電網穩定限制的機組進相能力分析范文

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摘要:

對電網靜態穩定和暫態穩定限制下的機組進相運行能力進行了分析。首先在分析靜態穩定限制機組進相運行機理的基礎上估算了靜態穩定對機組進相能力的限制。然后考慮不同運行方式，計算了機組在暫態穩定限制下的進相運行能力。最后通過對比現場進相試驗得到的發電機進相運行能力，得到了靜態穩定不是限制發電機進相能力主要因素，暫態穩定限制與運行方式緊密相關，進行進相運行物理試驗前應考慮暫態穩定限制進行進相運行仿真的結論，并給出了對發電機進相運行能力研究的改進方案。論文成果對于發電機進相運行能力的研究和進相試驗方案的改進有參考意義。

關鍵詞:

靜態穩定;暫態穩定;穩定限制;進相能力

0引言

隨著大容量遠距離輸送電力的現代化電網的建設和發展，電力系統低谷運行時電壓偏高的問題日益突出，嚴重影響著設備和電網安全［1］，利用發電機進相運行能力進行電壓調整的方式因具有易于實現、調節平滑和無需額外投資的優勢而得到了廣泛應用［2－4］。隨著特高壓輸電工程的投運，電力輸送線路的充電無功功率將日益增大，在負荷低谷時，線路充電功率將使系統的電壓上升以至接近或超過系統運行電壓的上限。華北電網執行逆調壓方式，對電壓的調整能力要求更為嚴格，核定省網調度發電機的進相運行能力，為調度機構提供可供電壓調整參考的量化依據是重要且迫切的任務。現階段關于機組進相運行能力的研究已較多，文獻［5－12］具有一定代表性:文獻［5］研究了基于動模試驗分析大型發電機深度進相特性的方法，得到了影響試驗精度的因素;文獻［6］分析了限制進相運行能力的多個原因，得到端部熱過問題不再限制大型汽輪發電機進相運行的結論;文獻［7］建立發電機聯接電網的簡化模型，推導并提出了快速估算發電機進相運行能力的方法;文獻［8］對比了PSCAD軟件仿真和現場進相試驗結果，得到仿真試驗與現場試驗結果誤差很小的結論;文獻［9］提出了一種基于相關向量機的發電機進相能力模型，繼而分析有功功率和無功功率一定情況下發電機進相的調壓效果和進相運行的功角;文獻［10－12］以實際發電機作為研究對象，總結了進相運行的相關經驗。但以上研究均未聯系實際電網考慮機組的進相能力，得到研究成果為方向性或結論性內容，在量化指導調度進行電壓調整方面依據不足。本文將研究電網穩定對發電機進相運行的限制，計算考慮靜態穩定、暫態穩定限制的機組進相能力，并通過與現場試驗得到的機組進相能力進行對比，為機組進相試驗和調度方案制定提供建議。

1分析對象描述

滄州區域電網中，某2×350MW火力發電廠通過220kV變電站A接入電網，其結構如圖1所示。ABCDEF分別為220kV變電站，滄西站為500kV變電站。兩隱極發電機組參數相同，均采用單元接線方式。在影響機組進相運行能力的6個影響因素［4］中，發電機機端和廠用母線電壓降低、定子過流、定子端部過熱、邊端鐵心片絕緣安全受制于發電廠設備的物理結構;靜態穩定限制和暫態穩定限制則受到電網運行狀態的影響。按照文獻［13－14］要求，考慮發電廠設備限制對機組進行進相試驗得到其在不同有功功率下的進相運行能力如表1所示，本文將考慮靜態穩定限制和暫態穩定限制，研究機組的進相運行能力。

2靜態穩定限制分析

2.1靜態穩定限制機理

不考慮勵磁調節的隱極發電機的電磁功率為Pe=EqUXdsinδ(1)式中:δ為發電機內電勢Eq和系統電壓U的夾角;Xd為直軸電抗，對應向量圖如圖2所示。穩態運行時發電機輸出的電磁功率Pe與原動機輸入功率Pm相等。功率特性如圖3所示，正常運行時發電機運行于Pe(1)曲線上的a點，發電機進相運行時Eq因機組吸收無功功率而減小，此時機組運行于Pe(2)曲線上的b點，機組的靜態穩定裕度由ge變為ce。當機組進相深度繼續增加，使Pe(3)曲線上的最高點d仍然小于或等于機組原動機出力Pm時，機組進相深度受到靜態穩定的限制。

2.2靜態穩定限制估算

采用實際電網離線數據，以1000MW為基準容量(SB)，應用PSD-SCCP短路電流程序計算得到發電廠高壓母線處系統等值阻抗Xs為0.0290+j0.1614，升壓變壓器漏抗XT為0.4286，發電機直軸暫態電抗X'd為0.6841。略去電阻的簡化等效系統如圖4所示。考慮一臺發電機額定功率(Pe=0.35SB)進相運行且靜態穩定不受限，則需要Pe＜EqUXs+XT+X'd(2)即Eq＞(Xs+XT+X'd)PeU(3)代入已知數據，得到進相運行后Eq需大于0.4459p．u．。實際進相運行中不可能將Eq降至0.4459p．u．，根據技術標準［14］應將發電機欠勵電壓限制在5%以內，可知發電機滿足靜態穩定要求，且具有充足裕度。

3暫態穩定限制分析

考慮電網穩定的要求，需滿足運行中出現暫態故障線路N－1時系統保持穩定。采用華北電網離線數據，應用PSD-BPA軟件對該電廠發電機進相運行時發生暫態故障進行仿真。經計算，在各種暫態故障中，發電廠出線電廠側發生三相短路的故障形式對暫態穩定影響最為嚴重。

