控制和提高电力系统稳定性分析随着电力系统的发展,输送容量和输送距离大大增大,电力系统运行稳定问题也日益突出。电力系统稳定性是限制交流远距离输电的输电距离和输送能力的决定性因素。在当今市场经济条件下,保证电力系统运行的稳定性,就是保证电力市场的稳定,增加输送距离和提高输送能力,就是拓宽电力市场,所以,控制和提高电力系统运行的稳定性具有巨大的技术和经济意义。1合理的电网结构和运行方式电力系统的电源配置和电网结构是保证电力系统稳定运行的物质基础,在很大程度上决定电力系统稳定的水平。为了简化电力系统的结构,提高电力系统稳定水平,在电力网结构方面要考虑几个方面的问题。主力发电厂(特别是远方的大容量发电厂)可不设高压母线,采用发电机-变压器一线路串联的单元方式直接接入枢纽变电所,这也是分散电源的一种形式,如图1所示。一个单元的输电容量不应超过全系统总容量的一定比例,一般不应大于受端系统的备用功率。这样,即使短路故障发生在一个单元的发电机母线侧,也不会严重影响其他单元。只要将故障单元切除,电力系统就能正常运行,不会出现暂态稳定问题,也不会因负荷转移使相邻线路过载而产生事故后的连锁性暂态稳定问题。应该避免几组送电线路在电源侧互联,对于多回路平行输电线路间有横向联系的接线方式(并联接线方式),可以根据线路的不同长度考虑适当的分段,设立中间开关站,如图2所示。这样在故障时仅切除发生故障的这一段,大大减小了系统转移阻抗增加的数值。但要注意在需要设置中间开关站的输电线路上,开关站的数目应在进行详细的经济技术论证后才能确定。中间开关站往往是建设中间变电站的一个中间阶段图1单元接线方式在电力系统中应避免大环网或高低压环网向负荷中心送电。因为当环网的一侧线路故障时,将使全部功率由环网的另一半线路传送,容易发生稳定破坏。合理的电网结构应使低压电网升压,形成统一电压的并行送电线路。在过渡阶段,为了避免在故障下功率向低电网转移,也可使高、低压线路开环运行。应避免长距离单回线路(包括用几级电压线路串联的单回线路)。由于线路阻抗大,不易保证较大的输电容量,在故障情况下将失去全部输电能力。2改善电力系统基本元件的特性和参数2.1改善发电机励磁调节系统的特性由电力系统功率极限的简单
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达式Pm=EV/X可知,减小发电机的电抗,可以提高电力系统功率极限和输送能力。发电机的惯性时间常数Tj对电力系统暂态稳定的影响也是很明显的。由发电机的相对加速度a=WNAMa/Tj可知,增大Tj,可以减小a,从而减小发电机受扰动后转子相对动能的变化量,有利于提高暂态稳定。但是,减小发电机的电抗和增大发电机的惯性常数,需要增加材料消耗,增大电机尺寸和重量,这不是经济合理的办法。通过改善发电机励磁调节系统的特性来改善发电机的特性,对提高电力系统功率极限和扩大稳定运行范围有良好的作用,而且经济性好。因此,现代电力系统的发电机都装设自动励磁调节装置。为了限制由于过大的电压调节放大系数所产生的负阻尼,在励磁系统中增加电力系统稳定器(PSS),改进为微机励磁调节系统。采用先进控制理论的励磁控制器和柔性交流输电系统(FACTS),使二者同时发挥作用,更好地提高暂态稳定性。2.2改善原动机的调节特性电力系统受大扰动后,发电机因轴上出现的不平衡功率使发电机产生剧烈相对运动,破坏系统稳定运行。如果原动机的调节很灵敏,使原动机的功率变化跟上发电机的电磁功率变化,轴上的不平衡功率便可大大减小,从而防止暂态稳定破坏。为了减小故障后发电机组的输入功率,以消除其与输出功率间的不平衡,对于中间再热式汽轮机组可以采用汽轮发电机快速调节汽门与发电机功率角检测装置和微机控制组成的高速系统,根据发电机功角变化的情况,交替关、开快速汽门,以缩短振荡时间,提高暂态稳定。水轮发电机因启动较快,可以采用切机的措施,如图3所示。在短路故障或输电线路断开后,为不使发电机加速而失去稳定性,可以迅速切除部分送端发电机组,采用切机措施时还应考虑全系统的功率供需平衡问题。在送、受端系统的容量可比时,应考虑受端系统有充分的备用出力,以满足负荷的需要,或者考虑在受端系统切除部分负荷的措施。更有效的措施是采用动态安全调度,即通过调节发电机的有功功率,使系统在某些事故下,由暂态不稳定变为暂态稳定,防止事故扩大引发大规模停电事故。2.3改善输电线路的特性及减小变压器的电抗改善输电线路的特性,主要是减小电抗。输电线路的电抗占系统总电抗的比重很大,减小输电线路的电抗对提高电力系统的稳定性有着重要的作用。减小输电线路的电抗,可从两个方面进行:一是提高输电线路的额定电压;二是改变输电线的传统结构,采用分裂导线结构,既可减小输电线的电抗,又可减小电晕损耗。变压器的电抗在输电系统总电抗中比例虽不大,但在已采取减小输电线路电抗措施的超高压输电系统中,减小变压器的电抗,仍有一定的作用;如在超高压远距离输电系统中采用自耦变压器;对提高稳定性有良好的作用。