廠用電低壓交流接觸器性能對交流電網(wǎng)穩(wěn)定性影響分析

朱建華，厲志波，劉 震，祁曉笑

(1.潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，鄭州 450000； 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011)

0 引 言

哈密-鄭州±800 kV特高壓直流工程(簡稱天中直流工程)的投運增加了疆電外送的輸送能力，對東疆過剩的新能源形成良好的消納通道。近年來圍繞著提高天中直流通道輸送極限的問題，國家電網(wǎng)公司采用配置調(diào)相機[1]、改造配套火電機組的輔機電壓耐受能力[2]、提升直流近區(qū)風(fēng)電機組的耐受高、低壓穿越能力[3]等措施，有效提升了天中直流送端電網(wǎng)直流換相失敗的耐受能力。

直流近區(qū)逆變側(cè)交流高壓母線發(fā)生短路故障時，會引起直流換相失敗，造成送端系統(tǒng)有功大量過剩，有功不平衡。其次，直流運行時交流母線配套有大量的交流濾波器，直流換相失敗也會導(dǎo)致無功大量盈余，電容器無法迅速切除，交流側(cè)電網(wǎng)出現(xiàn)嚴重的過電壓。為保持交流電網(wǎng)穩(wěn)定，更好抑制直流換相失敗期間引起的過電壓，一般采用快速無功補償設(shè)備來抑制換相失敗產(chǎn)生的過電壓[4-6]。與此同時，交流母線故障時，直流近區(qū)的配套火電機組的強勵功能動作。由于火電機組配置有大量高壓輔機，這些高壓輔機遭受暫態(tài)過電壓擾動后會先于發(fā)電機脫網(wǎng)，進而導(dǎo)致配套機組脫網(wǎng)。為避免此類事件發(fā)生，文獻[7]對火電重要輔機耐受極端電壓能力做出專門規(guī)定，但對火電400 V母線的交流接觸器性能未做出規(guī)定，主要原因是400 V母線交流接觸器數(shù)量眾多，且多數(shù)接觸器對系統(tǒng)影響有限，但少數(shù)交流接觸器跳開會導(dǎo)致機組脫網(wǎng)。已有主網(wǎng)故障產(chǎn)生的暫態(tài)電壓傳遞至低壓系統(tǒng)側(cè)，進而引發(fā)大范圍的低壓脫扣器誤跳閘，致使用戶重要負荷損失[8-10]，但關(guān)于交流接觸器性能對大電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究較少。

目前交流接觸器的研究屬于配網(wǎng)研究范圍，文獻[11]將交流接觸器對電壓暫降的影響進行了仿真分析，該模型考慮了接觸器的機械結(jié)構(gòu)，更加準確地模擬了交流接觸器的物理特性。文獻[12]考慮了交流接觸器的非單調(diào)特性。文獻[13]研究了電壓暫降起始點對交流接觸器動作特性的影響。文獻[14]選取了多個廠家的接觸器進行了試驗研究，使得研究模型更有通用性。文獻[15]建立三維交流接觸器模型，更準確模擬交流接觸器性能。上述文獻將交流接觸器對暫態(tài)電壓響應(yīng)進行多維度的研究，但關(guān)于交流接觸器暫態(tài)特性對大電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響鮮有涉及。

在上述文獻基礎(chǔ)上，考慮火電廠400 V母線接觸器暫態(tài)特性對天中直流連鎖反應(yīng)的特殊影響。首先根據(jù)500 kV側(cè)高壓系統(tǒng)短路時400 V母線電壓與高壓側(cè)參數(shù)、發(fā)電廠參數(shù)的關(guān)系，給出400 V母線電壓與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系；其次考慮到500 kV高壓系統(tǒng)的短路故障切除時間及故障距離對400 V母線電壓的影響，對400 V母線電壓偏低導(dǎo)致交流接觸器動作后的全廠失電邏輯進行梳理，論述了400 V交流接觸器動作特性對天中直流系統(tǒng)的影響；最后在仿真平臺上建立仿真模型，計算和對比考慮交流接觸器前后的天中直流時域仿真波形。

