江友華, 謝振剛, 劉雪瑩, 常 建

(1.上海電力大學(xué), 上海 200082; 2.上海送變電工程有限公司, 上海 200235; 3.國網(wǎng)浙江新昌縣供電有限公司, 浙江 紹興 312500)

現(xiàn)代新型負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格,對供電可靠性的需求也越來越高,因此對電壓暫降事件非常敏感[1]。另一方面,電能傳輸?shù)奶厥庑詫?dǎo)致電能質(zhì)量不完全取決于電力企業(yè),電壓暫降也與用戶內(nèi)部電網(wǎng)以及用戶負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)[2]。

在過去的一些電壓暫降研究中,假設(shè)電壓在短路發(fā)生瞬間立即下降到最低幅值,故障切除后電壓立即恢復(fù),即矩形暫降。結(jié)合典型電壓暫降場景,將負(fù)荷等效為恒阻抗等值模型。但是,實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生短路故障瞬間,不同的負(fù)荷具有不同的電壓暫降特性,而以上的假設(shè)并未考慮感應(yīng)電動機(jī)等動態(tài)負(fù)荷對實(shí)際電壓暫降波形的影響[3-4]。由于忽略了用戶終端動態(tài)負(fù)荷特性,因此不能得到合理的分析評估結(jié)果。文獻(xiàn)[3]在進(jìn)行電壓暫降評估時,將系統(tǒng)中所有負(fù)載都假設(shè)用一個恒阻抗模型代替。文獻(xiàn)[4]中故障引起的電壓暫降和由初級保護(hù)清除的電壓暫降被認(rèn)為是忽略了負(fù)載動態(tài)而形成的矩形暫降。

雖然已有文獻(xiàn)研究了感應(yīng)電動機(jī)啟動及運(yùn)行時對電壓暫降特性的影響[5-6],但要進(jìn)一步開展相關(guān)評估的研究,還有必要考慮設(shè)備用戶端的負(fù)載特性對電壓暫降特征值的影響,以便對實(shí)際電壓暫降的特征值進(jìn)行準(zhǔn)確的界定。

針對電壓暫降特征分析和評估的不足,本文以實(shí)際電網(wǎng)為研究對象,結(jié)合配電網(wǎng)中感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷的分布,利用PSCAD仿真工具建立仿真模型,對比不同用戶的負(fù)荷特性對電壓暫降波形的影響,并描述電壓暫降特征值,為后續(xù)更準(zhǔn)確地獲得設(shè)備終端的電壓暫降特征提供仿真依據(jù)。

1 設(shè)備用戶端的綜合負(fù)荷模型

電力系統(tǒng)綜合負(fù)荷模型是反映實(shí)際電力系統(tǒng)的頻率f、電壓u、時間t特性的負(fù)荷模型。一般表達(dá)式[7]為

(1)

式中:P,Q——系統(tǒng)中的有功功率和無功功率;

fp(·),fq(·)——有功功率和無功功率的表達(dá)式。

式(1)中含有時間t,則反映綜合負(fù)荷的動態(tài)特性,反之稱為靜態(tài)負(fù)荷模型。

負(fù)荷模型的選擇在很大程度上影響著電壓暫降的分析結(jié)果。配電網(wǎng)中,感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷約占總電力負(fù)荷的60%,在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算中,動態(tài)負(fù)荷模型常用感應(yīng)電動機(jī)模型表示[8]。電力系統(tǒng)的綜合負(fù)荷常用一個感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷并聯(lián)等值恒阻抗模型來模擬,單機(jī)綜合負(fù)荷供電系統(tǒng)如圖1所示。其中,Eeq為系統(tǒng)的三相等效電源,zeq為線路等值阻抗,ULD為負(fù)荷母線處電壓,ZLD為負(fù)荷阻抗值。

圖1 單機(jī)綜合負(fù)荷供電系統(tǒng)

隨著對電壓暫降機(jī)理的深入研究,感應(yīng)電動機(jī)等動態(tài)負(fù)荷對電壓穩(wěn)定的影響逐步得到重視?？紤]用戶終端動態(tài)負(fù)荷特性時,隨著電壓暫降的發(fā)生,感應(yīng)電動機(jī)會為配電網(wǎng)提供無功功率支持。而且大型高壓電機(jī)有可能提供更高的無功支持,提供無功功率的持續(xù)時間更長,以防止電壓的快速崩潰。因此,電壓響應(yīng)不會直接降到幅值最低處,進(jìn)而改變電壓暫降波形。

2 電壓暫降典型波形的分析

電壓暫降描述為電網(wǎng)中突然出現(xiàn)數(shù)倍甚至數(shù)十倍于額定值的大電流,在系統(tǒng)阻抗上的分壓增大,造成公共連接點(diǎn)(Point of Common Coupling,PCC)點(diǎn)電壓突然降低。系統(tǒng)內(nèi)突然出現(xiàn)大電流原因有很多:系統(tǒng)側(cè)原因包括短路故障、大型變壓器空載激磁等;用戶側(cè)原因包括大容量感應(yīng)電動機(jī)啟動、大負(fù)荷投切等。考慮其在配電網(wǎng)中傳播以及動態(tài)負(fù)荷對故障清除后電壓暫降恢復(fù)的影響,徐永海等人以264次有效電壓暫降事件為研究樣本,按不同電壓等級將常見電壓暫降波形監(jiān)測統(tǒng)計,具體如表1所示。

