发电厂主开关站失步振荡的一种控制策略_朱太波.pdf

发电厂主开关站失步振荡的一种控制策略朱太波，赵曙伟（苏州热工研究院有限公司，广东 深圳 ）摘要：现代电力系统容量大、结构错综复杂、运行方式灵活多变，主开关站高压线路的设备故障和非计划停电都会对其产生重大影响。以某发电厂为例，在主开关站配置失步解列装置，电力系统失步振荡时，做出相应的控制措施，使得系统与发电厂机组相对独立，达到主网和机组恢复稳定的目的。通过对比切除机组和切除线路的解列方式，采取双回线接入一套失步解列装置和切除失步线路的控制策略，可行并具有一定的优越性，对发电厂机组运行影响相对较小，为提升发电厂主开关站的稳定性提供了解决方案。关键词：主开关站；失步；振荡；控制；策略中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：朱太波（），从事电力系统继电保护及安全自动装置的技术研究工作：赵曙伟（），高级工程师，从事电力系统继电保护及安全自动装置的技术研究工作。引言现代大型发电厂作为电网重要的电源节点，是向地方枢纽城市输送电力的重要电源支撑，高压输电线路的设备故障和非计划停电都会对电网的结构、运行方式产生重大影响，影响电网的整体稳定性，如果出现线路因故障切除而停运，就会导致电网功率超额，可能引起电网振荡、电压崩溃，甚至大面积停电。为解决部分运行方式下主开关站对外暂态功角失稳问题，有必要采取相应的控制策略，维护主开关站输电的稳定性，进而保证发电厂内发电机、变压器等主设备的安全。概况南方电网某发电厂建设有台 发电机组，主开关站通过条输电线路以方式接入 系统。在对其进行的第三道防线控制方案和送出安全稳定控制策略的适应性分析中，明确了三回线运行方式下的暂态功角稳定功率极限为 ；两回线运行方式下的暂态功角稳定功率极限为 ；一条输电线路不具备台机组满发的电力输送能力，稳控装置线路单线过载切机基准值为 。在表所述的运行方式下，一回三永一回单瞬故障（）或稳控装置拒动后存在功角失稳风险。表不同方式的失稳风险运行方式故障模式三回线运行一回三永一回单瞬故障两回线运行一回三永一回单瞬故障三台及以上机组满发，仅剩一回线稳控装置拒动功角失稳会对电网产生无法长期耐受的冲击，进一步发展可能导致电网发生大面积停电的严重事故。在输电线路发生失步振荡的工况下，机组与系统相互影响，若无电力自动化电工技术 控制措施，则可能引起发电机超速、厂内设备损坏等后果，影响机组及电网的安全稳定。控制策略 失步解列失步解列是当发电机和电力系统之间失去同步并无法恢复时，将它们之间的联系切断，分成相互独立、互不联系的两部分的技术措施。失步解列装置是最终为维持电力系统稳定运行、防止事故扩大造成严重后果的重要措施，是维持电力系统安全稳定运行的第三道防线。为避免单台失步解列装置误动导致全厂机组同时被切除的风险，按照“采用双重化配置，双主运行”的原则，在主开关站按照每两回线共用一套装置的原则配置失步解列装置，采集线路的电流和电压信号，通过计算 反映振荡中心的电压。利用振荡中心电压的变化轨迹判别电力系统失步，根据振荡中心电压的变化规律来区分失步振荡、同步振荡和短路故障，在电力系统失步振荡时，采取切除失步线路的控制措施。将 的变化范围划分为个区域，失步振荡时 逐级穿过。双重化配置的失步解列装置采集电气量（线路电压、电流）、开出量（跳闸、信号），通信等回路相互独立、互不影响，任一套装置异常均不影响失步解列功能的实现。失步机理电力系统发生失步振荡时，一般可将其中的所有机组分为两个机群（如图所示），两等值机群电势分别为和，振荡中心电压为。图两机等值系统取为参考向量，相位角为，幅值为，电源频率为；侧系统等值电势的初始相角为（即系统正常运行时的功角为），电源频率差为，则可得：（）（）（）以及如图所示的等值系统向量图。图 两机等值系统向量两系统的功角为：（）由图可知，系统振荡中心电压为 ：（）（）（）由式（）可知，振荡中心电压与功角之间存在确定的函数关系，作为状态量的功角是连续变化的，因此振荡中心电压也是连续变化且过零点的，故在失步振荡时可利用振荡中心电压的变化反映功角的变化。