武海燕，劉石川，慕 騰，郭 琪，任 斌，郭 裕，達(dá)爾汗

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為了在220 kV電網(wǎng)層面能適應(yīng)負(fù)荷快速增長(zhǎng)的需求，電網(wǎng)投運(yùn)了大量220 kV電壓等級(jí)電源。電源的投入能夠解決地區(qū)電網(wǎng)缺電問(wèn)題，改善電網(wǎng)潮流分布、降低網(wǎng)損，并滿足地區(qū)發(fā)展需求[1-2]，但同時(shí)也會(huì)對(duì)該地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性產(chǎn)生影響。通常認(rèn)為，在電源送端投入新設(shè)備，加強(qiáng)了電源送端和電網(wǎng)的聯(lián)系，有助于提高該地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，但在網(wǎng)架薄弱地區(qū)，大容量機(jī)組的投運(yùn)可能會(huì)造成電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平降低，反而導(dǎo)致電網(wǎng)接帶負(fù)荷能力下降。

本文結(jié)合某電網(wǎng)實(shí)際情況，運(yùn)用等面積準(zhǔn)則[3-4]和擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則（Extended Equal-Area Criterion，EEAC）[5-6]，對(duì)該電網(wǎng)HY 電廠新增機(jī)組后出現(xiàn)的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算分析，找出電網(wǎng)接帶負(fù)荷能力下降的原因和機(jī)理，提出可以通過(guò)擴(kuò)建主變壓器、控制機(jī)組出力、快速切除故障、改善發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性、提高領(lǐng)前群機(jī)組機(jī)端電壓和無(wú)功出力以及切機(jī)等措施來(lái)提高地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和接帶負(fù)荷水平[7-10]，并通過(guò)仿真計(jì)算和穩(wěn)定機(jī)理分析證明這些措施的合理性和有效性。

1 仿真算例

1.1 地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

某電網(wǎng)220 kV HY 電廠位于該地區(qū)電網(wǎng)末端，機(jī)組容量為2×350 MW。根據(jù)網(wǎng)架規(guī)劃，該電廠將投運(yùn)第3臺(tái)機(jī)組，機(jī)組容量350 MW。該電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Regional grid structure diagram

由圖1可見(jiàn)，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)呈放射狀，500 kV CKS變電站獨(dú)立接帶220 kV 地區(qū)電網(wǎng)。其中，GY 電廠通過(guò)雙回220 kV 線路直接接入500 kV CKS 變電站220 kV側(cè)，HY電廠則通過(guò)雙回220 kV線路接入LW變電站，LW 變電站通過(guò)雙回220 kV 線路連接到500 kV CKS變電站220 kV側(cè)。LW變電站至CKS變電站雙回線線路長(zhǎng)度46.6 km，LW 變電站至HY 電廠雙回線線路長(zhǎng)度4.6 km，LW 變電站至LL 變電站雙回線線路長(zhǎng)度1.62 km，可見(jiàn)HY 電廠、LW 變電站、LL 變電站電氣距離均較近。若不考慮風(fēng)電出力，地區(qū)送端電源由容量為2×350 MW GY電廠和容量為3×350 MW HY電廠構(gòu)成。目前，該地區(qū)最大負(fù)荷約1880 MW，最小負(fù)荷1300 MW，負(fù)荷較大。因此，該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)屬于典型的“大機(jī)大負(fù)荷小網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較弱，電網(wǎng)系統(tǒng)短路容量較小。

1.2 暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析

在HY 電廠第3 臺(tái)機(jī)組投運(yùn)前，控制500 kV CKS變電站主變壓器電壓在515 kV附近，校核該地區(qū)各類線路及主變壓器N-1故障，判斷該地區(qū)是否可以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)仿真分析，HY 電廠兩臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷（700 MW）運(yùn)行，GY 電廠單臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷（350 MW）運(yùn)行時(shí)，制約故障為500 kV CKS 變電站一回220 kV 母線側(cè)故障，需控制LW 變電站和LL 變電站總負(fù)荷不超過(guò)400 MW，且XH 變電站負(fù)荷控制到800 MW時(shí)，500 kV CKS變電站一回220 kV 母線側(cè)故障后正好滿足暫態(tài)電壓穩(wěn)定條件。故障發(fā)生后，LW 變電站和LL 變電站負(fù)荷母線電壓能夠在1 s內(nèi)恢復(fù)到0.75（p.u.）以上；XH變電站負(fù)荷母線電壓能夠在10 s內(nèi)恢復(fù)到0.8（p.u.）以上。

