吳　桐，劉　暢，王　剛，劉　莉

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.電力學(xué)院；b.研究生部，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

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孤網(wǎng)運(yùn)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(yáng)工程學(xué)院 a.電力學(xué)院；b.研究生部，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

摘要：孤網(wǎng)是我國(guó)電網(wǎng)目前存在的一種特殊運(yùn)行方式，它是孤立運(yùn)行的最大單機(jī)容量大于電網(wǎng)總?cè)萘?%的電網(wǎng)，根據(jù)孤網(wǎng)由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制的特點(diǎn)著手確立應(yīng)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(yīng)能力，通過(guò)在PSASP搭建發(fā)電機(jī)、負(fù)荷模型，計(jì)算孤網(wǎng)一次系統(tǒng)的短路計(jì)算、潮流計(jì)算能全面的了解孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)線路及設(shè)備承受高電壓、大電流的能力和潮流分布特點(diǎn)，最終提出安全穩(wěn)定判據(jù)條件，有助于進(jìn)一步優(yōu)化孤網(wǎng)，減少其尚存的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：孤網(wǎng)運(yùn)行；頻率穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定；穩(wěn)定判據(jù)條件

當(dāng)今，作為現(xiàn)代社會(huì)主要能源的電能，以與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活有著密不可分的關(guān)系。而作為電力系統(tǒng)組成的電力網(wǎng)來(lái)說(shuō)，對(duì)電能的發(fā)出、輸送、分配到使用的每個(gè)環(huán)節(jié)都有著或多或少的影響。電力網(wǎng)的供電不穩(wěn)定，特別是大面積停電事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響是十分嚴(yán)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(duì)現(xiàn)代電力網(wǎng)的運(yùn)行提出了更高的要求，既要保證安全、可靠和經(jīng)濟(jì)地發(fā)電供能，又要求保證合格的供電質(zhì)量。

通常情況下，電力網(wǎng)發(fā)生事故致使系統(tǒng)全部解列的后果是十分嚴(yán)重的，但系統(tǒng)解列并不一定代表著整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)處于癱瘓狀態(tài)。根據(jù)科研和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，如果系統(tǒng)中部分電力網(wǎng)在保證本身構(gòu)架足夠堅(jiān)強(qiáng)的同時(shí)，也能持續(xù)承受小規(guī)模的供電，那么這個(gè)小的電力系統(tǒng)也具有很重要的實(shí)際分析意義，所以將這樣對(duì)象的研究稱為孤網(wǎng)運(yùn)行分析。孤網(wǎng)運(yùn)行有如下幾種類型[2]：①孤網(wǎng)依靠數(shù)臺(tái)并列的機(jī)組運(yùn)行供電，單機(jī)與電網(wǎng)容量比超過(guò)8%；②僅有一臺(tái)機(jī)組孤網(wǎng)供電，我們將它稱為單機(jī)帶負(fù)荷；③甩負(fù)荷帶廠用電，稱為小島運(yùn)行工況，是單機(jī)帶負(fù)荷的一種特例。

孤網(wǎng)發(fā)生的瞬間，孤網(wǎng)存在不平衡功率f/P，電網(wǎng)的有功與f有關(guān)，無(wú)功與v有關(guān)[3]。當(dāng)電網(wǎng)處于電力過(guò)剩狀態(tài)時(shí)，即電源送出系統(tǒng)被解列為孤網(wǎng)后，有功功率的過(guò)剩將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速，系統(tǒng)頻率也隨之升高；無(wú)功功率過(guò)剩時(shí)，系統(tǒng)電壓也隨之升高。而電網(wǎng)電力不足時(shí)恰恰相反[4]。因此研究孤網(wǎng)的安全穩(wěn)定應(yīng)從頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定兩方面著手。

1電網(wǎng)安全穩(wěn)定常規(guī)控制方法

低頻減載是一種最常見(jiàn)又最有效的用來(lái)防止電網(wǎng)出現(xiàn)頻率崩潰的安全控制措施，即當(dāng)電力系統(tǒng)因發(fā)電和用電負(fù)荷的需求之間出現(xiàn)缺額而引起頻率下降時(shí)，按照事先整定的動(dòng)作頻率值，依次將系統(tǒng)中預(yù)先安排好的一部分次要負(fù)荷切除，從而使電網(wǎng)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(wǎng)因頻率下降導(dǎo)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(shí)現(xiàn)這一措施的自動(dòng)裝置。它由頻率測(cè)量和減載兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。為盡量減小切除負(fù)荷及盡快恢復(fù)頻率，要根據(jù)系統(tǒng)功率缺額大小和頻率下降的速度與絕對(duì)值把要切除的負(fù)荷分為若干輪，在頻率下降的過(guò)程中順次切除[5]。一般分為5～6輪，第一輪的起動(dòng)頻率整定在48.0～48.5 Hz，最后一輪為46.0～46.5 Hz。

2孤網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定分析仿真模型

2.1PSASP簡(jiǎn)介

電力系統(tǒng)分析尤其是電力孤網(wǎng)安全穩(wěn)定分析模型的搭建通常選用中國(guó)電力科學(xué)院研制的PSASP仿真程序，它是基于電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、固定模型庫(kù)以及用戶自定義模型庫(kù)支持從而進(jìn)行電力系統(tǒng)(輸電、供電和配電系統(tǒng))的各種計(jì)算分析。其計(jì)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(gè)部分。

