陳延云

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，合肥 230088）

隨著節(jié)能減排工作的持續(xù)推進(jìn)，越來(lái)越多的火電廠輔機(jī)調(diào)速系統(tǒng)傾向于變頻調(diào)速。在變頻調(diào)速帶來(lái)節(jié)能降耗、優(yōu)化運(yùn)行等方面優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列新問題，其中最影響最大的就是其對(duì)電網(wǎng)故障的抵抗能力差。近年來(lái)陸續(xù)發(fā)生了多起系統(tǒng)瞬時(shí)故障造成輔機(jī)變頻器停止輸出導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)的事件。輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)低電壓穿越能力不足的問題日趨嚴(yán)重，人們對(duì)廠用母線電壓的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。

發(fā)電廠自身發(fā)電機(jī)組以及與其相連電網(wǎng)的電壓支撐都直接影響發(fā)電廠母線電壓的穩(wěn)定水平。因而，電網(wǎng)中不同位置、不同規(guī)模的電廠，其母線受電網(wǎng)故障的影響程度以及得到的電壓支撐程度都不盡相同，相同配置下的廠用系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性也就不一。因此，尋求一定的評(píng)估方法或判定指標(biāo)，用于評(píng)估發(fā)電廠母線電壓穩(wěn)定性，分析電網(wǎng)不同運(yùn)行工況，特別是不同電網(wǎng)故障對(duì)發(fā)電廠母線電壓的影響，進(jìn)而可根據(jù)分析得到的母線電壓穩(wěn)定狀況，合理規(guī)劃和配置廠用系統(tǒng)，并有選擇地增強(qiáng)母線電壓穩(wěn)定性薄弱電廠的廠用系統(tǒng)抗電網(wǎng)故障沖擊能力，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[1-9]。

本文基于華東電網(wǎng)2013年夏高數(shù)據(jù)，根據(jù)短期過(guò)程中電壓偏移指標(biāo)以及低電壓持續(xù)指，分析了具有代表性的幾個(gè)典型電廠的母線電壓穩(wěn)定狀況，并對(duì)指標(biāo)分析得出的結(jié)論進(jìn)行機(jī)理性解釋，得出不同位置和規(guī)模、不同電網(wǎng)故障類型對(duì)廠用母線電壓的影響規(guī)律，進(jìn)而可根據(jù)電廠母線相關(guān)電壓指標(biāo)推知電廠母線電壓受電網(wǎng)故障影響狀況，為廠用系統(tǒng)規(guī)劃、配置以及改造提供參考依據(jù)。

1 母線電壓穩(wěn)定性判定指標(biāo)

1.1 短期過(guò)程中電壓偏移指標(biāo)

根據(jù)NERC/WECC定義，系統(tǒng)暫態(tài)電壓跌落為

式中，為暫態(tài)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)電壓最低幅值，為節(jié)點(diǎn)電壓初始幅值。

根據(jù)NERC/WECC準(zhǔn)則，當(dāng)節(jié)點(diǎn)Vdip≤25%時(shí)，則認(rèn)為暫態(tài)過(guò)程中電壓偏移指標(biāo)沒有越限；反之，則認(rèn)為暫態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)了電壓指標(biāo)破壞的情況。據(jù)此，根據(jù)Vdip定義，為消除階躍效應(yīng)，采用擴(kuò)展的S型函數(shù)，定義電壓偏移指標(biāo)VDI（Voltage Deviation Index），形成隸屬度函數(shù)如下：

由圖1可見，采用擴(kuò)展S型函數(shù)后，在25%的指標(biāo)分界處，可實(shí)現(xiàn)指標(biāo)值的平滑過(guò)渡，以保證VDI值隨Vdip值變化的連續(xù)性。進(jìn)而通過(guò)VDI值可以更加直觀的反映當(dāng)前電力節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性狀況：當(dāng) VDI值趨近于0時(shí)，電壓穩(wěn)定性指標(biāo)被破壞；當(dāng)VDI值趨近于1時(shí)電壓指標(biāo)穩(wěn)定。