2.4改善继电保护和开关设备的特性继电保护和开关设备的特性,对能否快速地切除短路故障,提高系统稳定性有着决定性作用。可以看出:加快对故障点的切除速度,可以减小切除角(5c这样,既减小了加速面积,又增大了可能的减速面积,从而提高了暂态稳定性。切除故障时间包括继电保护动作时间和开关接到跳闸脉冲到触头分开后电弧熄灭的时间总和。因此,减少短路切除时间,应从改善开关和继电保护设备特性着手。图3快速切除短路对暂稳态稳定的影响(a)不稳定(b)临界温度(c)不稳定减少故障切除时间对提高暂态稳定的效果,与短路故障的类型有很大关系。图5为一双回路输电线路首端发生短路时,暂态稳定极限与切除时间的关系,从图5中可以看到缩短切除时间,可以提高暂态稳定性,且故障愈严重,效果愈显著。如当切除时间从0.2s减少到0.1s,对于三相短路,Ptsc(暂态稳定极限)从45%提高到82%,而对于单相接地,则仅由94%提高到98%。图5自动重合闸的作用对于单相自动重合闸,在短路相被切除后,其它两相导线仍然带电,由于相电容耦合作用,被切除相仍然有相当高的电压,使电弧不易熄灭,同时,由于相间电容的作用,从非故障相经过相间电容到故障间再经过短路点到大地,形成电容电流通路,这便是潜供电流,当潜供电流超过一定值时电弧将不会熄灭,短路则成为永久性的。因此在采用按相重合闸时,应针对具体情况,通过计算加以校核。另外,为防止重合闸于永久性故障致系统再次受到短路冲击,恶化系统暂态稳定性,可采用重合闸后加速技术及智能型自动适应单相重合闸。在合闸之前预测线路的故障是瞬时性还是永久性的,若为瞬时性,允许重合闸;若是永久性的,则将重合闸闭锁,避免使电力系统又一次受到故障的冲击,保证系统稳定。2.5加强电网自动化管理采用并推广电网实时监控管理系统,加深对电力系统动态现象的直接认识,确保电力系统的稳定运行。3采用附加装置提高电力系统的稳定性3.1输电线路采用串联电容补偿对于超高压远距离的输电线路,除了采用分裂导线减小其电抗外,还可利用电容器容抗与输电线路感抗相反的性质,在输电线路上串联电容器来补偿线路的电感,以提高线路的功率极限,提高系统稳定性。3.2输电线路上并联电抗补偿并联电抗补偿是改善远距离输电系统运行特性的重要措施之一。输电线路越长,电抗越大,容抗也越大。输电线路电容产生大量的无功功率,在空载或轻载情况下可能引起线路末端电压过分升高,发电机可能产生自励磁等不允许的情况。除此之外,还使发电机运行的功率因数升高。要使系统电压保持在要求的范围内,发电机的电势将要降低,因而使电力系统功率减小,运行角度增大,对系统稳定运行不利。为改善这种情况,在线路上并联电抗器吸收线路电容所产生的无功功率,使发电机的电势大大提高,运行功角减小,系统稳定性得到提高。3.3变压器中性点经小阻抗接地变压器中性点的情况对发生接地短路时的暂态稳定有着重大的影响,对于中性点直接接地的电力系统,为了提高接地短路时的暂态稳定性,变压器中性点可经小阻抗后再接地,这样,短路时零序电流流过接地电阻时要消耗有功功率,其中一部分可由发电机来负担,使发电机输出的电磁功率增加,转轴上的不平衡功率减小,从而减小了发电机的相对加速度,提高暂态稳定性。3.4发电机采用先进的动态电气制动装置因为水电厂调节阀门及水流的惯性较大,许多大型水电厂把电气制动作为一种提高暂态稳定性的重要措施。如果应用适当的制动电阻以及控制其投入和切除的时间,可以消除发电机在暂态过程中的功率不平衡问题。制动电阻投入越早,提高稳定性效果越好,而当发电机在第一振荡周期达最大角度时,应使制动电阻切除,太长的电气制动会使发电机回摆后在减速方向失去稳定。以往的用高压开关进行投切的电气制动装置,由于受到开关固有的惯性、机械磨擦、灭弧时间等一系列因素的限制,不能准确、及时、灵活地投切制动电阻,从而限制了制动的作用。随着电力电子技术的发展,把品闸管用于控制电气制动,可以准确地控制制动电阻的投切时间,甚至用简单的相控
方法
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就可以精确地控制制动功率,而且投切的次数不受限制。随着计算机和远动技术的飞速发展,不仅在送端发电机处发生短路时采用微机检测控制的电气制动,装设在受端的微机对发生故障后的系统状态进行检测、综合分析后,通过远动装置来控制电气制动的投切,从而实现在受端发生故障时要求送端发电机使用电气制动保持暂态稳定的目的。4结束语文中介绍了控制和提高电力系统运行稳定性可以采取的多种措施。一方面是对电力系统的结构及其一次设备的接线方式和参数加以考虑;另一方面是根据不同的系统结构和运行要求采取附加的提高稳定的调节和控制措施。无论采取哪种措施,除了考虑技术上实现的可能性之外,还应考虑经济上的合理性。在实际应用中,应根据电网的实际情况,具体分析具体实施。