試論機(jī)組跳閘對(duì)電網(wǎng)頻率及電壓穩(wěn)定性的影響

杜澤源 羅熹 張志文

【摘 要】電力供應(yīng)事關(guān)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局，也決定著居民生活質(zhì)量，而機(jī)組跳閘則會(huì)對(duì)電力穩(wěn)定供應(yīng)帶來直接影響。在容量較小的電力系統(tǒng)中機(jī)組跳閘勢(shì)必會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響，低頻切負(fù)荷雖然維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定卻會(huì)導(dǎo)致無功功率大幅增加，電壓瞬間激增，反之切除負(fù)荷量過多又會(huì)導(dǎo)致電壓穩(wěn)定性嚴(yán)重下降，容易損毀設(shè)備。本文從機(jī)組跳閘作為研究的切入點(diǎn)，分析了機(jī)組跳閘后對(duì)電網(wǎng)頻率以及電壓穩(wěn)定性所帶來的不良影響并據(jù)此探討了電抗器應(yīng)用效果，為電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行提供幫助。

【關(guān)鍵詞】機(jī)組跳閘；電網(wǎng)頻率；電壓穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)： TM732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）01-0161-002

Influence of Unit Trip on Power Grid Frequency and Voltage Stability

DU Ze-yuan LUO Xi ZHANG Zhi-wen

（State Grid Hubei Electric Power Co.，Ltd.Shiyan Power Supply Company，Shiyan 442000，China）

【Abstract】The supply of electricity is related to the overall economic development of the country and the quality of life of the residents.However，the unit trip will have a direct impact on the stable supply of electricity.In a smaller power system，the unit trip will inevitably have a serious impact on the system operation.Although the low frequency load shedding maintains the stability of the grid frequency，the reactive power will increase sharply and the voltage surge instantaneously.On the contrary，if the load is cut too much，Resulting in a serious decline in voltage stability， easy to damage the device.In this paper，the tripping of the unit is taken as the starting point of the study. The adverse effects on the frequency and the voltage stability after the tripping of the unit are analyzed. The application effect of the reactor is discussed to provide help for the safe and stable operation of the power network.

【Key words】Unit trip；Grid frequency；Voltage stability

我國地域幅員遼闊，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平參差不齊，各地區(qū)電力系統(tǒng)規(guī)模以及電力結(jié)構(gòu)存在著較大的差異性，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)于大容量、高參數(shù)的電力系統(tǒng)需求較高，而經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)則普遍采用小容量電力系統(tǒng)，一方面滿足本地區(qū)電力供應(yīng)，另一方面有效的避免了電力以及其他能源的浪費(fèi)情形，得到了廣泛的使用[1]。然而，雖然小容量電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量較低，但50MW及以上的機(jī)組占比卻處于較高水平，在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組跳閘情形并非罕見，電網(wǎng)頻率以及電壓穩(wěn)定性亦會(huì)受到不同程度影響，所以圍繞此方面內(nèi)容展開研究與分析無疑具有重要研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 小容量電力系統(tǒng)特點(diǎn)

小容量電力系統(tǒng)多用于偏遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，但隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及精準(zhǔn)扶貧的深入開展，該類地區(qū)對(duì)于電力的需求隨之提高，既往所使用的小容量電力系統(tǒng)逐漸無法滿足電力供應(yīng)需求，機(jī)組跳閘情形屢屢發(fā)生，已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。本文中小容量電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)自身負(fù)荷相對(duì)較小并且受覆蓋范圍的影響，負(fù)荷分布極為不均，峰谷之間的差值尤為明顯，繼而引發(fā)無功功率過剩情形。距離電站較遠(yuǎn)的地區(qū)負(fù)荷較低，故此在系統(tǒng)布局上采取220kV線路傳輸?shù)牟呗裕朔N方式電力輸送功率遠(yuǎn)低于電路自身的自然功率。此外，目前我國普遍使用的220kV線路多為雙分裂導(dǎo)線，在電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)充電功率大，由此所致的無功過剩情形更為明顯[2]。當(dāng)50MW及以上的機(jī)組跳閘之后雖然無功功率隨之下降，但大量無功負(fù)荷亦被同時(shí)切除，故此無功功率的總量并未明顯降低，反而處于持續(xù)增加之中。所以小容量電力系統(tǒng)中50MW及以上的機(jī)組跳閘后進(jìn)一步加劇了無功功率過剩情形，導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)，瞬間電壓激增并長(zhǎng)期處于高電壓負(fù)荷運(yùn)行。

