基于綜合負(fù)荷模型的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

基于綜合負(fù)荷模型的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

0動(dòng)態(tài)負(fù)荷部分電力系統(tǒng)負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型是指負(fù)荷功率、電壓和頻率之間的關(guān)系特征，這對(duì)電氣系統(tǒng)的暫時(shí)穩(wěn)定模擬分析結(jié)果有重要影響。目前,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和恒阻抗并聯(lián)的綜合負(fù)荷模型被我國部分大區(qū)電網(wǎng)所采用。恒阻抗模型作為靜態(tài)負(fù)荷模型在暫態(tài)過程中電壓、頻率特性較為明確。動(dòng)態(tài)負(fù)荷部分——感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性卻相對(duì)復(fù)雜。盡管電動(dòng)機(jī)模型的各個(gè)參數(shù)都對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著或大或小的影響,但是對(duì)于確定的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型,當(dāng)其在負(fù)荷中所占比例較大時(shí),其影響必然較大。因此,在負(fù)荷特性研究和負(fù)荷建模中,動(dòng)態(tài)負(fù)荷的比例都是重點(diǎn)研究的因素之一。本文以河南電網(wǎng)為例,在對(duì)各供電區(qū)負(fù)荷特性初步調(diào)查的基礎(chǔ)上選取了負(fù)荷組成較為典型的部分供電地區(qū),采用暫態(tài)安全定量分析軟件FASTEST分析在各變電站施加擾動(dòng)時(shí),負(fù)荷模型中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比例調(diào)整對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。1河南電網(wǎng)負(fù)荷模型的基本特征1.1負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性河南電網(wǎng)現(xiàn)以220kV網(wǎng)絡(luò)為主網(wǎng)架,500kV輸電網(wǎng)初具規(guī)模。以三回500kV交流線路與華中電網(wǎng),單回500kV交流線路與華北電網(wǎng)同步互聯(lián)運(yùn)行。2005年夏季最高負(fù)荷約17GW。截至2005年底,裝機(jī)容量將達(dá)到20GW。河南電網(wǎng)共有220kV變電站90余座,主要的電力負(fù)荷為:民用;采礦;鋁廠;化工廠;城鎮(zhèn)工業(yè);農(nóng)業(yè);小電廠;電氣化鐵路等。220kV變電站的負(fù)荷中上述負(fù)荷所占的比重不同,其綜合動(dòng)態(tài)特性也會(huì)不同。但是,分別建立準(zhǔn)確描述各變電站負(fù)荷特性的模型還存在一定困難,因此在目前仿真計(jì)算中還采取全網(wǎng)統(tǒng)一的負(fù)荷模型。根據(jù)調(diào)研分析,選取了20個(gè)變電站分析負(fù)荷模型對(duì)穩(wěn)定性的影響,以期為今后的負(fù)荷建模工作提供依據(jù)。1.2模型的建立及參數(shù)說明在目前的穩(wěn)定計(jì)算中,河南電網(wǎng)采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型和恒阻抗并聯(lián)的負(fù)荷模型。其中,用戶負(fù)荷節(jié)點(diǎn)采用50%電動(dòng)機(jī)加50%恒阻抗模型,發(fā)電廠廠用電采用65%電動(dòng)機(jī)加35%恒阻抗模型。動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型選取綜合穩(wěn)定程序I型馬達(dá)模型,考慮了轉(zhuǎn)子回路電磁暫態(tài)過程和轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)暫態(tài)過程。描述其機(jī)電暫態(tài)過程的微分方程為:{Tjdsdt=Mm?MeT′d0dE′dt=?E′?jKz(X?X′)?jT′d0E′s2πf0(1)式中:s為滑差;E′為暫態(tài)電勢(shì);f0為頻率;T′d0為定子開路轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù);Kz為等值電路中將機(jī)組本身基值阻抗轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)基值阻抗的系數(shù)。X和X′可由表1參數(shù)計(jì)算得到。等值電路和參數(shù)如圖1和表1所示。R1為定子電阻;X1為配網(wǎng)等值電抗和定子漏抗之和;XM為勵(lì)磁電抗;R2和X2為轉(zhuǎn)子電阻和漏抗;Tj為轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)。2實(shí)例分析2.1功角穩(wěn)定性分析針對(duì)2005年夏季華中電網(wǎng)和華北電網(wǎng)解網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行數(shù)值仿真。施加的擾動(dòng)為母線三相永久短路故障,0.1s跳開所有出線切除故障。