HY 電廠第3 臺(tái)機(jī)組投運(yùn)后，同樣控制500 kV CKS變電站主變壓器電壓在515 kV附近，校核該地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，判斷機(jī)組投運(yùn)后電網(wǎng)的接帶負(fù)荷能力，對(duì)關(guān)鍵線路進(jìn)行三相永久性故障校核。經(jīng)仿真分析，HY電廠3臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)三相永久性故障電壓恢復(fù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 HY電廠3臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)三相永久性故障電壓恢復(fù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Voltage recovery calculation result of three units at full output in HY Power plant

由計(jì)算結(jié)果可知，正常方式下，發(fā)生CKS 變電站一回220 kV 母線故障后，LL 變電站220 kV 側(cè)電壓50 周波內(nèi)恢復(fù)到0.75（p.u.），滿足運(yùn)行要求。根據(jù)上述結(jié)果，HY電廠3臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷（1050 MW）運(yùn)行，GY電廠單臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷（350 MW）運(yùn)行，此時(shí)需控制LW變電站和LL變電站總負(fù)荷不超過(guò)150 MW，XH變電站負(fù)荷控制到600 MW。

由此得出，HY 電廠第3 臺(tái)機(jī)組投運(yùn)后，該地區(qū)電網(wǎng)接帶負(fù)荷能力下降，3臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷加重，最終將導(dǎo)致LW變電站和LL變電站電壓失穩(wěn)，引起HY電廠3臺(tái)機(jī)組功角失穩(wěn)。該地區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 地區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of transient stability of regional power grid

通常認(rèn)為該地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)電源的電氣距離近，電源同系統(tǒng)之間的聯(lián)系會(huì)更緊密，有利于該地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，但實(shí)際的情況卻并不相同，下面采用EEAC分析這種現(xiàn)象。

2 機(jī)理分析

由上述仿真分析結(jié)果可知，造成HY電廠3臺(tái)機(jī)組接帶負(fù)荷能力下降的直接原因是3臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷持續(xù)加重時(shí)，該地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)由電壓失穩(wěn)引起了暫態(tài)功角失穩(wěn)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。等面積準(zhǔn)則作為電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定分析的理論基石，其通過(guò)單機(jī)—無(wú)限大系統(tǒng)得到了證明和廣泛應(yīng)用[11]。但電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指電網(wǎng)系統(tǒng)中所有并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)都有相同的電角速度，且在實(shí)際的電網(wǎng)中也不存在無(wú)窮大系統(tǒng)，比較符合實(shí)際的研究方法是在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障或擾動(dòng)后，利用相量測(cè)量單元將實(shí)測(cè)得到并且高速傳輸?shù)娇刂浦行牡母髋_(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度、轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測(cè)和判斷。通過(guò)臨界機(jī)組識(shí)別，將發(fā)電機(jī)分為兩群，即S群領(lǐng)前群和C群剩余群，將這兩群機(jī)組用各自的中心慣量機(jī)等效為1 個(gè)雙機(jī)系統(tǒng)，再將雙機(jī)系統(tǒng)等效為無(wú)窮大單機(jī)系統(tǒng)，最后利用等面積準(zhǔn)則進(jìn)行穩(wěn)定性判別，這也就是所謂的EEAC[12-14]。其等效過(guò)程如下。

設(shè)n機(jī)系統(tǒng)中每臺(tái)機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

由式（8）可知，電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定問(wèn)題可以用一個(gè)時(shí)變的兩機(jī)系統(tǒng)來(lái)表示，即認(rèn)為電網(wǎng)系統(tǒng)的功角不穩(wěn)定問(wèn)題為兩群機(jī)組功角的相對(duì)擺開(kāi)。因此，HY 電廠新增1 臺(tái)機(jī)組后，與之前的兩臺(tái)機(jī)組均位于領(lǐng)前群或剩余群。當(dāng)CKS變電站220 kV母線發(fā)生三相永久性故障并切除故障時(shí)，電網(wǎng)部分機(jī)組EEAC仿真曲線如圖3所示。