2 機(jī)組跳閘對(duì)電網(wǎng)頻率及電壓穩(wěn)定性的影響

本文中小容量電力系統(tǒng)一共安裝了2臺(tái)50MW發(fā)電機(jī)組負(fù)責(zé)日常的電力供應(yīng)。由于本地區(qū)晚間18：00～22：00為用電高峰時(shí)段，晚高峰對(duì)于電力的需求更為強(qiáng)烈。當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)跳閘后無功功率瞬間激增，電壓驟變之下對(duì)電網(wǎng)頻率以及電壓穩(wěn)定性均會(huì)帶來直接影響，而協(xié)同效應(yīng)（Synergy Effects）下另一臺(tái)機(jī)組亦會(huì)受此影響相繼出現(xiàn)跳閘情形。因本地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，電力系統(tǒng)備用容量建設(shè)滯后，使得兩臺(tái)50MW發(fā)電機(jī)跳閘后備用容量嚴(yán)重不足，從而造成了電網(wǎng)頻率急劇下降，在第1輪、第2輪即發(fā)生動(dòng)作。在切除大量負(fù)荷之后整個(gè)電力系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率在跳閘情形發(fā)生后5s左右級(jí)恢復(fù)至正常負(fù)荷電壓，其余低功率發(fā)電機(jī)在調(diào)速作用下于25s后振蕩得到了有效恢復(fù)并接近于額定頻率。在22：00～次日6：00則屬于低谷時(shí)段，發(fā)電機(jī)組跳閘之后整個(gè)電力系統(tǒng)存在明顯的功率缺額情形，在第1輪動(dòng)作中電力系統(tǒng)將過高的負(fù)荷切除，使得電網(wǎng)頻率呈現(xiàn)出了典型的振蕩衰減表現(xiàn)，系統(tǒng)潮流流向明顯改變并對(duì)低頻振蕩帶來了強(qiáng)烈的干擾，在最初的40s內(nèi)整個(gè)振蕩頻率維持在0.25Hz～0.6Hz之間，40s之后系統(tǒng)頻率加減衰減并趨向于穩(wěn)定。具體的高峰時(shí)段以及低谷時(shí)段電網(wǎng)頻率曲線如下圖1所示。

為了保障電力的平穩(wěn)供應(yīng)以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，小容量電力系統(tǒng)之中普遍安裝有低頻減載裝置以實(shí)現(xiàn)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有功負(fù)荷的切除，與此同時(shí)大量的無功負(fù)荷亦會(huì)隨之被切除，使得不同地區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)線潮流大幅降低，充電功率持續(xù)增加之下電壓隨之升高，輸電線路中充電功率亦隨之發(fā)生正向改變，造成系統(tǒng)電壓失衡[3]。用電高峰時(shí)段處于供電系統(tǒng)邊緣的地區(qū)供電呈現(xiàn)出瞬間過電壓情形，具有高電壓幅值、長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)、劇烈波動(dòng)等特點(diǎn)，即便是暫態(tài)過程結(jié)束電壓幅值依然居高不下，使得電壓質(zhì)量十分低下并對(duì)繼電保護(hù)裝置的準(zhǔn)確啟動(dòng)帶來不良影響。標(biāo)準(zhǔn)220kV供電系統(tǒng)中機(jī)組跳閘后瞬間電壓最高能夠達(dá)到242kV，暫態(tài)過程結(jié)束后依然維持于高電位（240kV）。用電低谷時(shí)段機(jī)組跳閘時(shí)整個(gè)電網(wǎng)頻率以低頻振蕩為表現(xiàn)，整個(gè)電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)尤為強(qiáng)烈，振蕩幅度一般在0.95（p.u.）～1.15（p.u.），在1min后震蕩幅度漸漸趨于平穩(wěn)，維持在1.07（p.u.）。當(dāng)降低至0.05（p.u.）時(shí)電壓最高可達(dá)248kV。故此通過上述分析可知，機(jī)組跳閘后均會(huì)給電網(wǎng)頻率及電壓穩(wěn)定性帶來不良影響。

