陳延云

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司，合肥 230088）

隨著節(jié)能減排工作的持續(xù)推進，越來越多的火電廠輔機調速系統(tǒng)傾向于變頻調速。在變頻調速帶來節(jié)能降耗、優(yōu)化運行等方面優(yōu)勢的同時，也帶來了一系列新問題，其中最影響最大的就是其對電網(wǎng)故障的抵抗能力差。近年來陸續(xù)發(fā)生了多起系統(tǒng)瞬時故障造成輔機變頻器停止輸出導致機組停機的事件。輔機變頻調速系統(tǒng)低電壓穿越能力不足的問題日趨嚴重，人們對廠用母線電壓的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。

發(fā)電廠自身發(fā)電機組以及與其相連電網(wǎng)的電壓支撐都直接影響發(fā)電廠母線電壓的穩(wěn)定水平。因而，電網(wǎng)中不同位置、不同規(guī)模的電廠，其母線受電網(wǎng)故障的影響程度以及得到的電壓支撐程度都不盡相同，相同配置下的廠用系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性也就不一。因此，尋求一定的評估方法或判定指標，用于評估發(fā)電廠母線電壓穩(wěn)定性，分析電網(wǎng)不同運行工況，特別是不同電網(wǎng)故障對發(fā)電廠母線電壓的影響，進而可根據(jù)分析得到的母線電壓穩(wěn)定狀況，合理規(guī)劃和配置廠用系統(tǒng)，并有選擇地增強母線電壓穩(wěn)定性薄弱電廠的廠用系統(tǒng)抗電網(wǎng)故障沖擊能力，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[1-9]。

本文基于華東電網(wǎng)2013年夏高數(shù)據(jù)，根據(jù)短期過程中電壓偏移指標以及低電壓持續(xù)指，分析了具有代表性的幾個典型電廠的母線電壓穩(wěn)定狀況，并對指標分析得出的結論進行機理性解釋，得出不同位置和規(guī)模、不同電網(wǎng)故障類型對廠用母線電壓的影響規(guī)律，進而可根據(jù)電廠母線相關電壓指標推知電廠母線電壓受電網(wǎng)故障影響狀況，為廠用系統(tǒng)規(guī)劃、配置以及改造提供參考依據(jù)。

1 母線電壓穩(wěn)定性判定指標

1.1 短期過程中電壓偏移指標

根據(jù)NERC/WECC定義，系統(tǒng)暫態(tài)電壓跌落為

式中，為暫態(tài)過程中節(jié)點電壓最低幅值，為節(jié)點電壓初始幅值。

根據(jù)NERC/WECC準則，當節(jié)點Vdip≤25%時，則認為暫態(tài)過程中電壓偏移指標沒有越限；反之，則認為暫態(tài)過程中出現(xiàn)了電壓指標破壞的情況。據(jù)此，根據(jù)Vdip定義，為消除階躍效應，采用擴展的S型函數(shù)，定義電壓偏移指標VDI（Voltage Deviation Index），形成隸屬度函數(shù)如下：

由圖1可見，采用擴展S型函數(shù)后，在25%的指標分界處，可實現(xiàn)指標值的平滑過渡，以保證VDI值隨Vdip值變化的連續(xù)性。進而通過VDI值可以更加直觀的反映當前電力節(jié)點的穩(wěn)定性狀況：當 VDI值趨近于0時，電壓穩(wěn)定性指標被破壞；當VDI值趨近于1時電壓指標穩(wěn)定。

圖1 電壓偏移指標VDI的隸屬度函數(shù)

短期過程中電壓偏移指標只需根據(jù)暫態(tài)過程前后的電壓幅值即可計算得到，數(shù)據(jù)采集難度小，且指標計算復雜度低，可有效用于表征暫態(tài)過程中所判定節(jié)點電壓的穩(wěn)定性狀況。

1.2 低電壓持續(xù)指標

廠用輔機變頻調速裝置對電壓的變化非常敏感。一般，當主回路供電電壓降低至80%額定電壓時，變頻調速裝置低電壓保護功能起動，閉鎖變頻調速裝置，將導致輔機停運，并可能引起機組跳閘。

為此，根據(jù)暫態(tài)過程中節(jié)點電壓低于80%額定值的累計總時間，定義低電壓持續(xù)指標（Low Voltage Duration Index，LVDI）：

式中，ts為暫態(tài)過程的開始時刻，tf為暫態(tài)過程的結束時刻。LVDI計及節(jié)點電壓低于80%額定電壓的累計時間，與變頻調速裝置閉鎖時延直接相關，可為變頻調速裝置的選擇和配置提供參考。

