大停电事故与电力系统电压稳定性研究

大停电事故与电力系统电压稳定性研究

1天津电网是一个受端系统长期以来，人们对角稳定问题进行了大量研究，而忽视了电压稳定问题的研究。1978年的法国大停电事故,已经充分暴露了超高压电网在发生严重无功功率缺额时可能造成的严重后果,1983年在瑞典、1987年在日本东京也发生了类似事故。即当负荷大幅度上涨后,系统的无功补偿能力严重不足,调度在全网电压下降过程中未能果断切除部分负荷;变压器带负荷自动调压分接头的副作用,当系统无功功率供应不足时,如果继续保持负荷侧的电压水平,势必造成上一级电网电压下降,严重时会拖垮高压电网电压,发展为电压崩溃。天津电网地处京、津、唐电网的负荷中心,截至2000年底,天津电网总装机容量达5103MW,最高用电负荷达3628MW,目前天津电网内部为220kV为主网架的强电磁环网结构,彼此联系紧密,抗事故能力较强,外部主要通过两回500kV及三回220kV线路与华北电网联络,500kV主网架正在建设中。从电力供需平衡看,天津电网的装机容量基本可以满足地区供电的要求,但燃油机组所占比重较大,一般情况下仍需从外网受电,另外由于受环境方面的制约,未来在天津地区持续建设较大容量火电厂的可能性很小,天津电网在华北电网中是一个重要的受端系统,相当一部分电能需要从山西、内蒙经由河北及北京等地长距离输送。随着供电情况的不断改善,由调度命令集中切除负荷的频率愈来愈低,愈来愈不习惯,也愈来愈困难。另外由于新技术的引入,自动调节供电变压器电压分接头得到了逐渐的推广采用,从而为发生电压崩溃大事故逐步提供了客观的可能性,这就使得未来的天津电网的电压稳定性问题十分突出。2节点母线电压稳定性计算方法所谓电压稳定性,是指系统维持电压的能力,当负荷导纳增大时,负荷功率亦随之增加,并且功率和电压都是能控的。所谓电压崩溃,是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降过程。研究复杂电网电压稳定问题必须从研究一个供电点的电压稳定性问题开始,电网中某一供电节点的母线电压稳定临界值Ucrit一般可表示为U2critcrit2=Zeq×(P2+Q2)1/2(1)式中Zeq——联接到该节点的系统等价阻抗(P2+Q2)1/2——连接到该节点的负荷的视在功率利用式(1)来研究电网中某一节点的母线电压稳定性问题,就颇为方便了。例如:①电网中某一节点的供电电压临界值,既是联接到该节电的负荷视在功率的函数,又是联接到该节点的系统等价阻抗的函数。电网中不同节点有不同的供电电压临界值,因而需要逐点校核。②当节点的负荷固定不变,即(P2+Q2)1/2不变时,该节点的稳定供电电压的临界值Ucrit只决定于外部系统结构所形成的到该节点的短路阻抗Zeq,而与同步机组的运行方式无关。只要在N-1或N-2事件后的母线电压值U大于按事件后的Zeq计算求得的Ucrit值,即可认为该节点不会出现电压崩溃。③当母线电压为U值,该节点的供电电压稳定性裕度M可表述为M=U−UcritUcrit×100%Μ=U-UcritUcrit×100%由此,可以检查出在特定的事故方式下,哪个节点的裕度最小,需要在哪个节点采取特定措施,如增加无功功率补偿等。在电网中一个节点增加无功功率补偿,不但可以提高该节点的供电电压稳定裕度,还可以提高相邻节点的电压,从而提高相邻节点的供电电压稳定性裕度。3天津电网静态电压稳定性计算方法研究鉴于天津电网的电压稳定性问题十分突出,因而天津电力公司与天津大学电气自动化与能源工程学院合作,共同对天津电网静态电压稳定的情况进行了分析研究,在分析中所应用的计算程序为国外开发的用于大型电力网络电压稳定性分析的成熟软件《VSTAB3.0》计算过程中采用了不同的负荷模型,计及了可投切并联补偿、无功分配等对系统的影响。3.1在现有负荷水平下，电压稳定性的分析3.1.1根据恢复情况分通过负荷缓慢持续增长,计算分析天津地区电网的稳定性状况,其中增长的负荷首先平均分配给天津地区的发电机,步长为ΔP=10MW,各发电机均设有无功限制,依据系统补偿类型及无功极限的限制,可分为以下几种情况:系统无补偿情况、系统有固定补偿情况、系统有分组投切补偿情况、允许发电机短期放开无功限制情况。计算结果表明,天津电网负荷在3200MW条件下,系统在无补偿、有固定补偿、有分组投切补偿模式下的稳定裕度分别为1343MW、1375MW和1670MW,可见增加无功补偿措施可以较大幅度提高系统的稳定裕度。天津地区发电机短期放开无功极限限制(1.25倍额定功率),系统稳定裕度较无补偿情况提高600MW,较分组投切情况提高300MW,有较强的维持稳定的能力。在短期放开无功限制情况下,杨柳青电厂5G、6G仍处于无功顶值状态,应在该地区增加无功补偿容量,避免发电机长期处于无功顶值状态运行。3.1.2负荷模型对稳定性的影响补偿类型采用分组可投切形式,通过对不同的负荷模型进行计算分析,发现电压依赖型(指数型)负荷模型对系统稳定裕度有较大影响,其中负指数模型对其影响较大,在nP=-0.4时,系统稳定裕度较恒功率模型减少约230MW,天津地区发电机达到无功极限的台数增加,但仍有半数发电机有无功储备,系统稳定性较高。