一种预防电力系统振荡的方法
【专利摘要】本发明公开了一种预防电力系统振荡的方法，在电力系统的变压器中压侧串联电抗器，在电力系统的变压器中压侧串联电抗器，调整该电抗器的电抗值以使三相短路故障时线路电抗与变压器中压侧电抗无法相互抵消。所述电抗器两端并联快速开关，所述快速开关动作时间小于10ms。本发明方法是从原理上破坏振荡发生的机理，抑制系统振荡的发生，对电力系统振荡起到真正的预防作用；通过调整电抗器电抗值来控制振荡预防效果，较传统方法灵活、高效；在电网建设前期规划时或工程设计阶段即采用本发明方法，避免了后期建设，减少了电力系统生产维护人员的工作量，优化了总投资。
【专利说明】
一种预防电力系统振荡的方法
技术领域
[0001]本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种预防电力系统振荡的方法。
【背景技术】
[0002]在电力系统正常运行时，所有发电机都以同步转速旋转，这时并列运行的各发电机之间相位没有相对变化，系统各发电机之间的电势差为常数，系统中各点电压和各回路的电流均不变，这是一种电力系统的自然稳定状态。当电力系统由于某种原因受到干扰时(如短路、故障切除、电源的投入或切除等)，这时并列运行的各同步发电机间电势差相角差将随时间变化，系统中各点电压和各回路电流也随时间变化，呈现一种失稳状态，这种现象称为振荡。
[0003]引发电力系统振荡的主要原因有以下五点:(I)输电线路输送功率超过极限值造成静态稳定破坏；(2)电网发生短路故障，切除大容量的发电、输电或变电设备，负荷瞬间发生较大突变等造成电力系统暂态稳定破坏；(3)环状系统(或并列双回线)突然开环，使两部分系统联系阻抗突然增大，引起稳定破坏而失去同步；(4)大容量机组跳闸或失磁，使系统联络线负荷增大或使系统电压严重下降，造成联络线稳定极限降低，易引起稳定破坏；(5)电源间非同步合闸未能拖入同步。
[0004]振荡是电力系统最为严重的一类系统事故，它可能发展为电力系统大面积停电，也可能引起电力系统设备的严重损坏。因此电力行业一直期望预防和控制电力系统振荡事故/事件的发生，但目前电力行业在系统振荡上的预防措施仍停留在继电保护快速切除故障线路、避免使发电机的容量大于被投入空载线路的充电功率、避免发电机带空载线路启动和以全电压向空载线路合闸等，该类方法对电力系统控制振荡的主动性不强、实用性有限，难以从根本上预防电力系统振荡。在实际应用中，除了考虑上述控制方法外还必须在现场增配振荡解列装置等第三道防线设备，用于作为事故后(振荡发生后)控制措施，避免系统振荡恶化。这一方面增加了投资，另一方面仅仅起到了控制作用，没有起到预防作用，且延误了预防、控制振荡的最佳时间。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种可靠性高、能灵活控制振荡预防效果、能快速切除故障、简单、成本低的预防电力系统振荡的方法。
[0006]本发明采用如下技术方案解决上述技术问题:
[0007]一种预防电力系统振荡的方法，在电力系统的变压器中压侧串联电抗器，在电力系统的变压器中压侧串联电抗器，调整该电抗器的电抗值以使三相短路故障时线路电抗与变压器中压侧电抗无法相互抵消。
[0008]所述电抗器两端并联快速开关，所述快速开关动作时间小于1ms
[0009]本发明的优点在于:
[0010]1、本发明方法能对电力系统振荡起到真正的预防作用，而并非事故后的控制作用。
[0011]2、传统方法仅从外在因素层面比如:继电保护快速切除故障线路，要求提高继电保护装置的故障快速切除率等来尽量避免振荡发生，而本发明方法是从根本原理上抑制系统振荡的发生，即从原理上破坏振荡发生的机理，且电抗器的投切由快速开关控制，能在最佳时间化解电力系统振荡，起到真正的预防和控制作用。
[0012]3、本发明方法可以通过调整电抗器阻值来控制振荡预防效果，较传统方法灵活、尚效。
[0013]4、本发明方法在中压侧线路故障时快速开关在1ms内动作跳闸，同时串入电抗器，电抗器具备限流作用，将故障电流控制到正常负荷电流水平，相当于故障得以快速切除，保持系统稳定。
