電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性措施分析

國網(wǎng)鐵嶺供電公司 畢守東

電力企業(yè)在經(jīng)營生產(chǎn)的時候，對電力系統(tǒng)輸變電的正常穩(wěn)定運(yùn)行情況的依賴性較高，這是保證電力系統(tǒng)得以穩(wěn)定安全工作的重要條件之一。為了能夠同時有效率地保證目前我國現(xiàn)有電力企業(yè)的供電業(yè)務(wù)可以長期保持良性健康、有序發(fā)展，也為了能夠有效確保目前現(xiàn)有電力系統(tǒng)正常經(jīng)營運(yùn)行的業(yè)務(wù)穩(wěn)定性和安全性[1]，對目前我國現(xiàn)有電力系統(tǒng)中各個輸變電站在正常運(yùn)行過程中的故障發(fā)生情況進(jìn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，找到相應(yīng)的有效故障以及解決對策，是非常有必要的。

1 電力系統(tǒng)失穩(wěn)的原因

突然大負(fù)荷轉(zhuǎn)移而引起連鎖反應(yīng)。由于我國動力系統(tǒng)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不完善，當(dāng)某一條單向帶回多臺變電機(jī)的線路突然同時發(fā)生連鎖電流連續(xù)跳閘時，該回變電線路所同時攜帶的多臺變電機(jī)大負(fù)荷連續(xù)轉(zhuǎn)移就會疊加影響到多個臨近的變電線路上，有較大的概率會導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)的變電線路發(fā)生振蕩[2]。

發(fā)電設(shè)備輸出功率的穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)能夠正常工作運(yùn)行的一種重要表現(xiàn)形式是電力系統(tǒng)中所有的電力機(jī)能夠?qū)崟r進(jìn)行同步正常工作運(yùn)行，如果電力機(jī)的實時工作順序有先后、沒有達(dá)到同步，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)不能向每個用戶進(jìn)行正常輸供電[3]。

2 電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本狀態(tài)及種類

2.1 電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本狀態(tài)

假若一個大型電力系統(tǒng)的總正常工作負(fù)荷功率與電力系統(tǒng)中的總負(fù)荷容量隨工作時間的變化相等，那么我們可以認(rèn)為該系統(tǒng)作為整個電力系統(tǒng)正常的工作負(fù)荷運(yùn)行，用一種類似數(shù)學(xué)上的基本公式來將其表示：

式（1）和（2）中PG 代表發(fā)電機(jī)的有功功率；QG 表示發(fā)電機(jī)的無功功率；PL 表示所有有功負(fù)荷；QL 表示所有無功負(fù)荷；ΔP 表示電力系統(tǒng)中所有有功的損耗；ΔQ 表示電力系統(tǒng)中所有無功的損耗。

2.2 電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性種類

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行安全狀態(tài)的基本穩(wěn)定性主要包含以下幾種[3-4]。

電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定：當(dāng)正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)受到外界的干擾后，基于自身系統(tǒng)穩(wěn)定性自動調(diào)節(jié)，經(jīng)過一個暫態(tài)過程后能恢復(fù)到新的全部穩(wěn)態(tài)，并且保證電力系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)，即為靜態(tài)穩(wěn)定。

電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定：當(dāng)電力系統(tǒng)受到外界的干擾后，在經(jīng)歷暫態(tài)過程后，恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)或者重新達(dá)到新的運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)，即說明該電力系統(tǒng)在這種靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行具有暫態(tài)穩(wěn)定。

電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定：在一個大規(guī)模的電力系統(tǒng)中，一個外界干擾的影響有時會在干擾發(fā)生之后的幾十秒鐘甚至或者更長一段時間內(nèi)才在電力系統(tǒng)內(nèi)表現(xiàn)出來，這對電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性的直接影響往往是難以預(yù)計的，因此造成的后果也無法估量，所以維持電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定十分有必要。

3 保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的措施

3.1 快速切除故障及重合閘裝置

不斷加快故障切除速度不但可以有效防止單相同步交流發(fā)電機(jī)超過運(yùn)行暫態(tài)穩(wěn)定區(qū)，在另一角度來說，電力系統(tǒng)中發(fā)生繼電故障后一些保護(hù)設(shè)備由于線路承受了超過負(fù)荷的電流量，容易發(fā)生過熱甚至火災(zāi)爆炸等危險，從而引發(fā)更加嚴(yán)重的安全事故，若發(fā)現(xiàn)故障切除時間逐漸加快，減少過熱的電流發(fā)生時間，可較大概率避免電力系統(tǒng)設(shè)備遭到損壞，防止故障事故范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性[5-6]。為了有效減少故障保護(hù)的切除動作時間，可以考慮從提高單相繼電保護(hù)設(shè)備的工作性能上著手。根據(jù)前期大量研究可知，雙回線路的故障切除速度提高一倍，則在三相短路情況出現(xiàn)時，其暫態(tài)穩(wěn)定臨界值將達(dá)到82%（原本臨界值為45%）；當(dāng)單相短路時，其暫態(tài)穩(wěn)定臨界值將達(dá)到98%（原本臨界值為94%）。

