大停電事故與電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究

大停電事故與電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究

1天津電網(wǎng)是一個(gè)受端系統(tǒng)長期以來，人們對角穩(wěn)定問題進(jìn)行了大量研究，而忽視了電壓穩(wěn)定問題的研究。1978年的法國大停電事故,已經(jīng)充分暴露了超高壓電網(wǎng)在發(fā)生嚴(yán)重?zé)o功功率缺額時(shí)可能造成的嚴(yán)重后果,1983年在瑞典、1987年在日本東京也發(fā)生了類似事故。即當(dāng)負(fù)荷大幅度上漲后,系統(tǒng)的無功補(bǔ)償能力嚴(yán)重不足,調(diào)度在全網(wǎng)電壓下降過程中未能果斷切除部分負(fù)荷;變壓器帶負(fù)荷自動(dòng)調(diào)壓分接頭的副作用,當(dāng)系統(tǒng)無功功率供應(yīng)不足時(shí),如果繼續(xù)保持負(fù)荷側(cè)的電壓水平,勢必造成上一級(jí)電網(wǎng)電壓下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)拖垮高壓電網(wǎng)電壓,發(fā)展為電壓崩潰。天津電網(wǎng)地處京、津、唐電網(wǎng)的負(fù)荷中心,截至2000年底,天津電網(wǎng)總裝機(jī)容量達(dá)5103MW,最高用電負(fù)荷達(dá)3628MW,目前天津電網(wǎng)內(nèi)部為220kV為主網(wǎng)架的強(qiáng)電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),彼此聯(lián)系緊密,抗事故能力較強(qiáng),外部主要通過兩回500kV及三回220kV線路與華北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò),500kV主網(wǎng)架正在建設(shè)中。從電力供需平衡看,天津電網(wǎng)的裝機(jī)容量基本可以滿足地區(qū)供電的要求,但燃油機(jī)組所占比重較大,一般情況下仍需從外網(wǎng)受電,另外由于受環(huán)境方面的制約,未來在天津地區(qū)持續(xù)建設(shè)較大容量火電廠的可能性很小,天津電網(wǎng)在華北電網(wǎng)中是一個(gè)重要的受端系統(tǒng),相當(dāng)一部分電能需要從山西、內(nèi)蒙經(jīng)由河北及北京等地長距離輸送。隨著供電情況的不斷改善,由調(diào)度命令集中切除負(fù)荷的頻率愈來愈低,愈來愈不習(xí)慣,也愈來愈困難。另外由于新技術(shù)的引入,自動(dòng)調(diào)節(jié)供電變壓器電壓分接頭得到了逐漸的推廣采用,從而為發(fā)生電壓崩潰大事故逐步提供了客觀的可能性,這就使得未來的天津電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性問題十分突出。2節(jié)點(diǎn)母線電壓穩(wěn)定性計(jì)算方法所謂電壓穩(wěn)定性,是指系統(tǒng)維持電壓的能力,當(dāng)負(fù)荷導(dǎo)納增大時(shí),負(fù)荷功率亦隨之增加,并且功率和電壓都是能控的。所謂電壓崩潰,是指由于電壓不穩(wěn)定所導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)大面積、大幅度的電壓下降過程。研究復(fù)雜電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題必須從研究一個(gè)供電點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性問題開始,電網(wǎng)中某一供電節(jié)點(diǎn)的母線電壓穩(wěn)定臨界值Ucrit一般可表示為U2critcrit2=Zeq×(P2+Q2)1/2(1)式中Zeq——聯(lián)接到該節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)等價(jià)阻抗(P2+Q2)1/2——連接到該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷的視在功率利用式(1)來研究電網(wǎng)中某一節(jié)點(diǎn)的母線電壓穩(wěn)定性問題,就頗為方便了。例如:①電網(wǎng)中某一節(jié)點(diǎn)的供電電壓臨界值,既是聯(lián)接到該節(jié)電的負(fù)荷視在功率的函數(shù),又是聯(lián)接到該節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)等價(jià)阻抗的函數(shù)。