[0014]5、由于电抗器具备一定的阻值，且电抗器成感性，容易导致系统谐波，本发明由快速开关控制电抗器的切除，避免电抗器长时间投入带来的系统损耗和电压降，实现节能降耗。
[0015]6、在电网建设前期规划时或工程设计阶段即可以采用本发明方法，避免了后期建设，减少了电力系统生产维护人员的工作量，优化了总投资。
【附图说明】
[0016]图1是本发明实施例1变压器中压侧串联电抗器的等效电路图。图中，1:变压器高压侧开关，2:变压器中压侧开关，3:变压器低压侧开关，4:快速开关，5:电力系统主电网电源，6:变压器，7:高压侧母线，8:低压侧母线，9:中压侧母线，10:电抗器，11:地方小电源。
[0017]图2是实施例1中的电力系统未采用本发明方法时的传输功率曲线示意图，其中:
[0018]直线PT是原动机功率；
[0019]曲线PI是正常运行时系统的传输功率；
[0020]曲线PΠ是故障阶段系统的传输功率；
[0021]曲线Pm是未采用本发明方法，故障切除后系统的传输功率。
[0022]图3是实施例1中的电力系统发生三相短路但未采用本发明方法时的各指标曲线不意图，其中:
[0023]X曲线为系统功率变化曲线；
[0024]Y曲线为系统的角频率变化曲线，单位为弧度/秒(rad/s)；
[0025]Z曲线为系统的功角变化曲线。
[0026]图4是实施例1中的电力系统采用本发明方法时的传输功率曲线示意图，其中:
[0027]直线PT是原动机功率；
[0028]曲线PI是正常运行时系统的传输功率；
[0029]曲线PΠ是故障阶段系统的传输功率；
[0030]曲线Pm是采用本发明方法故障切除后系统的传输功率。
[0031]图5是实施例1中的电力系统发生三相短路后采用本发明方法时的各指标曲线示意图，其中:
[0032]X7曲线为系统功率变化曲线；
[0033]ψ曲线为系统的角频率变化曲线，单位为弧度/秒(rad/s);
[0034]I'曲线为系统的功角变化曲线。
【具体实施方式】
[0035]实例1:如图1所示，变压器6高压侧串联变压器高压侧开关I，中压侧串联变压器中压侧开关2，低压侧串联变压器低压侧开关3;高压侧母线7接入电力系统主电网电源5，低压侧母线8接入地方上网的小水电、风电、光伏发电等地方小电源11，一般容量较小；中压侧为负荷线路，负荷通过中压侧母线9接入电力系统，由电力系统主电网电源5、地方小电源11通过变压器6向中压侧输电线路送电。正常运行时，变压器高压侧开关1、变压器中压侧开关2、变压器低压侧开关3均在运行状态。
[0036]未采用本发明方法前，电力系统稳定计算公式为:
[0037]P = EUsin5/X(I)
[0038]X=Xt+XIg+Xg+Xd+Xf+(Xt+XIg+Xg)(Xd+Xf)/(Xz+XIz+Xk)(2)
[0039]其中:
[0040]P:发电机保持同步运行允许的输出功率;E:发电机电势;U:系统电压
[0041]δ:发电机电势与系统电压间相角差;X:发电机至系统间总电抗
[0042]Xt:系统电抗；
[0043]Hg:两个电源联络线路的线路电抗；
[0044]Xg:主变高压侧电抗；
[0045]Xd:主变低压侧电抗；
[0046]Xz:主变中压侧电抗；
[0047]Xlz:故障线路短路点至其所在母线间电抗；
[0048]Xf:两台发电机并列运行电抗；
[0049 ] Xk:故障线路短路点电抗，三相短路时为O。
[0050]三相短路故障时线路电抗与变压器中压侧电抗会相互抵消，抵消后式(2)变为无穷大，式(I)变为零，电力系统失去稳定，这是系统振荡的前提。本发明也正是用这个原理来预防振荡的。
[0051]因变压器内部结构原因，所有三卷变压器中压侧等值电抗肯定为小于零，一般为-2.1?-2.0欧。因此对于式(2)中的“Xz+Xlz+Xk”部分，在系统发生三相短路时，一定有Xk =0，Χζ约为-2.1?-2.0欧，因此在中压侧出线线路某点短路时，由于线路电抗为0.4欧/公里，一定能找到一个点使得Xz+Xlz+Xk = O，而在该点或该点附近发生三相短路时，必定会导致电力系统振荡。
