勵(lì)磁控制器感受到的電壓上升(虛假上升)，于是控制器降低勵(lì)磁電流，驅(qū)使發(fā)電機(jī)電壓下降；反之，向上傾斜的特性曲線的調(diào)差系數(shù)為負(fù)，稱為負(fù)調(diào)差，可以理解為：當(dāng)無功電流增大時(shí)，自動(dòng)勵(lì)磁控制器感受到的電壓下降(虛假下降)，于是控制器增大勵(lì)磁電流，驅(qū)使發(fā)電機(jī)電壓上升。特性曲線，如圖1所示。實(shí)際應(yīng)用中，由于無功電流不易測量，所以通常直接用無功功率代替無功電流。

發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器都設(shè)有調(diào)差裝置，就是在電壓測量回路中取機(jī)端電壓Vt與定子電流在電抗上的壓降的相量和的絕對(duì)值作為控制信號(hào)。

調(diào)差系數(shù)在北美也被稱為無功電流補(bǔ)償(Reactive Current Compensation-RCC)，其中定子電流換成無功電流，如果兩臺(tái)機(jī)在機(jī)端直接并聯(lián)，為使無功功率能在兩臺(tái)機(jī)之間穩(wěn)定分配，電流信號(hào)取正，則測量所得的控制信號(hào)Vc，總是比實(shí)際機(jī)端電壓要高，在穩(wěn)態(tài)的情況下，信號(hào)電壓要與參考電壓Vref平衡(接近相等)，則機(jī)端電壓就一定要比參考電壓Vref要低，例如Vref=1.0，則機(jī)端電壓一定低于1.0，且定子電流越大，電壓越低，即電壓外特性是下斜的，北美稱之為下斜特性(Droop)，我國稱之為正調(diào)差。如果定子電流取負(fù)號(hào)，則機(jī)端電壓隨著定子電流的增大是上升的，即電壓外特性是上升的，我國稱之為負(fù)調(diào)差，北美稱之為線路電壓降補(bǔ)償(LineDroopCompensation-LDC)。

采用負(fù)調(diào)差，補(bǔ)償部分升壓變的電抗對(duì)改善系統(tǒng)電壓控制是有明顯作用的，而且不需新增任何投資，但是過去并沒有得到普遍應(yīng)用，原因是對(duì)于負(fù)調(diào)差對(duì)系統(tǒng)電壓的控制及系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用認(rèn)識(shí)及經(jīng)驗(yàn)不足，圖2所示的系統(tǒng)來比較并聯(lián)電容及發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償方面的不同特性。

圖2 無功功率補(bǔ)償?shù)牟煌卣?/p>

2 調(diào)差系數(shù)設(shè)置及限制條件

圖3 廣東某電廠#1機(jī)負(fù)載2%階躍，機(jī)端母線電壓

調(diào)差系數(shù)δ是表征機(jī)組無功調(diào)節(jié)特性的物理量。機(jī)組無功輸出是由勵(lì)磁系統(tǒng)提供和調(diào)節(jié)的，改變勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)會(huì)相應(yīng)的改變機(jī)組端電壓和無功輸出，其中無功變化較大，因此對(duì)勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，應(yīng)充分考慮機(jī)端電壓和機(jī)組無功輸出的安全范圍，避免越限。在一個(gè)復(fù)雜電力系統(tǒng)中如何確定發(fā)電機(jī)的負(fù)荷補(bǔ)償系數(shù)一直沒有提出有效的設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中也沒有指導(dǎo)負(fù)荷補(bǔ)償系數(shù)的確定依據(jù)[11]。在國外成功應(yīng)用的先例中也是大致地限定在某較合理的補(bǔ)償范圍內(nèi)[12-13]。有文獻(xiàn)報(bào)道[14]，美國西部電力系統(tǒng)中波特萊區(qū)的負(fù)荷，由于向它送電的9個(gè)發(fā)電廠采用負(fù)調(diào)差補(bǔ)償了50%升壓變電抗，在一次故障后避免了電壓崩潰，其效果等同裝置460 MVA、500 kV的可切換電容器。

一般文獻(xiàn)建議補(bǔ)償升壓變電抗的50%～80%，ABB推薦一機(jī)一主變組成的發(fā)電單元的總阻抗在3%～8%比較合適，即“調(diào)差+主變電抗”的值在3%～8%之間。

圖3是廣東某電廠#1機(jī)(機(jī)組容量600 MW)負(fù)載2%階躍時(shí)的仿真結(jié)果，由圖可見，當(dāng)機(jī)組調(diào)差系數(shù)設(shè)置為-14%時(shí)，階躍擾動(dòng)下機(jī)組將不能維持穩(wěn)定運(yùn)行，因此該機(jī)組調(diào)差系數(shù)不宜超過-13%。

廣東電網(wǎng)機(jī)組升壓變的漏抗基本在13%～15%區(qū)間范圍內(nèi)，為研究調(diào)差系數(shù)設(shè)置的最大可調(diào)范圍，對(duì)不同機(jī)組進(jìn)行仿真分析。大量仿真計(jì)算的結(jié)果表明，負(fù)調(diào)差對(duì)機(jī)組升壓變阻抗的補(bǔ)償度過高會(huì)降低機(jī)組自身穩(wěn)定特性，為保證穩(wěn)定性，建議廣東機(jī)組的調(diào)差補(bǔ)償度不超過70%。