圖3 故障時(shí)電網(wǎng)部分機(jī)組EEAC仿真曲線Fig.3 EEAC simulation curve of some units in the power grid during a fault

3 提高地區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性措施

3.1 擴(kuò)建主變壓器

變壓器的電抗在電網(wǎng)系統(tǒng)總電抗中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，它的電抗減小，對(duì)提高地區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性有著顯著作用。因此該地區(qū)500 kV CKS 變電站主變壓器的擴(kuò)建將減小該變電站的電抗，增加了CKS地區(qū)同某地區(qū)主網(wǎng)的電氣聯(lián)系。此時(shí)領(lǐng)前群機(jī)組同主網(wǎng)的聯(lián)系電抗必然減小，由單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)可知，當(dāng)機(jī)群同網(wǎng)絡(luò)的連接電抗減小時(shí)其電磁功率必然增加，增加了減速面積，減少了增速面積，因此提高了系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性。此外，由于增加了臨界群機(jī)組同電網(wǎng)的電氣聯(lián)系，因此在CKS變電站母線故障時(shí)增強(qiáng)了在故障期間對(duì)領(lǐng)前群機(jī)組電壓的支撐作用，從而提高了HY 電廠機(jī)組故障期間的電壓。

500 kV CKS 變電站擴(kuò)建第3 臺(tái)主變壓器后，當(dāng)HY 電廠3 臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，LW 變電站發(fā)生一回220 kV 母線故障后，LL 變電站220 kV 側(cè)電壓50周波內(nèi)恢復(fù)到0.75（p.u.），滿足運(yùn)行要求。此時(shí)需控制LW 變電站和LL 變電站總負(fù)荷不超過(guò)420 MW，XH變電站負(fù)荷控制到800 MW。當(dāng)HY電廠雙機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行700 MW時(shí)，發(fā)生LW變電站至CKS變電站一回線LW變電站側(cè)故障后，LL變電站220 kV側(cè)電壓50 周波內(nèi)恢復(fù)到0.75（p.u.），滿足運(yùn)行要求。此時(shí)需要控制LW 變電站和LL 變電站總負(fù)荷不超過(guò)920 MW，XH變電站負(fù)荷控制到800 MW。擴(kuò)建主變壓器后CKS地區(qū)接帶負(fù)荷能力提高了29%。

3.2 控制HY電廠機(jī)組出力

控制機(jī)組出力減小了電網(wǎng)系統(tǒng)的機(jī)械功率，并且減少了增速面積，增加了減速面積，從而提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性[15]。CKS變電站主變壓器擴(kuò)建后，為了進(jìn)一步提高地區(qū)接帶負(fù)荷能力，采用控制HY電廠機(jī)組出力的措施，不同出力下LW變電站和LL 變電站負(fù)荷計(jì)算極限如表2 所示。通過(guò)控制HY 電廠機(jī)組出力，地區(qū)接帶負(fù)荷能力逐漸提升，與機(jī)組出力成反比，其變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 HY電廠不同出力下LW變電站和LL變電站負(fù)荷計(jì)算極限變化趨勢(shì)圖Fig.4 Variation trend of load calculation limit of LW substation and LL substation under different outputs of HY power plant

表2 正常運(yùn)行時(shí)不同出力下LW變電站和LL變電站負(fù)荷計(jì)算極限1）Tab.2 Load calculation limit of LW substation and LL substation under different output as operating normally

3.3 快速切除短路故障

快速切除短路故障，除了能減輕電氣設(shè)備因短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)等不良影響外，還對(duì)提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性起決定性作用。加快切除短路故障的速度，可以減小切除角δc，這樣既減小了加速面積，又增大了減速面積，從而提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

若在上述仿真中將220 kV 母線故障切除時(shí)間從0.12 s降為0.1 s，則HY電廠3臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)接帶負(fù)荷可以從420 MW提高到575 MW，提高了約27%。這是因?yàn)槎搪酚鷩?yán)重，短路時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的不平衡功率越大，若減少的切除時(shí)間相同，對(duì)于嚴(yán)重故障，減小的加速動(dòng)能越大，收到的效果也就越大。