1 發(fā)電廠廠用電模型

1.1 低壓廠用電母線電壓計算

天中直流的配套火電電源一般采用單元組接線，對應(yīng)的廠用電接線圖如圖1所示。

圖1 配套電源廠內(nèi)簡化接線圖

圖1中廠用電系統(tǒng)分為高壓側(cè)廠用電和低壓廠用電。高壓廠用電系統(tǒng)電壓等級為6 kV或 10 kV。低壓廠用系統(tǒng)電壓為400 V。高壓廠用電系統(tǒng)接在發(fā)電機出口母線上，低壓廠用電系統(tǒng)通過變壓器接在高壓廠用電母線上。

當(dāng)升壓變高壓側(cè)發(fā)生短路時，發(fā)電機電動勢可以認為恒定不變。短路時發(fā)電機機端電壓為

UG=E′q-X′di″

(1)

式中：E′q為發(fā)電機暫態(tài)電動勢；X′d為發(fā)電機暫態(tài)電抗；i″為短路時刻流過發(fā)電機的機端電流。上述3個變量均為以發(fā)電機電氣量為基準的標幺值。

假設(shè)發(fā)電機至短路點之間的電抗為Xs，則短路電流的表達式為

i″=1/Xs

(2)

綜合式(1)和式(2)，機端電壓的表達式為

UG=E′q-X′d/Xs

(3)

當(dāng)發(fā)電機機端電壓下降時，廠用電母線電壓也會隨之下降。廠用電負荷中含有大量的電動機和變頻器負荷，當(dāng)電壓下降時會呈現(xiàn)復(fù)雜的暫態(tài)效應(yīng)。由于該文討論的故障持續(xù)時間較短，所以忽略負荷的暫態(tài)效應(yīng)，將模型中廠用電負荷等值為靜態(tài)負荷，圖2為廠用電負荷等值電路。

圖2 廠用電負荷等值電路

400 V系統(tǒng)短路電流計算時應(yīng)考慮電阻的影響，為簡化計算，這里只考慮電抗對壓降的作用。根據(jù)圖2所示電路可以計算出低壓廠用電母線電壓UL值為

(4)

式中：XLG為高壓側(cè)負荷的等值電抗；XG為高壓廠用變等值電抗；XLD為低壓側(cè)負載等值電抗；XD為低壓廠用變的等值電抗。

實際中低壓負荷僅考慮少部分重要負荷時，存在如下關(guān)系：

XG

(5)

考慮式(5)中電抗的對應(yīng)關(guān)系，式(4)可以簡化為

(6)

由式(3)、式(4)可知，在高壓側(cè)故障時，低壓廠用電母線UL殘留值與短路位置、發(fā)電機暫態(tài)電抗、高壓側(cè)廠用變電抗、低壓側(cè)廠用變阻抗、低壓廠用電負荷水平密切相關(guān)。

1.2 400 V交流接觸器

1.2.1 400 V交流接觸器性能

文獻[15]給出了交流接觸器的三維模型，為簡化分析，將三維模型簡化為二維模型。交流接觸器低電壓耐受性能為

t≥50 ms
u≤0.5 (p.u.)

(7)

式中：t為故障切除時間；u為發(fā)生故障時的電壓值。當(dāng)400 V母線電壓同時滿足式(7)所示的條件后，交流接觸器將動作跳開；否則，交流接觸器保持合位。

1.2.2 500 kV側(cè)故障對400 V母線電壓影響

天中直流機組配套電源一般為660 MW級別機組，發(fā)電機阻抗X′d為0.27(p.u.)(以發(fā)電機容量為基準)，變壓器阻抗Xt為0.18(p.u.)(以變壓器容量為基準，S=750 MVA)，根據(jù)式(3)可以得出發(fā)電機高壓側(cè)短路時機端電壓值約為0.42(p.u.)，而500 kV母線故障切除時間在90～100 ms之間，在高壓側(cè)故障切除后，所需的時間已大于式(7)所需的交流接觸器跳閘條件，說明500 kV側(cè)故障會導(dǎo)致400 V交流接觸器跳閘。

當(dāng)配套電源遠端發(fā)生短路故障后，發(fā)電機側(cè)的機端電壓受影響較小。假設(shè)500 kV高壓線路單位電抗值為0.27 Ω/km，配套電源機端電壓值降至0.5 (p.u.)所需的線路長度為711 km。實際天中直流聯(lián)絡(luò)變500 kV母線距離電廠距離均小于100 km，所以可以判斷天中換流站聯(lián)絡(luò)變500 kV母線發(fā)生短路后，會導(dǎo)致全部配套電源側(cè)低壓廠用電400 V母線電壓偏低。