電網(wǎng)中不同節(jié)點(diǎn)有不同的供電電壓臨界值,因而需要逐點(diǎn)校核。②當(dāng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷固定不變,即(P2+Q2)1/2不變時(shí),該節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定供電電壓的臨界值Ucrit只決定于外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所形成的到該節(jié)點(diǎn)的短路阻抗Zeq,而與同步機(jī)組的運(yùn)行方式無關(guān)。只要在N-1或N-2事件后的母線電壓值U大于按事件后的Zeq計(jì)算求得的Ucrit值,即可認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)電壓崩潰。③當(dāng)母線電壓為U值,該節(jié)點(diǎn)的供電電壓穩(wěn)定性裕度M可表述為M=U?UcritUcrit×100%Μ=U-UcritUcrit×100%由此,可以檢查出在特定的事故方式下,哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的裕度最小,需要在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)采取特定措施,如增加無功功率補(bǔ)償?shù)取Ｔ陔娋W(wǎng)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)增加無功功率補(bǔ)償,不但可以提高該節(jié)點(diǎn)的供電電壓穩(wěn)定裕度,還可以提高相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓,從而提高相鄰節(jié)點(diǎn)的供電電壓穩(wěn)定性裕度。3天津電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性計(jì)算方法研究鑒于天津電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性問題十分突出,因而天津電力公司與天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與能源工程學(xué)院合作,共同對天津電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的情況進(jìn)行了分析研究,在分析中所應(yīng)用的計(jì)算程序?yàn)閲忾_發(fā)的用于大型電力網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定性分析的成熟軟件《VSTAB3.0》計(jì)算過程中采用了不同的負(fù)荷模型,計(jì)及了可投切并聯(lián)補(bǔ)償、無功分配等對系統(tǒng)的影響。3.1在現(xiàn)有負(fù)荷水平下，電壓穩(wěn)定性的分析3.1.1根據(jù)恢復(fù)情況分通過負(fù)荷緩慢持續(xù)增長,計(jì)算分析天津地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性狀況,其中增長的負(fù)荷首先平均分配給天津地區(qū)的發(fā)電機(jī),步長為ΔP=10MW,各發(fā)電機(jī)均設(shè)有無功限制,依據(jù)系統(tǒng)補(bǔ)償類型及無功極限的限制,可分為以下幾種情況:系統(tǒng)無補(bǔ)償情況、系統(tǒng)有固定補(bǔ)償情況、系統(tǒng)有分組投切補(bǔ)償情況、允許發(fā)電機(jī)短期放開無功限制情況。計(jì)算結(jié)果表明,天津電網(wǎng)負(fù)荷在3200MW條件下,系統(tǒng)在無補(bǔ)償、有固定補(bǔ)償、有分組投切補(bǔ)償模式下的穩(wěn)定裕度分別為1343MW、1375MW和1670MW,可見增加無功補(bǔ)償措施可以較大幅度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。天津地區(qū)發(fā)電機(jī)短期放開無功極限限制(1.25倍額定功率),系統(tǒng)穩(wěn)定裕度較無補(bǔ)償情況提高600MW,較分組投切情況提高300MW,有較強(qiáng)的維持穩(wěn)定的能力。在短期放開無功限制情況下,楊柳青電廠5G、6G仍處于無功頂值狀態(tài),應(yīng)在該地區(qū)增加無功補(bǔ)償容量,避免發(fā)電機(jī)長期處于無功頂值狀態(tài)運(yùn)行。