圖1 電壓偏移指標(biāo)VDI的隸屬度函數(shù)

短期過(guò)程中電壓偏移指標(biāo)只需根據(jù)暫態(tài)過(guò)程前后的電壓幅值即可計(jì)算得到，數(shù)據(jù)采集難度小，且指標(biāo)計(jì)算復(fù)雜度低，可有效用于表征暫態(tài)過(guò)程中所判定節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性狀況。

1.2 低電壓持續(xù)指標(biāo)

廠用輔機(jī)變頻調(diào)速裝置對(duì)電壓的變化非常敏感。一般，當(dāng)主回路供電電壓降低至80%額定電壓時(shí)，變頻調(diào)速裝置低電壓保護(hù)功能起動(dòng)，閉鎖變頻調(diào)速裝置，將導(dǎo)致輔機(jī)停運(yùn)，并可能引起機(jī)組跳閘。

為此，根據(jù)暫態(tài)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)電壓低于80%額定值的累計(jì)總時(shí)間，定義低電壓持續(xù)指標(biāo)（Low Voltage Duration Index，LVDI）：

式中，ts為暫態(tài)過(guò)程的開始時(shí)刻，tf為暫態(tài)過(guò)程的結(jié)束時(shí)刻。LVDI計(jì)及節(jié)點(diǎn)電壓低于80%額定電壓的累計(jì)時(shí)間，與變頻調(diào)速裝置閉鎖時(shí)延直接相關(guān)，可為變頻調(diào)速裝置的選擇和配置提供參考。

2 典型發(fā)電廠母線節(jié)點(diǎn)的選取

通過(guò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析，選取五個(gè)具有一定代表性的電廠作為研究重點(diǎn)，分別以字母A、B、C、D、E代表。

發(fā)電廠 A，擁有兩臺(tái) 600MW 發(fā)電機(jī)組，自身電壓支撐能力一般。電廠位于220kV電網(wǎng)末端，周邊沒有大型發(fā)電廠或者500kV電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，電網(wǎng)支撐薄弱。

發(fā)電廠 B，擁有兩臺(tái) 330MW 發(fā)電機(jī)組，自身電壓支撐能力較弱。電廠位于220kV電網(wǎng)末端，但與500kV電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離比電廠A近，故電廠母線處電網(wǎng)支撐仍較弱，但稍強(qiáng)于電廠A。

發(fā)電廠 C，擁有兩臺(tái) 600MW 發(fā)電機(jī)組，自身電壓支撐能力一般。電廠母線位于500kV電網(wǎng)的中間位置，得到電網(wǎng)支撐強(qiáng)。

發(fā)電廠 D，擁有兩臺(tái) 660MW 的發(fā)電機(jī)組，自身電壓支撐能力強(qiáng)。電廠母線位于220kV電網(wǎng)的中間位置，周邊沒有直接相連的500kV聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，電廠母線得到的電網(wǎng)支撐能力一般。

發(fā)電廠 E，擁有一臺(tái) 640MW 的發(fā)電機(jī)組，自身電壓支撐能力較弱。電廠母線位于 1000kV線路末端，單從電網(wǎng)拓?fù)鋪?lái)看，其得到的電網(wǎng)電壓支撐較弱，但由于其處于 1000kV特高壓線路上，仍可得到較強(qiáng)的電網(wǎng)電壓支撐。

3 仿真分析

本文基于BPA仿真平臺(tái)分析和評(píng)估電網(wǎng)在不同運(yùn)行狀態(tài)，特別是故障狀態(tài)下對(duì)發(fā)電廠母線電壓的影響。線路的單相接地故障是電網(wǎng)中最常見的故障類型，而線路三相短路故障則是最嚴(yán)重的一類故障，文中結(jié)合上述兩種故障類型進(jìn)行仿真分析。