1.2.3 400 V交流接觸器導(dǎo)致機組跳機邏輯

當(dāng)母線電壓降低至風(fēng)機潤滑油泵交流接觸器動作范圍內(nèi)，工作段的交流母線接觸器因低電壓動作，動作時間為50 ms。而保安段的交流母線接觸器也會因低電壓動作，無法達到備用切換的作用，切換時間為50 ms。風(fēng)機潤滑油泵站跳閘后，會導(dǎo)致高壓廠用段送風(fēng)機、磨煤機動作跳閘，跳閘時間為100 ms。鍋爐系統(tǒng)失去燃料供應(yīng)后，觸發(fā)主燃料跳閘，進而導(dǎo)致發(fā)電機逆功率動作，熱工保護動作時間為400 ms。從接觸器檢測到低電壓時開始計算，到發(fā)電機跳開主開關(guān)后所需時間為600 ms。

根據(jù)式(7)將400 V交流接觸器和整廠跳閘邏輯簡化為圖3所示。

圖3 交流接觸器和整廠跳閘邏輯

由圖3可知，交流接觸器模型檢測400 V母線電壓，計算出400 V基波正序電壓有效值，判斷該電壓是否同時滿足小于0.5 (p.u.)和持續(xù)時間大于50 ms 的要求。滿足該要求后，將延遲0.6 s對發(fā)電機高壓側(cè)斷路器發(fā)出跳閘命令。延遲環(huán)節(jié)主要模擬交流接觸器跳開后，電廠內(nèi)6 kV段電機保護動作、熱工邏輯判斷和發(fā)電組保護動作所需時間。

2 接觸器性能對天中直流穩(wěn)定性影響分析

逆變側(cè)交流母線發(fā)生嚴重短路故障后，會直接導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，送端交流系統(tǒng)隨后出現(xiàn)有功和容性無功同時過剩，出現(xiàn)嚴重暫態(tài)過電壓，系統(tǒng)頻率也會出現(xiàn)明顯上升。

直流工程由于交流斷路器動作原因，故障后延遲0.2 s才能切除配套交流濾波器，導(dǎo)致交流母線電壓在0.2 s后出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓最為嚴重，過電壓最高值一般在1.15 (p.u.)左右。為保證有功平衡，在故障后0.3 s切除部分配套機組。剩余機組維持交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定。經(jīng)過10 s調(diào)整過程后，系統(tǒng)頻率在達到最高值后緩慢下降。

目前逆變側(cè)交流故障導(dǎo)致直流換相失敗后主要的穩(wěn)控策略如圖4所示。

因接觸器耐受低壓能力不足產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)會導(dǎo)致直流近區(qū)的火電機組跳閘。直流近區(qū)的電源跳機會帶來兩種不利影響：一是給直流換相失敗后的交流電網(wǎng)帶來新的擾動，造成電網(wǎng)新的功率不平衡，需要重新平衡功率；二是直流換相失敗后電壓劇烈波動，需要直流近區(qū)電源的勵磁系統(tǒng)提供電壓支撐，而額外的電源跳機會將惡化系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

天中直流系統(tǒng)整流側(cè)交流500 kV母線發(fā)生三相短路故障后，不會直接導(dǎo)致直流工程換相失敗，對直流工程的擾動相對較小。在考慮交流接觸器暫態(tài)電壓性能后，500 kV母線故障可能會導(dǎo)致直流配套電源全部脫網(wǎng)。配套電源的脫網(wǎng)首先會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率快速下降，對應(yīng)的直流工程需要緊急降功率運行。其次當(dāng)配套機組脫網(wǎng)時，電網(wǎng)出現(xiàn)嚴重的無功過剩，導(dǎo)致交流母線電壓嚴重越上限。

圖4 直流換相失敗后的連鎖反應(yīng)對比

3 仿真分析

在PSASP仿真平臺上搭建天中直流工程的模擬系統(tǒng)，對直流換相失敗的連鎖反應(yīng)進行對比分析。

目前PSASP中沒有專門的暫態(tài)故障卡可用以描述因400 V母線低電壓導(dǎo)致的切機故障，該文采用手動記錄400 V母線電壓降至0.5 (p.u.)時刻為t1，然后在切機卡中設(shè)置t1+0.6 s后延遲切除直流配套電源。