3.1.2負(fù)荷模型對穩(wěn)定性的影響補(bǔ)償類型采用分組可投切形式,通過對不同的負(fù)荷模型進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)電壓依賴型(指數(shù)型)負(fù)荷模型對系統(tǒng)穩(wěn)定裕度有較大影響,其中負(fù)指數(shù)模型對其影響較大,在nP=-0.4時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定裕度較恒功率模型減少約230MW,天津地區(qū)發(fā)電機(jī)達(dá)到無功極限的臺(tái)數(shù)增加,但仍有半數(shù)發(fā)電機(jī)有無功儲(chǔ)備,系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。3.1.3空調(diào)負(fù)荷比重影響補(bǔ)償類型采用分組可投切形式,負(fù)荷模型采用夏季空調(diào)負(fù)荷模型、恒功率模型與ZIP模型三者進(jìn)行比較,其總ZIP模型采用40%恒阻抗、50%恒電流、10%恒功率的負(fù)荷模型。通過計(jì)算比較,空調(diào)負(fù)荷的穩(wěn)定裕度最小,恒功率負(fù)荷次之,而ZIP負(fù)荷最大,計(jì)算結(jié)果表明,天津地區(qū)目前空調(diào)負(fù)荷的比重不斷增加,由于空調(diào)負(fù)荷為負(fù)指數(shù)電壓依賴性負(fù)荷,對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響較大,將造成天津電網(wǎng)的穩(wěn)定性下降,應(yīng)在實(shí)際運(yùn)行中加以關(guān)注。同時(shí)也證明,天津電網(wǎng)在空調(diào)負(fù)荷很重的情況下仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行,不會(huì)出現(xiàn)電壓崩潰事故。3.2可靠事故集下的電壓穩(wěn)定分析3.2.1電機(jī)退出運(yùn)行負(fù)荷模型采用恒功率負(fù)荷模型,“故障”類型選取三相永久故障,且故障導(dǎo)致相應(yīng)設(shè)備被切除(母線、線路)。計(jì)算結(jié)果表明,在天津地區(qū)最大一臺(tái)發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行的情況下,系統(tǒng)穩(wěn)定性幾乎不受影響,節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定在0.95以上;在韓漢-韓寧界面故障情況下,系統(tǒng)在現(xiàn)有負(fù)荷水平(約3200MW)仍可維持穩(wěn)定運(yùn)行,但系統(tǒng)穩(wěn)定裕度僅為正常方式下的一半(約800MW左右);在安北-盤北界面故障情況下,已接近系統(tǒng)的穩(wěn)定極限,因此在正常方式下,應(yīng)控制該界面的潮流在一定范圍內(nèi),從長遠(yuǎn)看,應(yīng)加快天津地區(qū)500kV電網(wǎng)建設(shè),盡早成環(huán)運(yùn)行,以提高天津地區(qū)的電壓穩(wěn)定水平。3.2.2天津電網(wǎng)n-1故障校驗(yàn)負(fù)荷模型采用恒功率負(fù)荷模型,“故障”類型選取三相永久故障,分別對天津地區(qū)220kV線路、500kV線路及天津電網(wǎng)220kV母線進(jìn)行了N-1故障校驗(yàn)。結(jié)果表明,天津電網(wǎng)在繼電保護(hù)正確動(dòng)作條件下,N-1情況下可保系統(tǒng)穩(wěn)定。通過對各種故障情況下的弱節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中弱接點(diǎn)主要集中在唐官屯、津三廠、吳莊、港西、雙港等幾條110kV母線,問題比較集中,增加上述地區(qū)的無功補(bǔ)償容量,系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度有所提高。3.3節(jié)點(diǎn)集基本不變放開OLTC調(diào)節(jié)后,通過對正常情況下的界面潮流分析及事故N-1分析,發(fā)現(xiàn)加入OLTC調(diào)節(jié)后,天津地區(qū)的電壓穩(wěn)裕度平均有近200MW的增加,但是,電壓穩(wěn)定弱節(jié)點(diǎn)集基本沒有發(fā)生變化。在并聯(lián)補(bǔ)償電容器可投切的情況下,放開OLTC調(diào)節(jié)系統(tǒng)后,界面潮流將會(huì)增加,為了保持系統(tǒng)電壓水平,靜無功需求較未放開OLTC調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)大大增加,特別從外界受電的無功潮流增加較大?？