结构薄弱电网运行方式研究

钱 霞 付兆远

1.华电招标有限公司 北京 100031；2.济南供电公司 山东 济南 250012

0 引言

结构薄弱电网通常表现为发电机容量较小、输电线路较长、负载较轻和无功补偿不足。这一电网特点常出现在较小的电力工程和偏远地区的配电网中。 随着经济的发展，远端小水电和负荷与主网联网成为必然趋势，但联网后由于输电线路长，末端负荷与发电容量小等也将导致一些问题，其中由于线路对地电容可能引起的同步发电机自励磁就不容忽视［1］。我国的大规模风电场大多远离负荷中心，当地电网结构薄弱。风力发电机输出功率随机波动较大，当大型风电场接入电力系统后，会导致电压波动和闪变等问题［2］。

通过对全国电网运行故障进行统计，电网或者运行方式薄弱或结构不合理，在某种故障下造成一条或者多条线路过负荷，进而造成自动装置不正确动作和无功控制失败是导致电压崩溃、系统瓦解的常见原因［3］。 开展合理的电网运行方式、无功补偿装置的配置和防止发电机自励磁等相关研究对结构薄弱电网的安全稳定运行至关重要。

采用PSCAD软件对实际结构薄弱电网举例进行仿真计算，对同步发电机并入结构薄弱电网的可行并网条件和无功补偿装置配置方案、极端运行条件下避免发电机自励磁的措施和防止过电压产生的措施进行研究，提出能够保证电网安全稳定运行的合理方案。

1 结构薄弱电网举例

结构薄弱电网的发电机容量较小、输电线路较长、负载较轻、无功补偿装置较少，实际工程举例如图1所示。

图1 结构薄弱电网示意图

此结构薄弱电网的额定电压等级为220 kV，电网G装机容量为600 MW。同步发电机M在S1变电站并网，容量为30 MW，额定功率因数为0.85。S2变电站配有1组40 Mvar的高压电抗器，S3变电站配有2组10 Mvar的低压电抗器。表1给出了各变电站的负荷水平。

表1 各变电站负荷水平

2 同步发电机并网运行方案

在同步发电机M并网之前，所有变电站均由电网G供电。由于电网G本身装机容量较小，大容量电抗器的投入会大幅改变电网潮流分布和电压幅值，不宜参与电压调节。此时，电压调节方式较少，同步发电机并网条件难以满足。

在同步发电机M并网之前，由于S4变电站距离电网G较远，而电网G本身负荷变化范围较大，导致S4变电站的电压变动范围较大。 同时，发电机并网也将改变电网潮流分布，在某些极端情况下，发电机可能因为超载被切除。 以上问题使得同步发电机M并网困难，并可能影响电网G的安全稳定运行。 因此，提出能够满足同步发电机M并网条件的电网G的合理运行方式，对并网前后电网的安全稳定运行至关重要。

采用集中负荷模型进行电网运行方式仿真，集中负荷的功率因数为0.95。大负荷方式下电网G的集中负荷为280 MW；小负荷方式下集中负荷为40 MW。

仿真表明，同步发电机M不与电网G连接时，在表1给出的负荷变动范围内都能找出可保证电网安全稳定运行的运行方案。考虑到发电机自励磁、变电站电压允许范围和发电机输出限制等条件，S2变电站投入1组40 Mvar的高压电抗器、S3变电站投入1组10 Mvar的低压电抗器时，为最优电抗器配置方式，可保证此结构薄弱电网的安全稳定运行。

在上述电抗器配置方式下，同步发电机M并入电网G后，发电机M在有功满发和仅作为同步调相机时的输出和各母线电压幅值的仿真结果如表2所示。

表2 发电机并网后的发电机输出与各母线电压幅值

表2数据表明，大负荷方式下会出现发电机过载，并网失败。原因分析如下：大负荷方式下母线电压过低；并网后需要大量无功支撑电压，此结构薄弱电网中的电抗器不能提供足够无功功率，剩余无功功率由发电机提供。由于发电机容量较小，此种情况下发电机过载。小负荷方式下，并网成功。

为保证并网成功，应给出合理的负荷水平范围。 由于负荷水平将影响变电站母线电压幅值，负荷越大，母线电压越低。可利用确定电压下限的方法限定并网前的可行运行方式。由于S4变电站基本处于同步发电机M和电网G中间，而且S4变电站负荷规模相对较大，本文以S4变电站220 kV母线的电压幅值为依据，给出适合同步发电机M并网的运行方式。