3.1 廠用電故障分析

以某實際電網(wǎng)中天中直流配套電源進行建模，參數(shù)發(fā)電機X′d為0.165，機組容量為660 MW，變壓器容量為750 MVA，短路電壓為20%，20%是指當(dāng)變壓器二次繞組短路，一次繞組流通額定電流而需施加的電壓Uk與額定電壓Un的百分比，對模型進行仿真驗證。

在升壓變500 kV母線上設(shè)置三相短路故障，故障持續(xù)時間為0.1 s。仿真模擬機端電壓和400 V交流母線電壓的變化過程。

為驗證發(fā)電廠廠用電模型對故障造成暫態(tài)壓降的影響，分別將發(fā)電廠廠用電負荷等值為靜態(tài)模型和動態(tài)模型，其中動態(tài)模型選用PSASP中動態(tài)負荷模型，計算和對比兩種負荷模型下的400 V母線電壓變化趨勢，如圖5所示。

圖5 負荷模型對廠用電電壓跌落影響

從圖5可以看出，兩種負荷模型的400 V電壓響應(yīng)曲線差別較小，兩條曲線在故障初期出現(xiàn)一定差異，差別基本在1 V以內(nèi)，占額定電壓的0.25%，說明負荷模型等值為靜態(tài)負荷基本上是可行的。

3.2 整流側(cè)交流系統(tǒng)故障仿真

選取2019年夏大負荷運行方式為仿真計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。模型假設(shè)和穩(wěn)定性判斷標準參考文獻[16]。模型采用2019年潮流數(shù)據(jù)，天中直流輸送功率為6 000 MW，在500 kV聯(lián)絡(luò)變交流母線側(cè)設(shè)置三相接地短路故障，1 s故障，1.1 s切除故障。分別計算考慮和不考慮配套電源中400 V母線交流接觸器暫態(tài)特性的情況，分析交流系統(tǒng)故障后新疆電網(wǎng)的連鎖反應(yīng)。

3.2.1 天中直流系統(tǒng)頻率穩(wěn)定分析

圖6 送端故障下頻率曲線對比

由圖6可知，在不考慮400 V交流接觸器暫態(tài)特性時，交流側(cè)母線發(fā)生三相短路故障后，頻率上升至最高值。故障切除后，頻率逐步恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值。在考慮400 V交流接觸器暫態(tài)特性時，故障切除0.1 s后，由于交流接觸器暫態(tài)性能導(dǎo)致配套電源被切除，頻率下降至49.9 Hz，需要大約10 s時間才能緩慢恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

3.2.2 天中直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析

交流母線故障后，在考慮和不考慮交流接觸器暫態(tài)特性時，仿真得出的系統(tǒng)電壓變化曲線如圖7所示。

圖7 送端故障下500 kV母線對比

交流母線故障后，在不考慮400 V交流接觸器的暫態(tài)特性時，交流側(cè)母線發(fā)生三相短路故障后，電壓出現(xiàn)高頻振蕩。故障切除后，頻率逐步恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值。在考慮400 V交流接觸器暫態(tài)特性時，由故障切除后0.1 s，交流接觸器暫態(tài)性能導(dǎo)致配套電源被切除，母線電壓下降至0.9 (p.u.)，10 s以上緩慢恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

3.3 逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障仿真

逆變側(cè)設(shè)置500 kV交流母線三相短路故障，1 s后直流換相失敗，同時送端電網(wǎng)也受到直流工程換相失敗的影響。

新疆電網(wǎng)主要機組投入一次調(diào)頻功能，在直流換相失敗后調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率。1.2 s跳開換流站配套交流濾波器，1.3 s按照穩(wěn)控策略切除配套電源[17]，直流換相失敗后的系統(tǒng)頻率變化曲線如圖8、圖9所示。

由圖8可知，直流換相失敗后由于短時有功嚴重過剩，導(dǎo)致發(fā)電機機組短時嚴重超頻，頻率最高值升至51.6 Hz。隨著切除機組數(shù)量增加后，頻率逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定。