仿真過(guò)程中故障點(diǎn)選擇在電廠出線的近端，單次仿真總時(shí)長(zhǎng)為300個(gè)周波，仿真時(shí)序?yàn)椋孩僭诜抡嬷恋?0個(gè)周波時(shí)發(fā)生故障；②在仿真至第13個(gè)周波時(shí)，切除故障，即故障的持續(xù)時(shí)間為60ms。

3.1 單相故障仿真

1）仿真結(jié)果

單相故障的BPA仿真結(jié)果如圖2、圖3所示，其中圖2為母線電壓波形，圖3為故障時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)過(guò)程波形。

圖2 單相故障過(guò)程母線電壓

圖3 單相故障過(guò)程發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓及勵(lì)磁電流

根據(jù)式（1）至式（3）計(jì)算得到發(fā)電廠一回出線近端發(fā)生單相短路接地故障時(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)電廠母線電壓偏移指標(biāo)和低電壓持續(xù)指標(biāo)見表1。

2）分析

發(fā)電廠母線電壓受影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程：一方面發(fā)電廠母線電壓因發(fā)生短路故障而降低，另一方面因發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的電壓支撐作用而會(huì)有所保持。Vdip和VDI值越大，說(shuō)明發(fā)電廠母線電壓受故障影響下降的越多，而發(fā)電廠自身發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)對(duì)發(fā)電廠母線電壓的支撐作用越弱。

表1 電廠出線近端單相故障時(shí)刻電廠母線電壓指標(biāo)

若發(fā)電廠出線近端發(fā)生單相接地故障，由于尚有兩個(gè)非故障相，發(fā)電廠母線尚有一定電壓。但此時(shí)故障點(diǎn)近，所以發(fā)電廠母線電壓幾乎完全依靠發(fā)電機(jī)組支撐，電網(wǎng)對(duì)其支撐作用極小，可認(rèn)為此時(shí)發(fā)電廠母線短期過(guò)程中的Vdip和VDI值主要表征了發(fā)電廠自身發(fā)電機(jī)組提供電壓支撐能力的強(qiáng)弱。

表2 故障下電廠母線電壓指標(biāo)排序

表2按照電廠自身電壓支撐能力的強(qiáng)弱順序?qū)Ω麟姀S及其對(duì)應(yīng)的母線電壓指標(biāo)進(jìn)行了排列。從表中不難看出：發(fā)電廠母線電壓指標(biāo)Vdip和VDI值隨著電廠自身電壓支撐能力的減弱而逐漸增大，這與之前的理論分析吻合。由此，可以得出結(jié)論：發(fā)電廠出線近端單相短路情況下求得的Vdip以及VDI值可以用于評(píng)價(jià)電廠自身的電壓支撐能力；Vdip及VDI值越小，電廠自身的電壓支撐能力越強(qiáng)。

3.2 三相故障仿真

1）仿真結(jié)果

三相故障的BPA仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，其中圖4為母線電壓波形，圖5為故障時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)過(guò)程波形。電廠出線近端發(fā)生三相短路過(guò)程中，電廠母線電壓迅速跌落至接近于零，此時(shí)重點(diǎn)關(guān)注短路故障切除后恢復(fù)過(guò)程中發(fā)電廠母線的電壓指標(biāo)，見表3。

2）分析

發(fā)電廠出線近端發(fā)生三相短路故障時(shí)，發(fā)電廠母線電壓將跌落至非常低的水平。在故障切除后的發(fā)電廠母線電壓暫態(tài)恢復(fù)過(guò)程中，主要由電網(wǎng)的調(diào)壓功能做主導(dǎo)。故可以認(rèn)為發(fā)電廠出線近端三相接地短路故障后的母線電壓指標(biāo)表征了與發(fā)電廠相連電網(wǎng)的電壓支撐能力，其指標(biāo)值越大，故障切除后的電壓恢復(fù)的水平越低，即電網(wǎng)的電壓支撐能力越弱。