3 電抗器應(yīng)用后電網(wǎng)頻率及電壓穩(wěn)定性的影響

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種保護(hù)監(jiān)控裝置陸續(xù)走入電力行業(yè)之中。針對(duì)機(jī)組跳閘對(duì)電網(wǎng)頻率以及電壓穩(wěn)定性帶來的不良影響，本文采取了加用電抗器的處置策略。該裝置既屬于保護(hù)監(jiān)控裝置，又為進(jìn)線備自投裝置，集保護(hù)、監(jiān)視、控制、人機(jī)接口和通訊等多種功能于一身，在本質(zhì)上是以電流、電壓保護(hù)為基本配置的數(shù)字式保護(hù)單元，尤為適用于小容量電力系統(tǒng)。將其接入電力系統(tǒng)后經(jīng)過勵(lì)磁變壓器變壓后形成中壓，通過改變調(diào)頻電源輸出頻率以促使電流回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，再調(diào)節(jié)調(diào)頻電源輸出電壓，促使電壓維持在穩(wěn)定的數(shù)值。本文中電抗器應(yīng)用后高峰時(shí)段整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓瞬時(shí)值、穩(wěn)態(tài)值均較之前大幅降低，而低谷時(shí)段雖然電壓瞬時(shí)值雖然并未徹底消除振蕩，但偏遠(yuǎn)地區(qū)的電壓瞬時(shí)值、穩(wěn)態(tài)值已得到了一定控制，有效的抑制了低頻振蕩，具體數(shù)值見下表1。

由上表結(jié)果可知，電抗器應(yīng)用后小容量電力系統(tǒng)電壓更為穩(wěn)定，而隨著電壓穩(wěn)定性的提高，電網(wǎng)頻率同樣能夠得到有效調(diào)整，加之該裝置采用32位單片微型計(jì)算機(jī)作為微控制器芯片，內(nèi)置有大容量的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和閃存，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯處理和信息存儲(chǔ)能力，無論是可靠性還是運(yùn)行速度均極佳，不失為一種理想的處置手段。

4 小結(jié)

綜上所述，機(jī)組跳閘后將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)無功功率大幅提高，電壓瞬時(shí)激增，使得電網(wǎng)頻率異常波動(dòng)，電壓穩(wěn)定性嚴(yán)重下降，時(shí)間過長(zhǎng)容易對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備帶來損害。電抗器的使用則有效的解決了電器跳閘所引發(fā)的電網(wǎng)頻率異常以及電壓不穩(wěn)情形，可作為一種優(yōu)選處置手段推廣使用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鞏曉玲，樊艷芳，鐘顯，等.±800kV天中特高壓直流送端系統(tǒng)安全穩(wěn)定性分析[J].高壓電器，2017，53（08）：43-48+54.

[2]崔永江.一起機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)大機(jī)組跳閘非停事件的原因分析及防范措施[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（09）：42.

[3]李學(xué)偉，姚常青，高嵩.MaxDNA控制系統(tǒng)DPU頻繁切換導(dǎo)致機(jī)組跳閘故障分析[J].山東電力技術(shù)，2017，44（03）：70-73.