河南電網(wǎng)負(fù)荷模型中電動(dòng)機(jī)比例變化范圍為10%~90%,以10%為一檔,共劃分為9檔。仿真計(jì)算結(jié)果表明河南電網(wǎng)具有良好的功角穩(wěn)定性,在上述故障下電網(wǎng)穩(wěn)定裕度較大,且隨電動(dòng)機(jī)模型比例的調(diào)整變化不大,部分計(jì)算結(jié)果如圖2所示。利用暫態(tài)安全定量分析軟件FASTEST計(jì)算采用不同負(fù)荷模型時(shí)的暫態(tài)功角穩(wěn)定CCT,部分結(jié)果如圖3所示?？傮w上,在極限條件下功角穩(wěn)定性隨電動(dòng)機(jī)模型比例的提高而降低。按照故障點(diǎn)在不同變電站時(shí)所表現(xiàn)出的特性可以分為兩類:(1)在電動(dòng)機(jī)模型比例較小時(shí),功角穩(wěn)定性變化不大,當(dāng)達(dá)到40%~60%的比例時(shí),功角穩(wěn)定性持續(xù)下降,如古固寨、金岱、計(jì)山等;(2)功角穩(wěn)定性隨電動(dòng)機(jī)模型比例的提高持續(xù)下降,如漯河、柳林、商丘等。2.2機(jī)端電壓缺失造成的穩(wěn)定性下降負(fù)荷對(duì)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在對(duì)機(jī)組加速功率的影響。根據(jù)EEAC理論,受擾多機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以歸結(jié)為該特定擾動(dòng)下的兩個(gè)互補(bǔ)機(jī)組子集間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如果一種因素趨于增加臨界群的加速功率,則不利于減小兩群間的相對(duì)加速度,將使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度降低。在暫態(tài)過程中,負(fù)荷母線電壓降低。恒阻抗負(fù)荷吸收的功率與電壓平方成正比,在暫態(tài)過程中其吸收的功率迅速減少。忽略電磁暫態(tài)過程時(shí),感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方和轉(zhuǎn)差都有關(guān)系。兩者吸收的功率孰多孰少需根據(jù)具體的暫態(tài)過程確定。但是,在經(jīng)歷低電壓時(shí),電動(dòng)機(jī)必然趨于減速,在此過程中其電流和無功功率劇增。故障點(diǎn)附近電壓跌落較為嚴(yán)重,附近機(jī)組受電動(dòng)機(jī)無功負(fù)荷增大的影響,機(jī)端電壓跌落嚴(yán)重而且恢復(fù)較慢。這造成機(jī)組加速功率增加,同步力矩降低。在穩(wěn)定裕度計(jì)算中,快速切除故障使得故障點(diǎn)附近母線電壓跌落較小,且恢復(fù)較快,所以負(fù)荷功率變化不大,對(duì)穩(wěn)定性影響較小。在CCT計(jì)算中系統(tǒng)臨界失穩(wěn),因此電壓跌落嚴(yán)重,負(fù)荷功率變化較大,對(duì)穩(wěn)定性影響增大。計(jì)算中的臨界模式有兩種:(1)川渝機(jī)組為臨界群,2擺失穩(wěn),如圖3中表示為“*”的算例。典型的臨界失穩(wěn)算例如圖4所示。(2)河南機(jī)組或故障點(diǎn)附近機(jī)組為臨界群,首擺失穩(wěn),如圖3中表示為“+”的算例。典型的臨界失穩(wěn)算例如圖5所示。對(duì)于失穩(wěn)模式(1),由于負(fù)荷模型的改變只影響了占余下群總?cè)萘考s30%的河南機(jī)組的加速功率,且在第二擺中,余下群電壓的恢復(fù)使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行趨于正常,因此系統(tǒng)穩(wěn)定性隨電動(dòng)機(jī)比例的增加改變不大。失穩(wěn)模式(2)中,河南機(jī)組或故障點(diǎn)附近的河南機(jī)組構(gòu)成臨界群,其加速功率受電動(dòng)機(jī)模型的影響較大,因而隨電動(dòng)機(jī)模型負(fù)荷比例的增加,系統(tǒng)穩(wěn)定性迅速降低。在古固寨、金岱、計(jì)山等站施加擾動(dòng),當(dāng)電動(dòng)機(jī)比例小于40%~60%時(shí),臨界失穩(wěn)模式為模式(1)。隨電動(dòng)機(jī)比例增加,臨界失穩(wěn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ?2)。在漯河、柳林、商丘等站施加擾動(dòng),則失穩(wěn)模式始終維持為模式(2)。因此,隨電動(dòng)機(jī)模型比例增加,其功角穩(wěn)定性會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。3電動(dòng)負(fù)荷模型比例對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響電動(dòng)機(jī)和恒阻抗并聯(lián)的負(fù)荷模型是常用的機(jī)理負(fù)荷模型。隨著電力市場(chǎng)和區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展,電網(wǎng)運(yùn)行必將趨于其穩(wěn)定極限,電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型比例的變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也更明顯。本文的仿真分析表明,電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比例的調(diào)整過程會(huì)引起失穩(wěn)模式的變化,而在不同的失穩(wěn)模式下