由圖9可知，直流換相失敗后由于交流濾波器無法快速切除，無功過剩出現(xiàn)第一個高峰，新哈密換流站500 kV母線電壓最高值1.12(p.u.)左右。0.5 s后，由于切除機組數(shù)量出現(xiàn)高峰，容性無功過剩出現(xiàn)第二個高峰，500 kV母線電壓出現(xiàn)第二個峰值1.15(p.u.)。后續(xù)隨著發(fā)電機欠勵功能動作、靜止無功發(fā)生器以及調(diào)相機的共同動作下，母線電壓逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。

圖8 受端故障導(dǎo)致直流換相失敗的電源頻率曲線

圖9 受端故障導(dǎo)致直流換相失敗的電源電壓曲線

3.4 整流側(cè)故障和逆變側(cè)故障對比

整流側(cè)交流系統(tǒng)故障后，并不會直接導(dǎo)致直流系統(tǒng)換相失敗。在考慮交流接觸器暫態(tài)特性后，直流近區(qū)的配套電源可能會連續(xù)脫網(wǎng)，導(dǎo)致短時有功嚴重不足。直流工程需要短時降功率運行，在一次調(diào)頻長期調(diào)整后，逐步恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。整流側(cè)交流系統(tǒng)故障對逆變側(cè)系統(tǒng)影響相對有限，直流系統(tǒng)在故障后恢復(fù)過程中起到一定的緩沖作用。

逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障后，會直接導(dǎo)致直流換相失敗。直流換相失敗后導(dǎo)致送端電網(wǎng)有功和容性無功過剩。逆變側(cè)則出現(xiàn)有功不足，急需電源的一次調(diào)頻進行頻率支持。但由于考慮交流接觸器暫態(tài)特性后，直流近區(qū)的配套電源可能會連續(xù)脫網(wǎng)，受端電網(wǎng)可供調(diào)頻的電源數(shù)量進一步減少，惡化了受端系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。逆變側(cè)交流系統(tǒng)導(dǎo)致的直流換相失敗同樣會導(dǎo)致送端電網(wǎng)無功和頻率短時失衡，需要啟動穩(wěn)控策略去維持系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定。在逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障過程和后續(xù)過程中，直流工程的連鎖反應(yīng)導(dǎo)致受端系統(tǒng)和送端系統(tǒng)都受到嚴重的沖擊，直流工程在故障過程和過程后并沒有起到類似送端交流系統(tǒng)故障的緩沖故障效應(yīng)，而是將故障效應(yīng)擴大化。相對而言，受端系統(tǒng)受到的沖擊更為嚴重，因為考慮交流接觸器暫態(tài)反應(yīng)導(dǎo)致直流近區(qū)電源跳閘后，進一步拉大了頻率不平衡程度。

4 結(jié) 語

1)以系統(tǒng)穩(wěn)定為研究對象，仿真分析了400 V交流接觸器在高壓側(cè)連鎖故障后的關(guān)鍵作用，驗證了交流接觸器性能對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

2)交流側(cè)故障發(fā)生位置對天中直流的影響區(qū)別較大。當(dāng)故障發(fā)生在整流側(cè)時，很難導(dǎo)致交流換相失敗，影響范圍局限在東疆電網(wǎng)，對于直流的輸送功率會造成短時影響。當(dāng)故障發(fā)生在交流側(cè)時，導(dǎo)致直流換相失敗，對交直流側(cè)形成嚴重的連鎖反應(yīng)。說明交流接觸器性能研究對受端電網(wǎng)換流站附近的火電電源有著更為重要的意義。

3)仿真結(jié)果表明，與火電廠6 kV重要輔機類似，400 V母線重要負荷的交流接觸器對系統(tǒng)穩(wěn)定也有重要影響，需要對400 V重要接觸器的性能進行試驗和評估。可考慮參照6 kV重要輔機的低電壓耐受性能，要求400V重要接觸器的低電壓耐受性能不低于6 kV輔機的低電壓耐受性能。

4)對于能躲過高電壓交流側(cè)故障的交流接觸器，可以繼續(xù)使用；反之，則需要考慮在交流接觸器加入時間繼電器。時間繼電器內(nèi)部接入氣囊式儲能結(jié)構(gòu)，并將動作延時時間設(shè)置為較長時間，能夠躲過故障，保證低電壓廠用電系統(tǒng)能夠維持電廠穩(wěn)定運行。