表2数据表明，大负荷方式情况下并网，发电机M作为同步调相机运行时，输出达到上限。若改变负荷水平，从而调整S4变电站的母线电压幅值，发电机作为同步调相机运行时的输出数据如表3所示。

表3中数据表明并网前S4变电站电压高于213.7 kV时，发电机无功输出不过载。当S4变电站的电压水平保持在213.7 kV时，改变发电机的功率因数，发电机输出各点在发电机输出能力曲线以内，如图2所示。 结果表明，当S4变电站的电压幅值高于213.7 kV时，此结构薄弱电网在发电机并网后仍可安全稳定运行。

表3 S4变电站电压变化时的发电机输出

图2 发电机输出功率曲线

3 结构薄弱电网安全稳定运行措施

3.1 发电机自励磁分析

为保证电网的安全稳定运行，必须考虑N-1原则。当任何一条输电线路因故障切除后，此结构薄弱电网将分为两个独立运行的系统。如图3所示。

图3 同步发电机单独供电示意图

图3中系统1单独运行时，由1台发电机和一条长距离输电线路组成。当发电机带空载长线路运行时就有可能产生自励磁，从而损坏发电机和其他设备［4］。避免发电机发生自励磁的条件如下［5-6］。

式中，WH为发电机额定容量，Qc为输电线路的充电功率，Xd*为发电机等效同步电抗的标幺值（包括升压变压器，以发电机容量为基值）。

在此系统中，发电机等效电抗Xd*＝1.132。根据工程经验，220 kV系统中线路充电功率约为14 Mvar/100 km。仿真表明，77.5 km长的输电线路的充电功率为11.2 Mvar。当发电机连接S1-S3线路时，WH=30/0.85=35.294，Qc·Xd*=45.5，不满足式（1）条件，发电机将产生自励磁。有效措施为在S2变电站投入高压电抗器，以避免发电机自励磁。

3.2 过电压分析

对于弱结构、轻载和长输电距离的结构薄弱电网，防止过电压产生是关键问题之一。 当某段输电线路切除时，图3中系统1和系统2将分别单独运行。系统1中负荷过重时会出现发电机甩负荷，此时电网安全不受影响，但是负荷过小时可能产生工频过电压，从而损坏设备。分析工频过电压时要考虑各种极端情况，假定系统1在小负荷方式下单独运行。电抗器配置为：S2变电站投入1组40 Mvar的高压电抗器，S3变电站投入2组10 Mvar的低压电抗器。当S2变电站的1组40 Mvar的高压电抗器在0.4 s时突然切除，各变电站母线电压幅值变化如图4所示。

图4 各变电站工频过电压

图4表明，S2变电站的高压电抗器切除后，S3变电站的母线电压幅值可升至243 kV。电压升高将引起输电线路产生更多容性无功功率，由于无功补偿不足，发电机将会进相运行，从而危害发电机设备安全。

S2变电站与S3变电站之间输电线路长度为209 km，产生容性无功功率较多。为防止上述过电压产生，解决措施为：可将S2-S3线路开关与S2变电站的40 Mvar的高压电抗器组开关联切。 图4中仿真结果表明，40 Mvar的高压电抗器组投入时，S2变电站母线电压幅值为226 kV，水轮发电机可正常运行。

4 结语

对具有电网结构薄弱、输电线路较长、轻载和无功补偿不足等特点的结构薄弱电网存在的发电机并网困难、自励磁和过电压等问题进行研究，给出了同步发电机并入结构薄弱电网的可行并网条件，并提出极端运行条件下避免发电机自励磁的措施和防止过电压产生的措施。对实际结构薄弱电网的PSCAD仿真分析结果表明，提出的以上措施安全有效，可为结构薄弱电网的安全稳定运行提供参考。

［1］崔文进，陆超，夏祖华等.与长线相联的发电机自励磁仿真与实验［J］.清华大学学报（自然科学版），2002，42（9）：1154-1157.

［2］王钢，赵莉君，李捷等.静止无功发生器在风电场电网中的应用研究［J］.工矿自动化，2012，（9）：63-66.

［3］吴志东，宋为为，孙洪宇等.电网安全运行管理浅析［J］.华章，2012，（5）：323.

［4］蔡汉生，陈喜鹏，胡玉峰等.发电机自励磁快速验算方法及其应用［J］.南方电网技术，2012，6（2）：66-69.

［5］SDJ161-85 电力系统设计技术规程［S］.

［6］姜世金，尚景刚，刘子军等.基于PSCAD/EMTDC的黑启动中发电机自励磁仿真 ［J］.东北电力大学学报，2009，29（2）：79-83.