加减速失步检测系统主网与本厂站侧频率，当系统同步运行时，两侧电源频率差为零，振荡中心电压保持不变；当系统失步振荡运行时，两侧电源出现频率差 ，振荡中心电压呈周期性变化。系统电源频率低于本厂站电源频率（即频率差）时，送出线路为加速失步，振荡中心电压的变化规律为（如图所示），振荡的幅度越来越大，功角不断增大，直至脱出稳定范围，进入异步运行。图加速失步电压变化系统电源频率高于本厂站电源频率（即频率差）时，送出线路为减速失步，振荡中心电压的变化规律为（如图所示），振荡的幅度越来越小，功角的摆动逐渐衰减，最后稳定在某新的功角下，仍以同步转速稳定运行 。图 减速失步电压变化 失步逻辑鉴于两回线接入一套失步解列装置的配置，考虑两种方式下的逻辑。（）“二取二”功能退出。装置检测到任一条线路发生失步振荡时，采取切除该失步线路的控制策略，使之断开与主开关站的系统连接，消除其对厂内设备的影响。（）“二取二”功能投入。接入同一装置的两条线路均检测到发生失步振荡时，采取切除两条失步线路的控制电工技术电力自动化策略；只有一条线路发生失步振荡时，不发出任何控制指令。在一 条 线 路 停 运、检 修、线 路 无 流、电 流 互 感 器（，）断线、电压互感器（，）断线等工况下，正常运行的线路检测到失步振荡时，仍发出切除两条线路的控制指令。“二取二逻辑”示意如图所示。图 二取二逻辑 解列条件主开关站输电线路不太长，可引起失步振荡的短路故障下，失步解列装置安装处母线电压可以在短路后低于 。发电厂内所有发电机出力相近，可看作同一机群，可将发电厂和系统主网看作两个系统。忽略两机转子摇摆（固定电动势频率），若发电厂对外一直失步，则具有电气量特征：，（）正常情况下，和都远大于 ，失步振荡时母线电压往复性摆动，指标不可能在 内振荡，因此采取的解列条件为：低电压启动后，母线电压低于 ；母线 同向穿越 区域次。解列方式 切除机组在发电厂对外失步振荡（发电厂为一领先机群）时，如果能识别并切除其中的主动超前群，那么发电厂剩余机组就有机会自动牵回同步。然而，在通过失步解列装置解开部分发电机时，被选定的发电机或发电机顺序是固定的，与随运行状态变化机组出力并无必然联系，因此无法保证事先选定的解列机组包含任意运行场景下的主动超前群。即便能识别并解开领先超前群，也很难保证解列时剩下的机组运行点仍在稳定区域内。无论采用一周期还是两周期判据 ，都存在一次解列部分机组时保留一台机，解列后剩余机组仍暂态功角失稳（如图、图所示）的情况，因此不宜采用一次解列部分机组的解列方式。图剩余一台机时的母线 波形图 剩余一台机时的两机等值系统相角差波形在解开部分机组后，确实存在剩余机组恰好都属于滞后超前群，从而最终被系统牵回同步的可能性。考虑到大规模发电厂机组全停带来的安全稳定压力，降低误动风险，可分两次解开所有机组，即发电厂内全部机组与系统解列。通常，剩余一台机即可达成避免电厂全停风险的目的，因此第一次解机组台数应按剩余一台机设置。由于剩余机组被牵回同步（如果能被牵回）需要时间，因此两次解机组的时间间隔不宜少于两个周期。但是采用切除全部机组的方式，会对机组控制、厂内公共资源供应、人员应急响应等运行控制带来较大压力。单元机组运行人员需兼顾两台机组同时瞬态响应，必然削弱机组的指导控制，带来人员失误偏差、扩大事故的风险；对于全部机组同时出现甩负荷工况，需更多维修保障人力支援，参与响应的专业人员资源也将面临极大考验。切除线路每两条线路配置一套装置，单一装置误动至多切除两条线路，可避免切除全厂机组的风险；避免切除主开关站全部线路，造成全部机组需转入孤岛运行的风险。当系统主网与本厂站侧电势功角摆到 时，失步解列装置安装处母线电压最低，且该电压值与装置安装处到振荡中心的距离成正比。无论“二取二”功能退出与投入，装置可通过计算线路振荡中心电压检测发生失步振荡的线路，做出最小范围的动作出口（仅切除发生失步振荡的线路），停电范围较小。