2 典型發(fā)電廠母線節(jié)點的選取

通過網(wǎng)架結構分析，選取五個具有一定代表性的電廠作為研究重點，分別以字母A、B、C、D、E代表。

發(fā)電廠 A，擁有兩臺 600MW 發(fā)電機組，自身電壓支撐能力一般。電廠位于220kV電網(wǎng)末端，周邊沒有大型發(fā)電廠或者500kV電網(wǎng)聯(lián)絡節(jié)點，電網(wǎng)支撐薄弱。

發(fā)電廠 B，擁有兩臺 330MW 發(fā)電機組，自身電壓支撐能力較弱。電廠位于220kV電網(wǎng)末端，但與500kV電網(wǎng)聯(lián)絡節(jié)點距離比電廠A近，故電廠母線處電網(wǎng)支撐仍較弱，但稍強于電廠A。

發(fā)電廠 C，擁有兩臺 600MW 發(fā)電機組，自身電壓支撐能力一般。電廠母線位于500kV電網(wǎng)的中間位置，得到電網(wǎng)支撐強。

發(fā)電廠 D，擁有兩臺 660MW 的發(fā)電機組，自身電壓支撐能力強。電廠母線位于220kV電網(wǎng)的中間位置，周邊沒有直接相連的500kV聯(lián)絡節(jié)點，電廠母線得到的電網(wǎng)支撐能力一般。

發(fā)電廠 E，擁有一臺 640MW 的發(fā)電機組，自身電壓支撐能力較弱。電廠母線位于 1000kV線路末端，單從電網(wǎng)拓撲來看，其得到的電網(wǎng)電壓支撐較弱，但由于其處于 1000kV特高壓線路上，仍可得到較強的電網(wǎng)電壓支撐。

3 仿真分析

本文基于BPA仿真平臺分析和評估電網(wǎng)在不同運行狀態(tài)，特別是故障狀態(tài)下對發(fā)電廠母線電壓的影響。線路的單相接地故障是電網(wǎng)中最常見的故障類型，而線路三相短路故障則是最嚴重的一類故障，文中結合上述兩種故障類型進行仿真分析。

仿真過程中故障點選擇在電廠出線的近端，單次仿真總時長為300個周波，仿真時序為：①在仿真至第10個周波時發(fā)生故障；②在仿真至第13個周波時，切除故障，即故障的持續(xù)時間為60ms。

3.1 單相故障仿真

1）仿真結果

單相故障的BPA仿真結果如圖2、圖3所示，其中圖2為母線電壓波形，圖3為故障時勵磁系統(tǒng)強勵過程波形。

圖2 單相故障過程母線電壓

圖3 單相故障過程發(fā)電機勵磁電壓及勵磁電流

根據(jù)式（1）至式（3）計算得到發(fā)電廠一回出線近端發(fā)生單相短路接地故障時，對應發(fā)電廠母線電壓偏移指標和低電壓持續(xù)指標見表1。

2）分析

發(fā)電廠母線電壓受影響的動態(tài)過程：一方面發(fā)電廠母線電壓因發(fā)生短路故障而降低，另一方面因發(fā)電機組和電網(wǎng)的電壓支撐作用而會有所保持。Vdip和VDI值越大，說明發(fā)電廠母線電壓受故障影響下降的越多，而發(fā)電廠自身發(fā)電機組和電網(wǎng)對發(fā)電廠母線電壓的支撐作用越弱。

表1 電廠出線近端單相故障時刻電廠母線電壓指標

若發(fā)電廠出線近端發(fā)生單相接地故障，由于尚有兩個非故障相，發(fā)電廠母線尚有一定電壓。但此時故障點近，所以發(fā)電廠母線電壓幾乎完全依靠發(fā)電機組支撐，電網(wǎng)對其支撐作用極小，可認為此時發(fā)電廠母線短期過程中的Vdip和VDI值主要表征了發(fā)電廠自身發(fā)電機組提供電壓支撐能力的強弱。

表2 故障下電廠母線電壓指標排序

表2按照電廠自身電壓支撐能力的強弱順序對各電廠及其對應的母線電壓指標進行了排列。從表中不難看出：發(fā)電廠母線電壓指標Vdip和VDI值隨著電廠自身電壓支撐能力的減弱而逐漸增大，這與之前的理論分析吻合。由此，可以得出結論：發(fā)電廠出線近端單相短路情況下求得的Vdip以及VDI值可以用于評價電廠自身的電壓支撐能力；Vdip及VDI值越小，電廠自身的電壓支撐能力越強。