3.4 改善發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性

發(fā)電機(jī)本身的參數(shù)主要指發(fā)電機(jī)的直軸同步電抗Xd、直軸暫態(tài)電抗X′d、交軸同步電抗Xq、電磁時(shí)間常數(shù)Tdo和慣性時(shí)間常數(shù)Tk等。發(fā)電機(jī)的電抗在輸電系統(tǒng)總電抗中所占的比重很大。因此減小發(fā)電機(jī)的電抗可以提高系統(tǒng)的功率極限和輸送能力。發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)Tk，對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定有著重要的影響。由公式（1）可知，發(fā)電機(jī)的相對(duì)加速度Ak與Tk成反比，增大Tk可以減小Ak，從而減小發(fā)電機(jī)受擾動(dòng)后轉(zhuǎn)子相對(duì)動(dòng)能的變化量，有利于提高暫態(tài)穩(wěn)定性。但是減小發(fā)電機(jī)的電抗和增大發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)Tk，都需要增大發(fā)電機(jī)的尺寸，這就增加了材料消耗和造價(jià)。

從暫態(tài)穩(wěn)定分析可知，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器有助于提高電力系統(tǒng)功率極限，擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定也能起到良好作用。因此，發(fā)電機(jī)應(yīng)盡可能裝設(shè)高靈敏度的完善的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，特別是應(yīng)裝設(shè)能有效抑制自發(fā)振蕩、更好地維持電壓的新型調(diào)節(jié)器，如電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizator，PSS）、微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等。且自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的價(jià)格較低，經(jīng)濟(jì)性較高。

在HY 電廠的3 臺(tái)機(jī)組中，1 號(hào)和2 號(hào)機(jī)組均裝有PSS，但3 號(hào)機(jī)組沒(méi)有安裝，若給3 號(hào)機(jī)組安裝同等規(guī)格的PSS，根據(jù)仿真可得，HY電廠3臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)接帶負(fù)荷可以從420 MW提高到575 MW，提高了約27%。

3.5 提高領(lǐng)前群機(jī)組機(jī)端電壓和無(wú)功出力

由文獻(xiàn)[11]的推導(dǎo)可得，在發(fā)電機(jī)有功出力不變的情況下，領(lǐng)前群機(jī)組無(wú)功出力和機(jī)端電壓增高可以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性。因此，若在上述仿真中將HY電廠任意一臺(tái)機(jī)組機(jī)端電壓從1（p.u.）提高為1.1（p.u.），則發(fā)生母線故障后，HY 電廠3 臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)接帶負(fù)荷可從420 MW 提高到585 MW，提高了約28%，效果顯著。

3.6 采取切機(jī)措施

減少發(fā)電機(jī)軸的不平衡功率，可以使用增加發(fā)電機(jī)的電磁功率和減少原動(dòng)機(jī)輸入功率的措施。在減少原動(dòng)機(jī)輸入功率方面，如果電網(wǎng)系統(tǒng)備用容量足夠，在切除故障線路的同時(shí)，連鎖切除部分發(fā)電機(jī)，是一種簡(jiǎn)單可行且有效的提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施[16-23]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了HY 電廠第3 臺(tái)機(jī)組投運(yùn)后對(duì)某電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果表明，在HY 電廠第3 臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行后，其母線故障降低了該電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行水平，導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)接帶負(fù)荷能力下降。運(yùn)用等面積準(zhǔn)則和擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析，指出在電網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮送端電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、機(jī)組出力大小以及該地區(qū)短路容量等因素，以避免因送端系統(tǒng)“大機(jī)大負(fù)荷小網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而造成電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定水平下降。最后通過(guò)仿真分析，提出可通過(guò)擴(kuò)建主變壓器、控制機(jī)組出力、快速切除故障、改善發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性、提高領(lǐng)前群機(jī)組機(jī)端電壓和無(wú)功出力及切機(jī)等措施來(lái)提高地區(qū)的暫態(tài)穩(wěn)定性和負(fù)荷水平。