3.2 減少系統(tǒng)的總電抗

從簡單傳輸電力系統(tǒng)的整體功率限制極限系數(shù)表達(dá)式中可以明顯看出，系統(tǒng)的輸電最大功率與電力系統(tǒng)的整體電抗成反比例關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)的整體電抗越大，則電力系統(tǒng)的功率極限就越小，反之則越大，同時其穩(wěn)定性也越高。在電力系統(tǒng)設(shè)計中，系統(tǒng)中的電力設(shè)備力求做到最小電抗以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但這與設(shè)備材料有關(guān)，例如發(fā)電機(jī)和電力變壓器的結(jié)構(gòu)電抗與它們的整體結(jié)構(gòu)電抗尺寸大小有關(guān)，一般在針對發(fā)電機(jī)和電力變壓器進(jìn)行設(shè)計時，已開始考慮在相同投資和使用材料相同的電力條件，力求能夠使它們的結(jié)構(gòu)電抗尺寸減小[7]。若交流發(fā)電機(jī)或這變壓器等設(shè)備內(nèi)部具有自動勵磁電流調(diào)節(jié)器，其電抗已經(jīng)降低到極限值，再通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計來降低電抗沒有意義，所以自耦變壓器可以在高壓電力系統(tǒng)中應(yīng)用，以減少系統(tǒng)的電抗。

對于交電變壓器而言，其電抗短路性和陽抗直接性的影響關(guān)系到設(shè)備制造商的成本和設(shè)備運(yùn)行管理性能，也因此不宜進(jìn)行改變。自來電耦合式直流變壓器本身不僅具有除了短路損耗小、體積小、價格便宜的諸多優(yōu)點外，它的各種短路短阻電抗也較小，對于應(yīng)用于不斷提高資源線路傳輸穩(wěn)定性有利，故在各種超高壓下的短路傳輸電力系統(tǒng)中已經(jīng)逐漸得到技術(shù)普及應(yīng)用。相對而言，設(shè)法有效地減少對短路傳輸資源電線的各種短路短阻電抗，則顯然也只能是有法可循的幾種解決方法途徑。主要幾種解決途徑方法之一就是通過直接采用一種線性分裂式的短阻導(dǎo)線，這樣的方法不僅可以直接式地使其在傳輸電源線路上的短阻電抗達(dá)到約略或稍微減少20%，而且還能有效地減少或大大避免由于電暈所起的作用力而引起的各種傳輸線路上有功功率的損耗。減少電動輸電線路上電抗的另一種方法是直接采用一個串聯(lián)補(bǔ)償電容進(jìn)行補(bǔ)償。一般來說，補(bǔ)償?shù)姆仍酱螅瑢ο到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定越有利，但過大的電容補(bǔ)償度過大可能還會引起電動發(fā)電機(jī)的自勵磁等短路異常情況，影響傳輸線路電源繼電保護(hù)的正確執(zhí)行動作，增大電源短路保護(hù)電流等，—般情況取決于補(bǔ)償?shù)姆葹?2-05。

3.3 應(yīng)用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（P SS）

PSS 引入頻率偏差Δf 信號，以補(bǔ)償僅以電壓偏差為控制器及調(diào)節(jié)器和勵磁繞阻的慢性引起的調(diào)節(jié)對轉(zhuǎn)子角的相位滯后。方框圖如圖1所示：輸入信號為大軸轉(zhuǎn)速(ω)頻率(f)，輸出信號為參量的偏差(Δω)或(Δf)。相位補(bǔ)償要求輸出信號應(yīng)超前于振蕩角輸出信號與電壓偏差信號一起接入自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)，見圖1。

圖1 PSS 流程方框圖

（1）抑制系統(tǒng)低頻振蕩。一般來說，電力系統(tǒng)的頻率處于0.5Hz～2Hz，特別是互聯(lián)的低頻振蕩系統(tǒng)，其不同的運(yùn)行環(huán)境，振蕩的次數(shù)不同，從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)看，美國西北部與西南電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，導(dǎo)致西北電網(wǎng)每分鐘出現(xiàn)三周的振蕩，并且西南電網(wǎng)每分鐘十二周的振蕩。

（2）提高暫態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置PSS 時，系統(tǒng)的暫態(tài)自動穩(wěn)定極度得到有效的提升。但從實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在不同的電力環(huán)境和系統(tǒng)中，PSS所產(chǎn)生的效果還取決于故障的類型以及產(chǎn)生的地點。依據(jù)前期工程實際數(shù)據(jù)信息，可以發(fā)現(xiàn)快速勵磁抑制系統(tǒng)由于增加了PSS，當(dāng)其失穩(wěn)后，其搖擺過程會極大縮減，對于短路故障，其功率搖擺僅僅3次內(nèi)即可恢復(fù)正常。本文研究中以西電東送的桃西線作為實際研究對象，并且輸電機(jī)組的功率為50萬kW，采用上述措施后，人為設(shè)置三相短路故障，并且在0.1s 后快速切斷電力故障，觀察電力系統(tǒng)在有PSS 和無PSS 情況下的功率曲線。從圖上我們可以明顯看出，沒有PSS 時，在圖中計算輸送過程最后一個功擺的相對反向功率為34。而裝有PSS后，與之相對應(yīng)的反向功率為23，同時功率收斂趨勢非常明顯。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)本身是由電力發(fā)電、供電和設(shè)備用電三者共同組合而成的一個巨大整體，三者之間相互存在聯(lián)系，互相產(chǎn)生影響，某一個基本因素一旦出現(xiàn)嚴(yán)重問題、發(fā)生嚴(yán)重障礙，都會互相影響涉及到其他兩個元素，甚至?xí)昙罢麄€電力系統(tǒng)。因此，當(dāng)一個電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行生產(chǎn)秩序受到嚴(yán)重破壞時，電力系統(tǒng)必然需要自發(fā)在較短時間內(nèi)予以消除各種擾亂，維持系統(tǒng)整體的正常穩(wěn)定運(yùn)行，這是一個電力系統(tǒng)自身應(yīng)該具備的穩(wěn)定正常運(yùn)行的平衡能力。這種平衡能力的強(qiáng)弱主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備運(yùn)行性能和系統(tǒng)運(yùn)行管理參數(shù)等等諸多方面影響因素。由上述可見，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運(yùn)行的重要性可見一斑。