送端電網(wǎng)發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量對轉(zhuǎn)子加速能量堆積的影響

送端電網(wǎng)發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量對轉(zhuǎn)子加速能量堆積的影響

0提高電網(wǎng)輸電能力的基本保障地位分析電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，由各種負(fù)荷組成，比如輸電站、fact、hvdc和其他負(fù)載組成。受一次能源分布因素制約,通常發(fā)電廠位于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的偏遠(yuǎn)地區(qū),大容量電力需經(jīng)輸電網(wǎng)絡(luò)送至負(fù)荷端,因此電網(wǎng)的輸電能力是決定系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平和運行效率的重要依據(jù)。電網(wǎng)的輸電能力與單體設(shè)備載流能力、系統(tǒng)性決定的暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定,以及仿真計算水平、穩(wěn)定性考核標(biāo)準(zhǔn)等因素有關(guān)。在電網(wǎng)建設(shè)初期或過渡期,由于一次系統(tǒng)投資較大且建設(shè)周期較長、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素影響,通常主干網(wǎng)架較為薄弱,電源外送容量與電網(wǎng)輸電能力之間的矛盾突出,對于豐水期水電基地外送系統(tǒng)更為突出。為提高電網(wǎng)輸電能力,可進(jìn)行輸電通道增容擴(kuò)建、安裝FACTS縮短送出通道電氣距離或提高電壓支撐能力,但這些措施需要大量的一次系統(tǒng)投資。此外,還可利用直流快速功率控制等措施,提高電網(wǎng)輸電能力和抵御故障沖擊能力,但僅適用于交直流混聯(lián)的特定電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。青藏直流饋入后,藏中電網(wǎng)供電能力和運行可靠性得到顯著改善。但藏中主干網(wǎng)架尚較為薄弱,其中林芝電網(wǎng)與主網(wǎng)單回長距離互聯(lián)線路輸電能力較低,是威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和制約豐水期林芝富裕水電外送的重要因素。提高過渡期藏中主網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和重要通道外送能力,具有重要意義和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。本文首先基于等面積定則原理,分析送端電網(wǎng)發(fā)電機組轉(zhuǎn)動慣量水平對擾動后加速能量和最大減速能量的影響,揭示提高轉(zhuǎn)動慣量水平提升電網(wǎng)輸電能力的機制。以豐水期西藏林芝水電外送型電網(wǎng)為例,研究老虎嘴主力水電站開機方式對林芝外送輸電能力的影響,研究結(jié)論為西藏電網(wǎng)建設(shè)過渡期提高主干網(wǎng)輸電能力、提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和運營效率提供重要技術(shù)依據(jù)。1影響環(huán)境質(zhì)量系統(tǒng)的額外減速能量1.1聯(lián)絡(luò)線功能分析針對如圖1所示的送端電網(wǎng)經(jīng)雙回線與主網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng),研究雙回線三永N-1故障擾動下,送端機組轉(zhuǎn)動慣量大小對極限外送能力的影響。故障前、故障時以及故障后聯(lián)絡(luò)線功角特性分別如式(1)—(3)所示。式中:PeI、PeII、PeIII分別為故障前、故障時和故障后聯(lián)絡(luò)線外送功率;Ug、Us分別為送端與受端母線電壓;XI和XIII分別為故障前和故障后聯(lián)絡(luò)線阻抗;uf064為聯(lián)絡(luò)線兩端功角差。分析中,假設(shè)送端機組在勵磁調(diào)節(jié)器的作用下能夠保持故障清除后聯(lián)絡(luò)線送端電壓Ug恒定;由于受端系統(tǒng)短路容量較大,擾動過程中亦可保持聯(lián)絡(luò)線受端電壓Us恒定;送端系統(tǒng)不考慮原動機及其調(diào)節(jié)器的動作,即機械注入功率維持恒定。1.2發(fā)電機轉(zhuǎn)速隨機負(fù)荷變化的規(guī)律決定電力系統(tǒng)遭受大擾動后一擺暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,是故障擾動中送端系統(tǒng)積聚的加速能量是否能被故障清除后系統(tǒng)所能提供的最大減速能量所吸收,若最大減速能量大于加速能量,則系統(tǒng)能夠保持暫態(tài)穩(wěn)定;反之系統(tǒng)將失去暫態(tài)穩(wěn)定。如圖1所示,送端等值發(fā)電機組轉(zhuǎn)子運動方程如式(4)(5)所示,式中uf077和uf0770分別為發(fā)電機轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速、M為發(fā)電機慣性時間常數(shù)、Pm為機械輸入功率。由以上2式可推導(dǎo)出故障清除tc時刻送端發(fā)電機的轉(zhuǎn)速ωc和δc,分別如式(6)(7)所示。