3 調(diào)差系數(shù)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的影響

采用廣東電網(wǎng)2013年某典型方式數(shù)據(jù)，50%電動(dòng)機(jī)+50%恒阻抗負(fù)荷模型，故障類型為北郊站三相短路500 kV單相中開關(guān)拒動(dòng)，調(diào)整廣東地區(qū)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)，調(diào)節(jié)范圍從0～-10%，計(jì)算調(diào)差系數(shù)對(duì)系統(tǒng)電壓恢復(fù)能力的提升效果。北郊站三相短路單相中開關(guān)拒動(dòng)故障下鹿鳴站母線正序電壓如圖4所示，仿真結(jié)果表明，廣東電網(wǎng)全網(wǎng)機(jī)組調(diào)差系數(shù)對(duì)故障后母線電壓恢復(fù)時(shí)間有明顯的作用，母線電壓的恢復(fù)時(shí)間隨著調(diào)差系數(shù)的絕對(duì)值增大而縮短。

圖4 北郊站三相短路單相中開關(guān)拒動(dòng)故障下鹿鳴站母線正序電壓

2013年某典型方式下，考慮廣東電網(wǎng)采用50%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+50%恒阻抗負(fù)荷模型時(shí)，按補(bǔ)償機(jī)組升壓變漏抗70%的原則，調(diào)整機(jī)組的調(diào)差系數(shù)，通過仿真計(jì)算，分析機(jī)組調(diào)差系數(shù)對(duì)存在暫態(tài)電壓失穩(wěn)問題的站點(diǎn)電壓恢復(fù)的影響，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

表1 廣東電網(wǎng)機(jī)組調(diào)差系數(shù)對(duì)電壓恢復(fù)影響

圖5 莞城站三永中開關(guān)拒動(dòng)故障下大朗站母線正序電壓圖6 北郊站三相短路單相中開關(guān)拒動(dòng)故障下鹿鳴站母線正序電壓

2013年某典型方式下，考慮廣東電網(wǎng)采用50%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)+50%恒阻抗負(fù)荷模型時(shí)，莞城、北郊站點(diǎn)發(fā)生三相短路單相中開關(guān)拒動(dòng)故障下廣東電網(wǎng)存在暫態(tài)電壓失穩(wěn)問題：

(1)莞城-寶安線路莞城側(cè)三相短路單相中開關(guān)拒動(dòng)會(huì)導(dǎo)致大朗站存在暫態(tài)電壓失穩(wěn)問題，廣東電網(wǎng)機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化設(shè)置前，大朗等站點(diǎn)電壓低于0.75 pu的持續(xù)時(shí)間為102周波，在250周波時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；廣東電網(wǎng)機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化設(shè)置后，大朗等站點(diǎn)電壓低于0.75 pu的持續(xù)時(shí)間縮短為81周波，在150周波時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，縮短100周波。

(2)北郊-花都線路北郊側(cè)三相短路單相中開關(guān)拒動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鹿鳴站存在暫態(tài)電壓失穩(wěn)問題，廣東電網(wǎng)機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化設(shè)置前，鹿鳴等站點(diǎn)電壓低于0.75 pu的持續(xù)時(shí)間為105周波，在400周波時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；廣東電網(wǎng)機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化設(shè)置后，鹿鳴等站點(diǎn)電壓低于0.75 pu的持續(xù)時(shí)間縮短為82周波，在175周波時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，縮短225周波。

4 結(jié) 論

負(fù)調(diào)差對(duì)升壓變的補(bǔ)償度越大，機(jī)組的動(dòng)態(tài)無功輸出能力越強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)電壓恢復(fù)的支撐效果越好；但補(bǔ)償度過大會(huì)影響機(jī)組的自身的穩(wěn)定和廠內(nèi)機(jī)組間的無功分配，因此，補(bǔ)償度不宜超過70%。對(duì)全網(wǎng)機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究負(fù)調(diào)差對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐效果。仿真結(jié)果表明：廣東電網(wǎng)機(jī)組的調(diào)差系數(shù)優(yōu)化后，對(duì)系統(tǒng)的電壓支撐效果明顯。

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The Effect of Difference Coefficient of Generator Excitation System on Power System Transient Voltage Stability

Li Xiaoming1，Huang Dawei2，Zhang Pengyu3

(1.State Grid Tianjin Wuqing Power Supply Co.，ltd.，Wuqing Tianjin，301700；2.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；3.State Grid Jilin Electric Power Co.，ltd.，Changchun Jilin，130000)

Lack of dynamic reactive power compensation result in power system transient voltage instability.To improve the transient voltage stability，this paper presents an optimization strategy for setting the excitation system difference coefficient of the generator.The concept of the excitation system difference coefficient is introduced.Then the impacts of difference coefficients of generator excitation system on generator stability are analyzed and adjustment range is proposed.The calculation results of Guangdong province system show that the transient voltage stability level is enhanced effectively after optimize the excitation system difference coefficient.

Generator excitation system；Difference coefficient；Transient voltage stability；Dynamic reactive power

2016-07-23

國家自然科學(xué)基金(51307019)；吉林省科技支撐項(xiàng)目(20140101210JC)

李曉明(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與控制.

1005-2992(2017)02-0009-05

TP29

A

電子郵箱： 18692656020@163.com(李曉明)；hdw76@163.com(黃大為)；89705999@qq.com(張鵬宇)