表1 不同電壓等級下典型波形對應(yīng)的暫降概率 單位:%

由表1可知:第一類暫降是由故障引起的矩形波,占比68.56%;而由電機(jī)啟動不當(dāng)或變壓器勵磁涌流造成的暫降,屬于左快右慢型,占比20.44%;當(dāng)短路故障在感應(yīng)電動機(jī)附近時,可能是左慢右快型,且故障切除時間和電機(jī)參數(shù)很大程度上決定了波形形態(tài),這類暫降占比5.39%;還有其他類電壓暫降如雷擊造成的絕緣子閃絡(luò)等不規(guī)則電壓暫降波形,占比5.71%。

3 仿真分析與算例驗(yàn)證

本文以某一高新技術(shù)企業(yè)為研究對象,利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)軟件PSCAD建立電力系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)將500 kV母線和110 kV電廠作為恒壓源供電,用戶由2個220 kV變電站和2個110 kV變電站中的5條10 kV線路供電,用戶線路均為YJV-300的電纜?？疾旒芸站€路發(fā)生短路故障造成的用戶電壓暫降情況。

本文分別采用恒阻抗等值模型[9]和感應(yīng)電動機(jī)并聯(lián)恒阻抗負(fù)荷來模擬綜合負(fù)荷兩種負(fù)荷特性,節(jié)點(diǎn)1～5作為用戶評估節(jié)點(diǎn)。電力系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。輸電線路典型參數(shù),感應(yīng)電動機(jī)參數(shù)和線路長度參數(shù)分別見表2～表4。

圖2 電力系統(tǒng)的仿真模型

表2 不同電壓等級下的輸電線路典型參數(shù)(每105 m)

表3 感應(yīng)電動機(jī)參數(shù)

表4 線路長度 單位:km

以線路L2發(fā)生兩相接地故障和三相故障引起的電壓暫降為例,對負(fù)荷節(jié)點(diǎn)1～5處電壓暫降情況進(jìn)行仿真。各節(jié)點(diǎn)電壓的方均根值波形變化如圖3所示。負(fù)荷節(jié)點(diǎn)1～5的電壓暫降能量指標(biāo)對比如圖4所示。其中,Uthr為電壓暫降閾值電壓,Umin為暫降過程中電壓方均根值的最小值。

圖3 節(jié)點(diǎn)電壓方均根值波形

圖4 考慮感應(yīng)電動機(jī)的電壓暫降能量對比

考慮到不同負(fù)荷特性對電壓暫降的影響,在仿真中選擇兩種計算方式。計算方式1指所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)均采用恒阻抗模型;計算方式2指將負(fù)荷節(jié)點(diǎn)1～5采用綜合負(fù)荷模型,剩余節(jié)點(diǎn)采用恒阻抗模型。在相同計算方式下各節(jié)點(diǎn)電壓波形大致相同,為了便于對比,以故障前節(jié)點(diǎn)的標(biāo)稱電壓為基準(zhǔn)值,得到的仿真結(jié)果均以標(biāo)幺值表示。

電壓暫降常采用電壓幅值和暫降持續(xù)時間來描述電壓暫降特征。由圖3可知,考慮感應(yīng)電動機(jī)的綜合負(fù)荷模型使得電壓暫降波形變淺且變長,即電壓幅值更高,電壓暫降持續(xù)時間延長,驗(yàn)證了上文中的分析。

由圖4可知,節(jié)點(diǎn)電壓暫降能量損失指標(biāo)存在差異性,這可以解釋為感應(yīng)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)為配電網(wǎng)提供了無功支持,避免了電壓快速崩潰,但也導(dǎo)致電壓暫降持續(xù)時間延長。電壓暫降能量指標(biāo)作為暫降嚴(yán)重度指標(biāo),其值越大,則側(cè)面反映電壓暫降越嚴(yán)重。

將采用兩種計算方式仿真得到的電壓暫降特征值進(jìn)行對比,結(jié)果如表5和表6所示。

表5 兩相接地短路故障時電壓暫降特征值對比

表6 三相短路故障時電壓暫降特征值對比

由表5和表6可知,采用綜合負(fù)荷模型的計算方式2時,較計算方式1得出的節(jié)點(diǎn)電壓暫降的整體電壓幅值更高,持續(xù)時間更長。這是由于非矩形暫降在短時間內(nèi)不會跌落至最低值,并且恢復(fù)階段更長;而且也更體現(xiàn)感應(yīng)電動機(jī)附近發(fā)生電壓暫降的實(shí)際波形特征,可以有效減小因忽略感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷帶來過度評估的影響,使后續(xù)電壓暫降的評估更具準(zhǔn)確性和可信度。

4 結(jié) 語

針對當(dāng)前電力系統(tǒng)中的動態(tài)負(fù)荷主要以感應(yīng)電動機(jī)為主的現(xiàn)實(shí)情況,用感應(yīng)電動機(jī)并聯(lián)恒阻抗負(fù)荷來模擬綜合負(fù)荷特性的實(shí)際情況。從系統(tǒng)角度分析得出感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷有抗拒電壓幅值突變的特性,從而引起非矩形電壓暫降的產(chǎn)生,最終導(dǎo)致電壓暫降特征值變化以及電壓暫降能量損失增加。