傊?放開OLTC調(diào)節(jié)對天津電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定總的來說有幫助,可以從整體上提高天津電網(wǎng)的穩(wěn)定裕度,但是,應(yīng)注意的是OLTC也將引起界面無功潮流的增大,這樣就帶來了無功損耗的增加,同時(shí)也需要界面能夠承受更大的潮流通過。4低壓電壓消失的防治措施認(rèn)真吸取國內(nèi)外有關(guān)電壓崩潰事故的教訓(xùn),具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義,針對天津電網(wǎng)的實(shí)際情況和條件,為防止系統(tǒng)電壓崩潰,制定并實(shí)施了一些具體的措施,包括以下方面:(1)充分考慮發(fā)電機(jī)組的作用在系統(tǒng)出現(xiàn)電壓嚴(yán)重下降的情況下,保持盡可能多的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行極為重要,發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的過負(fù)荷能力可以延緩電壓崩潰的時(shí)間,但是要利用發(fā)電機(jī)組的無功過負(fù)荷能力,還需要進(jìn)一步核定不同發(fā)電機(jī)組的無功過負(fù)荷能力及對保護(hù)裝置重新進(jìn)行整定,一般發(fā)電機(jī)組大約允許無功過負(fù)荷30s。另外,小系統(tǒng)解列裝置保護(hù)整定值的選取要考慮躲過系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最低運(yùn)行電壓,低頻低壓解列保護(hù)中低頻值選取一般為47.5～47.0Hz,低壓值選取一般為0.6或0.65倍額定電壓,時(shí)間為0.5s或1.0s。(2)事故情況下低電壓甩負(fù)荷終止電壓進(jìn)一步下降的有效措施,是及時(shí)地切除地區(qū)負(fù)荷,目前天津地區(qū)采取了事先規(guī)定切除負(fù)荷的線路,事故情況下手動(dòng)甩負(fù)荷的措施。但是,對于無功嚴(yán)重短缺情況下的有效性可能反映太慢,因?yàn)槭鹿是闆r下既要考慮利用發(fā)電機(jī)組的過負(fù)荷能力,又要考慮發(fā)電機(jī)組不致因越限引起繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘,因此為了避免發(fā)生電壓崩潰,要求在30s內(nèi)消除無功過負(fù)荷,唯一解決的辦法是在可能發(fā)生電壓崩潰的地區(qū),配置足夠的按電壓降低自動(dòng)減負(fù)荷裝置。(3)注意供電變壓器有載調(diào)壓的管理總結(jié)歷次電壓崩潰事故的教訓(xùn),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)無功功率供給不足時(shí),供電變壓器無節(jié)制的自動(dòng)調(diào)壓,將會(huì)拖垮高壓電網(wǎng)電壓。實(shí)現(xiàn)變壓器有載調(diào)壓,必須以上一級(jí)供電電網(wǎng)能夠提供足夠的無功電力為根本前提,其標(biāo)志是上一級(jí)供電電壓必須保持一定的電壓水平,只有當(dāng)有載調(diào)壓變壓器一次側(cè)電壓高于某一最低數(shù)值(如額定值的90%)時(shí),才允許進(jìn)行調(diào)壓,如果有載調(diào)壓變壓器一次側(cè)電壓低于規(guī)定的最低數(shù)值時(shí),應(yīng)立即閉鎖有載調(diào)壓。(4)充分發(fā)揮并聯(lián)電容器的作用天津電網(wǎng)目前使用了大量的并聯(lián)電容器,雖然并聯(lián)電容器的過分使用是造成電壓失去穩(wěn)定的原因之一,但是充分發(fā)揮并聯(lián)電容器的作用也可以改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性,因?yàn)椴⒙?lián)電容器的使用,可以使無功功率做到就地補(bǔ)償,所以發(fā)電機(jī)可以主要提供有功功率,而預(yù)留出更多的旋轉(zhuǎn)無功儲(chǔ)備。(5)系統(tǒng)在較高的電壓水平下運(yùn)行系統(tǒng)在較高的電壓水平下運(yùn)行可能并不增大無功儲(chǔ)備,但卻減少了無功需求,因此使發(fā)電機(jī)組預(yù)留出更多的無功儲(chǔ)備,可以運(yùn)行在遠(yuǎn)離無功極限的地方,為運(yùn)行人員預(yù)留了對電壓的控