2.2PSASP孤網(wǎng)仿真模型

在PSASP仿真程序中供選用的模型有發(fā)電機(jī)和綜合負(fù)荷2種模型。針對(duì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)通常選用PSS模型、調(diào)速器模型、調(diào)壓器模型。而綜合負(fù)荷模型就是通常所說(shuō)的ZIP等值模型。

PSS模型慣用的是Ⅱ型PSS，基本項(xiàng)包含了該模型的所有參數(shù)組號(hào)，在特殊情況下需要標(biāo)注簡(jiǎn)要注釋，簡(jiǎn)單注釋最多只能包括10個(gè)字符。偏差放大系數(shù)依次可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、功率和電壓3項(xiàng)，其轉(zhuǎn)速WK反映了轉(zhuǎn)速偏差放大的倍數(shù)，功率PK反映了功率偏差放大的倍數(shù)，電壓VK反映了電壓偏差放大的倍數(shù)。在模型的時(shí)間常數(shù)上有3種環(huán)節(jié)常數(shù)。量側(cè)環(huán)節(jié)欄中標(biāo)明的都是量側(cè)時(shí)間常數(shù)Tr，隔直環(huán)節(jié)欄標(biāo)明的都是隔直環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Tw1、Tw2，移相環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)欄標(biāo)明時(shí)間常數(shù)T1~T6的所有時(shí)間。PSS的輸出上限Vsmax和PSS輸出下限Vsmin都是以標(biāo)幺值為標(biāo)準(zhǔn)選取。

Ⅱ型PSS發(fā)電機(jī)模型控制框圖如圖1所示。

發(fā)電機(jī)調(diào)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(jī)調(diào)壓器模型控制框圖如圖3所示。

綜合負(fù)荷模型分為動(dòng)態(tài)部分和靜態(tài)部分。其中，動(dòng)態(tài)部分采用T型三階感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，靜態(tài)部分采用負(fù)荷靜特性ZIP模型結(jié)構(gòu)。2個(gè)部分的初始有功功率劃分由負(fù)荷界面上恒阻抗部分來(lái)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(yīng)電動(dòng)機(jī)的初始滑差、初始無(wú)功、初始功率因子由參數(shù)Mlf計(jì)算得出。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初始有功比例參數(shù)定義如下：

圖1　發(fā)電機(jī)Ⅱ型PSS模型控制

圖2　調(diào)速器模型控制

圖3　調(diào)壓器模型控制

綜合負(fù)荷ZIP等值模型圖如圖4所示。

圖4　綜合負(fù)荷ZIP等值模型

3孤網(wǎng)運(yùn)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三永故障時(shí)，如果保護(hù)能夠正確動(dòng)作，則無(wú)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(wèn)題。系統(tǒng)仿真算例具有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)緊湊，電氣距離較短的特點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)其中一期線路發(fā)生三永故障時(shí)，另一期系統(tǒng)母線電壓及動(dòng)力變低壓母線電壓均約有50%的跌落，保護(hù)動(dòng)作后均能很快恢復(fù)到故障前水平。考慮到保護(hù)動(dòng)作前系統(tǒng)電壓跌落嚴(yán)重，有必要對(duì)系統(tǒng)主要元件的低壓保護(hù)定值及延時(shí)重新核對(duì)以確保能夠躲過(guò)瞬時(shí)低電壓，避免定值整定不當(dāng)引起負(fù)荷損失，甚至系統(tǒng)全黑的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5　電鋁1#線發(fā)生三相短路故障時(shí)功角曲線

圖6　電鋁1#線發(fā)生三相短路故障時(shí)電壓曲線

3.2以功率差額為判據(jù)條件的穩(wěn)定控制分析

當(dāng)4#機(jī)組處于檢修方式，發(fā)電機(jī)功率減少100 MW，此時(shí)就要采取切負(fù)荷保持功率平衡，由于兩期負(fù)荷分別為31.5 MW和25 MW，切任何負(fù)荷都還要配合切機(jī)來(lái)完成，因此要切較小負(fù)荷使切機(jī)較小保證電力正常供應(yīng)生產(chǎn)受到損失最低，一旦較小負(fù)荷(2期負(fù)荷)切除，相應(yīng)的存在功率差額，此時(shí)應(yīng)該切機(jī)組來(lái)彌補(bǔ)這部分功率差額。對(duì)于切機(jī)來(lái)講，原則上要求其切

機(jī)切機(jī)組功率距功率差額較小的發(fā)電機(jī)。圖7反映了4號(hào)機(jī)組檢修方式下不同切機(jī)方式對(duì)頻率的影響。

圖7　4號(hào)機(jī)組檢修方式下頻率曲線

4結(jié)語(yǔ)

1)如果孤網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)運(yùn)行方式較為簡(jiǎn)單，導(dǎo)線截面較大，負(fù)載率較低，則正常運(yùn)行時(shí)可滿足負(fù)荷的需求。但如果孤網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性較低，則設(shè)備檢修安排困難，一旦機(jī)組帶病運(yùn)行會(huì)加重運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)組檢修時(shí)風(fēng)險(xiǎn)更大。

2)孤網(wǎng)系統(tǒng)是否有必要提出相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制策略在于電網(wǎng)系統(tǒng)中的繼電保護(hù)能否在相應(yīng)故障后正確動(dòng)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(wǎng)仿真算例分析了切機(jī)加切負(fù)荷的安全穩(wěn)定控制措施，該措施是以功率差額為判據(jù)條件的，解決了孤網(wǎng)系統(tǒng)的功率不平衡問(wèn)題，具有一定的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯佟金鍇校對(duì)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(hào)：TM74

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)01-0066-04