3.1.3空调负荷比重影响补偿类型采用分组可投切形式,负荷模型采用夏季空调负荷模型、恒功率模型与ZIP模型三者进行比较,其总ZIP模型采用40%恒阻抗、50%恒电流、10%恒功率的负荷模型。通过计算比较,空调负荷的稳定裕度最小,恒功率负荷次之,而ZIP负荷最大,计算结果表明,天津地区目前空调负荷的比重不断增加,由于空调负荷为负指数电压依赖性负荷,对系统电压稳定性影响较大,将造成天津电网的稳定性下降,应在实际运行中加以关注。同时也证明,天津电网在空调负荷很重的情况下仍能保持稳定运行,不会出现电压崩溃事故。3.2可靠事故集下的电压稳定分析3.2.1电机退出运行负荷模型采用恒功率负荷模型,“故障”类型选取三相永久故障,且故障导致相应设备被切除(母线、线路)。计算结果表明,在天津地区最大一台发电机退出运行的情况下,系统稳定性几乎不受影响,节点电压稳定在0.95以上;在韩汉-韩宁界面故障情况下,系统在现有负荷水平(约3200MW)仍可维持稳定运行,但系统稳定裕度仅为正常方式下的一半(约800MW左右);在安北-盘北界面故障情况下,已接近系统的稳定极限,因此在正常方式下,应控制该界面的潮流在一定范围内,从长远看,应加快天津地区500kV电网建设,尽早成环运行,以提高天津地区的电压稳定水平。3.2.2天津电网n-1故障校验负荷模型采用恒功率负荷模型,“故障”类型选取三相永久故障,分别对天津地区220kV线路、500kV线路及天津电网220kV母线进行了N-1故障校验。结果表明,天津电网在继电保护正确动作条件下,N-1情况下可保系统稳定。通过对各种故障情况下的弱节点的统计,发现系统中弱接点主要集中在唐官屯、津三厂、吴庄、港西、双港等几条110kV母线,问题比较集中,增加上述地区的无功补偿容量,系统的稳定裕度有所提高。3.3节点集基本不变放开OLTC调节后,通过对正常情况下的界面潮流分析及事故N-1分析,发现加入OLTC调节后,天津地区的电压稳裕度平均有近200MW的增加,但是,电压稳定弱节点集基本没有发生变化。在并联补偿电容器可投切的情况下,放开OLTC调节系统后,界面潮流将会增加,为了保持系统电压水平,静无功需求较未放开OLTC调节时会大大增加,特别从外界受电的无功潮流增加较大。总之,放开OLTC调节对天津电网的电压稳定总的来说有帮助,可以从整体上提高天津电网的稳定裕度,但是,应注意的是OLTC也将引起界面无功潮流的增大,这样就带来了无功损耗的增加,同时也需要界面能够承受更大的潮流通过。4低压电压消失的防治措施认真吸取国内外有关电压崩溃事故的教训,具有极为重要的现实意义,针对天津电网的实际情况和条件,为防止系统电压崩溃,制定并实施了一些具体的措施,包括以下方面:(1)充分考虑发电机组的作用在系统出现电压严重下降的情况下,保持尽可能多的发电机组运行极为重要,发电机和励磁机的过负荷能力可以延缓电压崩溃的时间,但是要利用发电机组的无功过负荷能力,还需要进一步核定不同发电机组的无功过负荷能力及对保护装置重新进行整定,一般发电机组大约允许无功过负荷30s。另外,小系统解列装置保护整定值的选取要考虑躲过系统可能出现的最低运行电压,低频低压解列保护中低频值选取一般为47.5～47.0Hz,低压值选取一般为0.6或0.65倍额定电压,时间为0.5s或1.0s。(2)事故情况下低电压甩负荷终止电压进一步下降的有效措施,是及时地切除地区负荷,目前天津地区采取了事先规定切除负荷的线路,事故情况下手动甩负荷的措施。但是,对于无功严重短缺情况下的有效性可能反映太慢,因为事故情况下既要考虑利用发电机组的过负荷能力,又要考虑发电机组不致因越限引起继电保护动作跳闸,因此为了避免发生电压崩溃,要求在30s内消除无功过负荷,唯一解决的办法是在可能发生电压崩溃的地区,配置足够的按电压降低自动减负荷装置。(3)注意供电变压器有载调压的管理总结历次电压崩溃事故的教训,当网络无功功率供给不足时,供电变压器无节制的自动调压,将会拖垮高压电网电压。实现变压器有载调压,必须以上一级供电电网能够提供足够的无功电力为根本前提,其标志是上一级供电电压必须保持一定的电压水平,只有当有载调压变压器一次侧电压高于某一最低数值(如额定值的90%)时,才允许进行调压,如果有载调压变压器一次侧电压低于规定的最低数值时,应立即闭锁有载调压。(4)充分发挥并联电容器的作用天津电网目前使用了大量的并联电容器,虽然并联电容器的过分使用是造成电压失去稳定的原因之一,但是充分发挥并联电容器的作用也可以改善系统的电压稳定性,因为并联电容器的使用,可以使无功功率做到就地补偿,所以发电机可以主要提供有功功率,而预留出更多的旋转无功储备。(5)系统在较高的电压水平下运行系统在较高的电压水平下运行可能并不增大无功储备,但却减少了无功需求,因此使发电机组预留出更多的无功储备,可以运行在远离无功极限的地方,为运行人员预留了对电压的控