圖4 三相故障過(guò)程母線電壓正序分量

圖5 三相故障過(guò)程發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流

表3 出線近端三相故障后電廠母線電壓指標(biāo)

表4按照電廠出線近端三相故障后電廠母線電壓指標(biāo)的高低順序?qū)Ω麟姀S母線進(jìn)行了排序，該排序即為各電廠母線得到電網(wǎng)電壓支撐能力的強(qiáng)弱順序。這與理論分析結(jié)果相吻合。

表4 出線近端三相故障后電廠母線電壓指標(biāo)排序

3.3 故障分析中LDVI值的應(yīng)用

電網(wǎng)故障中對(duì)發(fā)電廠母線電壓影響最大的是發(fā)電廠出線近端三相短路。因此，發(fā)電廠出線近端三相短路過(guò)程中的 LDVI值和發(fā)電廠出線近端三相短路切除后電壓恢復(fù)過(guò)程中的 LDVI值之和即為發(fā)電廠母線電壓低于80%額定電壓的總時(shí)長(zhǎng)。若廠用系統(tǒng)中的變頻調(diào)速系統(tǒng)的低電壓保護(hù)閉鎖時(shí)延大于LDVI總值，則不會(huì)使得發(fā)電廠輔機(jī)因變頻調(diào)速系統(tǒng)閉鎖而停機(jī)；反之，則會(huì)使得發(fā)電廠輔機(jī)因變頻調(diào)速系統(tǒng)閉鎖而停機(jī)，進(jìn)而有可能影響發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，產(chǎn)生更嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題。

根據(jù)BPA的仿真結(jié)果，在發(fā)電廠出線發(fā)生故障時(shí)，即使是對(duì)發(fā)電廠母線影響最小的發(fā)電廠出線末端的單相短路故障，在整個(gè)故障過(guò)程中，發(fā)電廠母線電壓基本都跌落至80%額定電壓之下。而發(fā)電廠出線故障切除后的恢復(fù)過(guò)程中，即使是對(duì)發(fā)電廠母線影響最大的發(fā)電廠出線近端的三相短路故障，其故障切除后的發(fā)電廠母線電壓基本上都能較快恢復(fù)到80%額定電壓之上。因此發(fā)電廠出線故障整個(gè)過(guò)程中的 LDVI總值主要取決于發(fā)電廠出線故障的切除時(shí)間，故障切除時(shí)間越短，LDVI總值越小，發(fā)電廠輔機(jī)因變頻調(diào)速系統(tǒng)閉鎖而停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)越小。

因此針對(duì)此種情況，一方面要加快電網(wǎng)故障的切除速度，另外一方面可以在設(shè)備安全運(yùn)行允許的范圍內(nèi)盡可能的延長(zhǎng)發(fā)電廠輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的閉所保護(hù)時(shí)延，使其可以大于發(fā)電廠出線近端三相短路故障時(shí)的LDVI總值。

4 結(jié)論

本文通過(guò)仿真研究，總結(jié)了發(fā)電廠出線近端單相短路和三相短路過(guò)程中的電壓偏移指標(biāo)Vdip、VDI值以及LDVI值的變化規(guī)律，并得出如下結(jié)論：

1）短期過(guò)程中的電壓偏移指標(biāo) Vdip以及 VDI值可以有效用于評(píng)估電廠母線電壓的穩(wěn)定狀況。

2）電廠出線近端單相短路過(guò)程的Vdip以及VDI值可以用于評(píng)估電廠自身發(fā)電機(jī)組對(duì)電廠母線的電壓支撐能力。

3）電廠出線近端三相短路故障切除后恢復(fù)過(guò)程的Vdip以及VDI值可以用于評(píng)估電網(wǎng)對(duì)發(fā)電廠母線的電壓支撐能力。

4）電廠出線故障過(guò)程中的低電壓持續(xù)指標(biāo)LDVI值，可以為廠用輔機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)低電壓保護(hù)閉鎖延遲時(shí)間的選取和整定提供參考。

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