由此可見,發(fā)電機最大擺角與機械輸入功率、故障切除時間成正比,與發(fā)電機慣性時間常數(shù)則成反比。故障期間不平衡功率驅(qū)動轉(zhuǎn)子加速,轉(zhuǎn)子積聚動能,對應(yīng)的加速面積如式(8)所示?？梢钥闯?發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量越大,加速能量越小;機械注入功率越大或故障清除時間越長,則加速能量越大。1.3轉(zhuǎn)子角過渡uf064c故障清除后電磁功率大于機械功率,發(fā)電機轉(zhuǎn)子減速。由于轉(zhuǎn)子慣性,在發(fā)電機角速度降至同步轉(zhuǎn)速前,發(fā)電機轉(zhuǎn)子角依然增大。若在轉(zhuǎn)子角達(dá)到不穩(wěn)定平衡點uf064u之前,轉(zhuǎn)子角速度能降至同步轉(zhuǎn)速并開始回擺,則系統(tǒng)穩(wěn)定;否則,轉(zhuǎn)子角越過uf064u之后,機械功率將再次大于電磁功率,發(fā)電機失去制動力矩,送受端系統(tǒng)將失去暫態(tài)穩(wěn)定性。故障后發(fā)電機最大的減速能量Ad如式(9)所示。其中分量Ad1和Ad2分別如下:在考察轉(zhuǎn)動慣量為變化量,其他量均維持不變的條件下,減速能量分量Ad2為一恒定值,減速能力分量Ad1則取決于故障切除時刻對應(yīng)的uf064c。在故障后不穩(wěn)定平衡點uf064c處,機械功率Pm滿足式(3),將該式代入Ad1,并對δc求導(dǎo)可得Ad1對角度uf064c的導(dǎo)數(shù)小于零,意味著減小uf064c則可增大減速面積。由1.2節(jié)分析可知,在系統(tǒng)條件相同時,增加送端機組轉(zhuǎn)動慣量,可降低故障清除時刻功角擺幅,因此可增加故障清除后最大減速面積,有利于提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平。1.4uf02試驗由以上分析可以看出,增加送端系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量水平,一方面可以降低送端機組在故障期間不平衡功率積聚的加速能量,另一方面則可以增加故障清除后系統(tǒng)所能提供的最大減速能量。因此綜合2方面因素,如圖2所示,增加送端轉(zhuǎn)動慣量水平后,對應(yīng)加速與減速面積相等的臨界穩(wěn)定對應(yīng)的外送功率水平mPuf0a2較原功率mP能夠增加(35)Pm,輸電能力能提升(35)Pm。以圖1所示系統(tǒng)為例,送端發(fā)電機采用Euf0a2恒定模型,折算至系統(tǒng)基準(zhǔn)容量下的單臺機組參數(shù)分別為:主變電抗Xt=0.1pu、發(fā)電機暫態(tài)電抗Xduf0a2=0.2pu、發(fā)電機動能EMWS=120MW*s;單回送電線路電抗Xl=0.3pu。不同開機臺數(shù)條件下,外送一回線三永N-1故障約束的極限外送功率水平如圖3所示,其中外送功率由各機組平均分?jǐn)?。由圖3可見,增加開機臺數(shù)提高送端系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量,外送功率極限水平將持續(xù)提升。但值得關(guān)注的是,隨著開機臺數(shù)增加,極限功率提升幅度將變緩,并趨于飽和。2外送極限功率如圖4所示,林芝電網(wǎng)與西藏主網(wǎng)通過單回220kV長距離線路互聯(lián),其境內(nèi)水力資源較為豐富,老虎嘴電站是西藏電網(wǎng)的主力電源,裝機容量為3臺3.4萬kW水電機組,此外還擁有雪卡、冰湖、八一等小型水電站。老虎嘴電站的投運將增強林芝電網(wǎng)與藏中主網(wǎng)間的電力互補,對提高電網(wǎng)供電可靠性和供電能力、緩解電力供需矛盾、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,具有重要意義。另一方面,西藏電網(wǎng)主網(wǎng)架仍較為薄弱,林芝與藏中主網(wǎng)間僅通過一回長298km的220kV線路互聯(lián)。計算分析表明老虎嘴電站一臺機組運行方式下,維持聯(lián)絡(luò)線單相瞬時性故障擾動后林芝電網(wǎng)與藏中主網(wǎng)同步穩(wěn)定運行的極限外送電功率水平約為58MW。在該外送功率水平下,進(jìn)一步增開老虎嘴電站機組,受擾后聯(lián)絡(luò)線P-δ和ω-δ軌跡特性曲線如圖5所示。從圖5可以看出,相同外送功率時,增加外送型林芝電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量水平,可顯著降低相同擾動下聯(lián)絡(luò)線兩端母線功角擺幅,提升電網(wǎng)穩(wěn)定裕度。計算表明,老虎嘴電站開啟2臺和3臺機組條件下,外送極限功率分別可提升至81MW和94MW。因此,在西藏主網(wǎng)架較為薄弱的過渡期,可通過合理安排送端電源開機方式,實現(xiàn)提升電網(wǎng)安全運行水平、提高電網(wǎng)運行效率和供電能力的目標(biāo)。3提升西藏電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平1)增加外送型電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量水平,可減小擾動清除時刻所對應(yīng)的發(fā)電機功角最大擺幅,降低故障期間機組轉(zhuǎn)子中積聚的加速能量,同時增大擾動清除后系統(tǒng)所能提供的最大減速能量,有助于提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和外送電能力。2)西藏電網(wǎng)主干網(wǎng)架尚較為薄弱,處于建設(shè)過渡期,外送型林芝電網(wǎng)與主網(wǎng)單通