3.2 三相故障仿真

1）仿真結果

三相故障的BPA仿真結果如圖4、圖5所示，其中圖4為母線電壓波形，圖5為故障時勵磁系統(tǒng)強勵過程波形。電廠出線近端發(fā)生三相短路過程中，電廠母線電壓迅速跌落至接近于零，此時重點關注短路故障切除后恢復過程中發(fā)電廠母線的電壓指標，見表3。

2）分析

發(fā)電廠出線近端發(fā)生三相短路故障時，發(fā)電廠母線電壓將跌落至非常低的水平。在故障切除后的發(fā)電廠母線電壓暫態(tài)恢復過程中，主要由電網(wǎng)的調壓功能做主導。故可以認為發(fā)電廠出線近端三相接地短路故障后的母線電壓指標表征了與發(fā)電廠相連電網(wǎng)的電壓支撐能力，其指標值越大，故障切除后的電壓恢復的水平越低，即電網(wǎng)的電壓支撐能力越弱。

圖4 三相故障過程母線電壓正序分量

圖5 三相故障過程發(fā)電機勵磁電流

表3 出線近端三相故障后電廠母線電壓指標

表4按照電廠出線近端三相故障后電廠母線電壓指標的高低順序對各電廠母線進行了排序，該排序即為各電廠母線得到電網(wǎng)電壓支撐能力的強弱順序。這與理論分析結果相吻合。

表4 出線近端三相故障后電廠母線電壓指標排序

3.3 故障分析中LDVI值的應用

電網(wǎng)故障中對發(fā)電廠母線電壓影響最大的是發(fā)電廠出線近端三相短路。因此，發(fā)電廠出線近端三相短路過程中的 LDVI值和發(fā)電廠出線近端三相短路切除后電壓恢復過程中的 LDVI值之和即為發(fā)電廠母線電壓低于80%額定電壓的總時長。若廠用系統(tǒng)中的變頻調速系統(tǒng)的低電壓保護閉鎖時延大于LDVI總值，則不會使得發(fā)電廠輔機因變頻調速系統(tǒng)閉鎖而停機；反之，則會使得發(fā)電廠輔機因變頻調速系統(tǒng)閉鎖而停機，進而有可能影響發(fā)電廠發(fā)電機組的正常運行，產(chǎn)生更嚴重的穩(wěn)定性問題。

根據(jù)BPA的仿真結果，在發(fā)電廠出線發(fā)生故障時，即使是對發(fā)電廠母線影響最小的發(fā)電廠出線末端的單相短路故障，在整個故障過程中，發(fā)電廠母線電壓基本都跌落至80%額定電壓之下。而發(fā)電廠出線故障切除后的恢復過程中，即使是對發(fā)電廠母線影響最大的發(fā)電廠出線近端的三相短路故障，其故障切除后的發(fā)電廠母線電壓基本上都能較快恢復到80%額定電壓之上。因此發(fā)電廠出線故障整個過程中的 LDVI總值主要取決于發(fā)電廠出線故障的切除時間，故障切除時間越短，LDVI總值越小，發(fā)電廠輔機因變頻調速系統(tǒng)閉鎖而停機的風險越小。

因此針對此種情況，一方面要加快電網(wǎng)故障的切除速度，另外一方面可以在設備安全運行允許的范圍內盡可能的延長發(fā)電廠輔機變頻調速系統(tǒng)的閉所保護時延，使其可以大于發(fā)電廠出線近端三相短路故障時的LDVI總值。

4 結論

本文通過仿真研究，總結了發(fā)電廠出線近端單相短路和三相短路過程中的電壓偏移指標Vdip、VDI值以及LDVI值的變化規(guī)律，并得出如下結論：

1）短期過程中的電壓偏移指標 Vdip以及 VDI值可以有效用于評估電廠母線電壓的穩(wěn)定狀況。

2）電廠出線近端單相短路過程的Vdip以及VDI值可以用于評估電廠自身發(fā)電機組對電廠母線的電壓支撐能力。

3）電廠出線近端三相短路故障切除后恢復過程的Vdip以及VDI值可以用于評估電網(wǎng)對發(fā)電廠母線的電壓支撐能力。

4）電廠出線故障過程中的低電壓持續(xù)指標LDVI值，可以為廠用輔機變頻調速系統(tǒng)低電壓保護閉鎖延遲時間的選取和整定提供參考。

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