在如图所示的两机等值系统阻抗图中，为发电厂侧阻抗，为线路侧阻抗，为系统侧阻抗。图两机等值系统阻抗电力自动化电工技术 区内失步振荡时装置动作，区外失步振荡时装置不动作。失步解列装置判断发生区内失步振荡、发生区外失步振荡的基本原理分别为：（）（）当发生区内失步振荡并切除失步线路之后，剩余线路若能满足 运 行 机 组 的 输 送 能 力，则 对 机 组 运 行 状 态 无影响。综上所述，无论采用切除机组还是切除线路的解列方式，最终都是使得发电厂内机组从与之失步的系统中脱离，并考虑装置误动带来的风险比较，采用两回线接入一套失步解列装置并切除失步线路的控制策略具有一定优越性，且只需考虑投入“二取二”与否的切除线路策略，无需考虑全部线路或机组的切除排序逻辑问题。运行控制主开关站线路属同一电网系统，最严重情况下存在全部线路均发生失步振荡而导致全部被切除的可能性，此时发电厂内机组均进入孤岛运行，机组甩负荷，发电机频率、电压在此过程中会发生变化，同时也会面临切除全部机组方式下的诸多考验。频率控制发电机甩去大部分负荷（仅剩下厂用电负荷），由于原动机的惯性，输入转矩不变，负荷减少，电磁功率减少，不再平衡，机组最显著的特征就是转子加速、转速上升，需要汽轮机调速系统以尽可能快的速度关闭所有调门，切断汽轮机进汽，限制机组转速飞升。待超速高峰过去后，在转速降低到给定转速之前，所有调门切回调速系统控制，由调速系统控制机组转速平稳过渡到稳态，并维持机组在额定转速下运转。若其特性不理想，则可能造成发电机高频保护或汽轮机超速保护动作。电压控制机组突然甩负荷后，感性负荷电流对发电机电枢反应的去磁作用消失，根据磁链守恒原理，穿过励磁绕组的磁通不能突变，会使发电机端电压升高，需励磁调节器紧急减励磁，通过改变整流桥控制角调整励磁电压输出，进而维持机端电压在额定值 。若其调节特性欠佳，则可能造成伏赫兹限制器动作，发电机过电压或过激磁。控制效果电力系统正常运行时，系统中的发电机保持同步运行，即发电机的转子都以相同的速度旋转。当系统遭受大的扰动后，发电机转速将出现差异，不能保持同步运行。此时为保持系统的稳定性，需要采取相关措施使得系统中的发电机保持相同的转速。如果仍无法保持发电机转速相同，那么系统中的发电机之间将会发生失步振荡。为了避免这种情况的出现，应对失步的电力系统实施解列。解列后系统的功率平衡可能会遭到破坏，导致频率和电压发生变化，因此需要对电源和负载进行调整，以维持系统功率的平衡，保持系统的稳定运行。为保证发电厂对外暂态功角失稳时主网和发电厂的运行安全，分析了两种切除机组的失步解列方式：一次解开机组，剩余一台机组；两次解开所有机组（第一次剩余一台机）。为降低发电厂全部机组转入孤岛运行或全停带来的安全风险，采取两回线共用一套装置的配置方案，采用切除失步线路的控制策略，在维护厂网稳定的同时，对发电厂机组运行影响相对较小。对于处于不同电网系统的发电厂采取何种解列方式较为适宜，还需对厂网系统进行深入、具体的分析。结语我国电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为三级，设置三道防线是我国电网安全稳定运行的经验，因此需要加强三道防线建设，不断提高电网的安全稳定运行水平。高压电力系统结构错综复杂、运行方式灵活多变，除常规电气故障外，还会遭受自然灾害的侵袭，为维护电网系统的安全稳定，需要具备完善的防护体系。在主开关站发生失去稳定性或失去同步的工况下，作为第一道安全防线的继电保护装置已无法发挥作用，失步解列装置的运用，为其输电稳定性提供了保驾护航的作用，为维护电网系统和发电厂内主设备的安全稳定发挥着极其重要的作用，避免造成设备损坏等经济损失。失步解列装置采取切除失步线路的出口方式，且按照两回线使用一套装置的配置，规避了误切除机组的风险，具有一定的独到之处，但需谨慎分析其适用性。参考文献 顾卓远，汤涌，易俊，等 电力系统功角失稳与局部感应电动机失稳相互影响机理分析电网技术，（）：李振兴，王振宇，翁汉琍，等兼顾源网安全的大规模电力外送基地多机失步保护动作策略电力系