3.1單機組并網方式進相分析

該電廠只有一臺發電機并網且其進相運行時，考慮暫態穩定限制，機組在不同有功功率下的進相運行能力如表2所示。若機組超過進相能力增加進相深度，則在發電廠出線處發生三相短路時機組將失去同步穩定。以發電機額定功率進相運行吸收45MVar無功為例，進相運行前后的電氣參數變化如圖5所示。由圖中可見，發電廠高壓母線電壓由230kV降至進相運行后的219.5kV，發電廠無功出力由122MVar變為－45MVar，發電廠有功出力在進相過程中出現小幅波動，進相運行后有功功率穩定在額定值，發生三相短路故障后電壓、功角均可保持穩定。

3.2雙機組并網單機組進相方式分析

該電廠兩臺發電機并網運行，且一臺以額定功率遲相運行另一臺進相運行時，考慮暫態穩定限制，機組在不同有功功率下的進相運行能力如表3所示。若機組超過進相能力增加進相深度，則在發電廠出線處發生三相短路時機組將失去同步穩定。以兩臺發電機額定功率運行、一臺進相運行吸收47MVar無功為例，對應的母線電壓及發電機出力響應如圖6所示。由圖可見，發電廠高壓母線電壓由232.5kV降至進相運行后的226.6kV，發電廠無功出力則由85MVar變為－47MVar和140MVar，故障后電壓恢復至正常水平，兩發電機有功出力經振蕩后恢復至額定功率，系統可保持穩定。

3.3雙機組并網雙機進相方式分析

該電廠兩臺發電機并網運行，且兩臺發電機同步進相運行時，考慮暫態穩定限制，機組在不同有功功率下的進相運行能力如表4所示。若機組超過進相能力增加進相深度，則在發電廠出線處發生三相短路時機組將失去同步穩定。以兩臺發電機額定功率運行、且均發出7MVar無功為例，對應的高壓母線電壓及機組無功出力響應情況如圖7所示。由圖可見，發電廠高壓母線電壓由232.3kV降至最低無功出力運行后的222.0kV，發電廠無功出力則由85MVar變為7MVar，故障后電壓恢復至正常水平，發電機有功出力經振蕩后恢復至額定功率，系統可保持穩定。

4不同限制的進相能力對比及建議

4.1進相能力對比

由以上分析可知，該發電廠的進相能力不受靜態穩定限制且靜態穩定裕度充足，進相能力因受暫態穩定限制而不能繼續增加進相深度。如圖8所示，考慮滿足電網暫態故障N－1安全需求時，不同的運行方式下發電機的進相運行能力不同。雙機組共同進相運行時，機組受暫態穩定限制的進相能力最低;而雙機組運行單機組進相時，進相運行機組受暫態穩定限制的進相能力最高。最高方式在機組三種有功出力運行狀態下吸收的無功之和比最低方式高約62%，說明與進相運行機組并列運行的遲相運行機組增發無功，利于系統保持暫態穩定。由此可見機組進相能力需聯系實際的運行方式進行討論。

4.2調整建議

在多數情況下，發電機進相能力均首先考慮受發電廠設備限制而不能繼續增加進相深度。但在某些運行方式下，考慮電網暫態穩定限制的進相能力卻有可能低于考慮發電廠設備限制的進相能力。因此特定運行方式下進行發電廠進相試驗或進相運行時，存在暫態故障后發電機失去同步穩定的風險，將這種情況下進相試驗得到的發電機進相能力用于直接指導調度運行存在不足。針對這一問題，本文提出改進發電機進相能力的技術方案如圖9所示，其中實線框表示現有技術流程，虛線框表示本文建議增加的技術流程。建議在進行發電廠現場試驗前，采用實際電網的離線數據，考慮運行中可能出現的風險運行方式，通過仿真分析獲得考慮電網安全穩定需求的進相運行能力，應用所得結論指導進相試驗的開展，以規避進相試驗中因進相過深導致超過電網安全限制邊界而可能出現的電網穩定風險。此外，雖然靜態穩定不是限制進相運行的主要因素，但在具備條件時仍建議進行計算分析。根據工程經驗，發電廠低壓母線電壓低于限值(0.95UN)是最為常見的限制因素，因此建議進相試驗前，預先進行仿真分析。這樣，在應用試驗前的分析指導進相試驗開展的基礎上，綜合考慮發電廠物理限制因素和電網安全穩定限制因素來制定合理的建議指導調度的電壓調整將更加科學、合理。對于未考慮電網安全限制因素，已完成進相試驗得到的進相運行結論，在應用其指導調度電壓調整前，可考慮結合電網、電廠可能出現的風險運行方式進行仿真校核，進一步提高指導的準確性和合理性。

5結論

本文對實際電網中的發電廠進行了考慮靜態穩定和暫態穩定限制的進相能力分析，并與現場試驗得到的進相能力進行了對比，結論如下:(1)實際系統中靜態穩定限制一般不會成為限制發電機進相運行能力的主要因素，暫態穩定對發電機進相運行能力的限制因運行方式的不同而存在差異。(2)在按照現行技術標準進行發電廠進相運行試驗時，為避免試驗中突發的暫態故障導致發電機失去同步穩定發生跳機故障，應在試驗前進行進相運行的暫態仿真計算。(3)應考慮電廠進相試驗和電網安全穩定限制兩個因素，來綜合考慮發電機的進相運行能力。將進相能力用于指導調度運行時，應結合運行方式進行安全校核。

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作者:劉翔宇 何玉靈 周文 劉清泉 常永亮 孟凡超 單位:國網河北省電力公司電力科學研究院 華北電力大學設備故障診斷與檢測技術研究所