试析电力系统的稳定运行及方法

2010-01-01王正华

中国新技术新产品 2010年9期

关键词：励磁短路发电机

王正华

（江西省南昌县供电有限公司，江西南昌 330000）

1 分析电力系统的稳定运行

静态稳定：指电力系统受到小而缓慢的干扰(如负荷变化)，系统能依靠常规励磁和调速的控制自动恢复到原来稳定运行的状态和能力。

动态稳定：指电力系统受到小而突然的干扰，在自动调节的控制下(指借助于一个线性和连续动作的附加稳定控制)保持长过程的稳定运行的能力。

暂态稳定性：指系统受到一个突然和严重的干扰后，系统内各发电机组保持同步运行的能力。系统受到大干扰后，很可能在第一次摇摆中失去稳定，除非采取有效的连续动作的防止措施，使能在电能过剩的地区采取电气制动或快速操作汽阀，在电能不足地方减负荷。

系统的频率稳定性：指系统在机组跳闸或重载联络线路断开后，系统由于有功功率的缺额而使频率剧降，导致系统频率崩溃。其后果是大面积长时间停电事故。

系统电压的稳定性：指系统内或其中局部地区因无功补偿能力太弱，负荷的电压调节效应又不足以补偿所缺无功时，该区域的电压出现无休止的下降，形成电压崩溃。

电压稳定性的一次典型事故是1978年12月19日发生在法国的大面积停电事故。损失负荷2900多万kW，10h后才恢复供电。电压崩溃一般是由于大机组跳闸或失磁，或线路经母线故障导致电网瓦解而引起的。因此应根据无功就地平衡的原则，大系统各地区配置足够的无功电源，并在系统电压降低时自动或手动切除部分次要负荷，防止电压崩溃。电力系统所受的干扰主要来自二个方面：一方面是切除或投入大容量的电力系统元件，如大容量的发电机、变压器、输电线路或重负荷用户；另一方是由于短路故障造成的大干扰。对系统稳定影响程度最大的是三相短路，尤其是在重负荷线路或者电源联络线中。其次是两相接地短路，然后是两相短路和单相接地短路。从安全角度来说，当然希望电力系统能够严重短路故障时保持稳定性，但这将增加很多投资。这在经济上不合理。因此，综合考虑安全、经济，并根据我国电网多年运行中积累的统计资料显示：220kV线路以上电压等级，三相导线之间距离较大，不易发生相间短路。因此只要求发生单相接地故障时(单相接地瞬时故障，双回线永久故障)保证系统并联运行的稳定性。110kV输电线路，三相导线间距离也较大，不易发生三相短路，故要求110kV输电线路发生两相接地短路故障时保证系统的稳定性。110kV以下电压等组输电线路在瞬时三相短路故障时，应保证稳定性。重要的枢纽变压器、变电所、发电厂，没有差动保护的母线，发生两相接地短路故障时应保证系统的稳定性。原水电部颁发的《电力系统安全稳定导则》对电力系统的安全稳定运行的标准作了原则性的规定，主要有如下标准：

①静态稳定储备：正常运行方式下，要求Kp≥15%～20%，Ku≥10%-15%：事故后或特殊运行方式下，要求Kp≥10%，Ku≥8%。

②在正常运行方式下，任一元件断开时，电力系统仍能保持稳定运行，且健全元件不过负荷。电网受到大的扰动时，系统应达到的稳定标准或对负荷供电，应满足的可靠程度具体归纳为三个等级，相应地建立起“三道防线”。

a、第一道防线：是对电力网网架结构合理性的基本要求，即当电网出现常见的单一故障，继电保护、自动重合闸和断路器正确动作时，必须保持电力系统稳定运行和电网的正常供电。

b.第二道防线：是针对出现机率较小但对电网稳定影响严重的单一故障的。当继电保护、自动重合闸和断路器正确动作时，必须保持系统的稳定，但允许损失部分负荷。在某些情况下，为了保持系统稳定，允许采取某些必要的自动措施，包括短时间中断对某些负荷的供电。

c.第三道防线：是针对极小出现的极端严重的非单一故障的，此时原则上允许系统失去稳定，但必须从最不利的条件考虑，采取预防措施，防止系统崩溃，避免造成大面积长时间停电和对重要用户和电厂用电的灾害性停电，使负荷损失尽可能减到最小，系统要尽快地恢复正常运行。

2 提高电力系统稳定性的方法

电力系统稳定控制最基本的出发点就是要使发电机输入的机械功率与它输出的电磁功率加各种损耗始终保持能量平衡。从静态稳定分析可知，如果电力系统具有较高的功率极限，一般也就有了较高的运行稳定度。从暂态稳定分析可知，电力系统受到大干扰后，发电机最大减速面积越大，承受干扰的能力愈强。由此可以看出尽量提高功率极限可以提高系统稳定控制能力。从电力系统功率极限Pmax=EV/>(可以看出，要提高功率极限，应从提高发电机的电势E，减小系统电抗X和提高稳定系统电压V等三项参数着手。

2.1 送电系统的控制

快速励磁与强行励磁和电力系统稳定器(PSS)

①快速励磁与强行励磁快速的自动励磁调节器可以大大地提高发电机的功率极限，同时也增加了最大减速面积，对提高电力系统的同步稳定性及电压稳定性均有良好的作用。当电力系统发生短路的瞬间，相端电压下降，励磁装置应立即给出项值电压并进行励磁。经过转子励磁绕组的惯性才能使转子励磁电流得到增长。在短路切除之前这段时间(0.15-0.5s)，或在转子的第一摇摆周期，强励的作用是有限的。在第二摇摆周期之后，快速的可控硅励磁常规的励磁对暂态稳定性有较好的作用。

②电力系统稳定器(PSS)

自从大型互联电力系统出现以来，已经发生了多次的类似每分钟几个周波的低频自发性振荡。研究表明，以功角偏差化为强力式调节器的输入量，其效果最好，因其可以使发电机机端电压Ug为恒定。补偿励磁调节器负阻尼的另一个有效办法，就是在比例式调节器上加装电力系统稳定器，简称为PSS。其PSS的功用下面还要详细论述。

快速操作汽阀(快关)。电力系统受到大干扰后，发电机输出的电磁功率会发生突变，而原动机的功率则几乎不变，使发电机大轴上出现不平衡功率，由此使发电机产生剧烈的相对运行，甚至造成系统稳定性的破坏和枢纽的严重损坏。如果原动机的调节装置十分灵敏，快速和准确，使原动机的功率能跟上电磁功率的变化，则可大大提高系统稳定性。

电力制动。电气制动是指在事故发生时在送端发电机附近自动投入电阻等以增加发电机的输出电磁功率，增大最大减速面积来维持系统的稳定性。

切机。减小发电机大轴上的不平稳功率是提高电力系统暂态稳定性的基本措施，这可以从增加发电机输出的电磁功率和减小原动机输入功率这二方面着手，如果系统有足够的备用，则切除故障线路的同时，联锁切除部分发电机可以有效提高系统的暂态稳定性。