[0052]根据式(I)和式(2)，若变压器中压侧近区或中压侧线路近端发生三相短路故障，发电机至系统间总电抗X变为无穷大，此时发电机保持同步运行允许输出的最大功率p=0，但因发电机在短路发生前有出力，发电机转子将产生加速度引起发电机与系统失去同步，即使保护动作时间整定为O秒，但实际上保护和开关的固有动作时间仍有几个周波，从而产生发电机与主电网间的振荡。这时，采用本发明在变压器中压侧串联一个电抗器，调整该电抗器的电抗值以保证故障时线路电抗与变压器中压侧电抗无法相互抵消，从而使得发电机与系统不会失去同步，就能有效避免了系统振荡。
[0053]进一步地，电抗器10的接入可以采用永久串入法和电抗器普通电气开关串入法。永久串入法即将电抗器10永久串联于中压侧，由于电抗器10存在一定的阻抗值，永久串入法使长时间串入的电抗器10增加了系统损耗和电压降，尤其是电压降使电压合格率降低，且电抗器10带来的谐波降低了用户的电能质量。普通电气开关串入法，即采用普通电气开关来控制电抗器10的投切，因普通电气开关分闸时间长，35kV电压等级的普通电气开关最快合闸时间为3?5周波，S卩60?10ms。系统要求在振荡时瞬时接入电抗器，在系统逐趋稳定后分开电抗器，因此普通电气开关对振荡的预防和防范作用难以满足系统稳定的需要。本实施例采用快速开关4来投切电抗器10。快速开关4能在半个周波即1ms内快速分断开关，串入电抗器，使系统保持稳定。
[0054]如图2，未采用本发明方法，在中压侧线路故障时，由于线路保护逐级配合的原因，保护装置整定时间较长，导致故障切除时间长，在300ms以上，故障切除不及时导致系统失稳。功率直线PT和正弦曲线PI有两个交点。系统正常运行时，PT和PI相等，即发电机的输入功率(原动机功率)和输出功率(系统的传输功率)相等，假设系统运行在a点(对应功角δο)，若系统受到一个扰动(比如35kV金马线三相短路)，功率特性会变为P Π，但由于惯性，发电机11的转子不会立即变化，因此发电机11与主电网电源5的电压相位差不会立即发生变化，功角不变，系统便由a点降为b点运行。B点时发电机输出功率明显减少，但原动机PT是不变的，这时PT大于ΡΠ，导致发电机输入功率过剩(故障越严重，ΡΠ下降越多，剩余功率越多)，若未采用本发明，故障无法快速隔离，过剩功率将使发电机转子加速，因此发电机11与主电网电源5的电压相位差在此刻会发生显著变化(功角逐渐增大，发电机转子与系统同步转速的速度差也在增大)，系统由b点向c点运行，若故障还无法及时隔离，过剩功率始终存在，发电机将不断加速，最终导致发电机11与主电网电源5失去同步。
[0055]若c点故障被继电保护装置动作后切除，功率特性会变为Pm，系统由c点上升为e点运行，同样由于功角δ不能突变，发电机输出功率比原动机功率大，发电机转子减速(但此时，因发电机转子速度已增加得大于同步转速，所以功角仍将继续增加)，系统继续由e点向f点运行(此时发电机转子速度等于同步转速，但转子还需继续减速，功角逐步减小)。系统继续由f点回头向e、k点运行，到达k点前一直在减少(越减也越小于同步转速)，到达k点因发电机输入功率等于输出功率，但转子速度低于同步转速(功角继续减小)，越过k点以后，发电机输入功率又大于输出功率，转子加速，而功角却要一直减小到转子转子恢复同步转速后，才开始增大，此后系统沿着Pm开始第二次振荡。如图3所示，这就是振荡的机理。
[0056]如图4-图5可知，采用本发明方法，快速开关在1ms内动作跳闸，同时串入电抗器，电抗器具备限流作用，可以将故障电流控制到正常负荷电流水平，相当于故障得以快速切除，使系统保持稳定。
[0057]2016年4月，南方大部分地区雨量较往年同期大幅增加，广西贺州市昭平县也属于雨量充沛、雷电频繁地区。4月13日17时59分，坐落于昭平县马江镇的IlOkV金牛变电站35kV金马线即变压器6中压侧遭受雷击，导致金马线发生三相短路故障，从IlOkV金牛变电站上网的金牛坪水电站#1、#2发电机组(在雨季为满负荷状态)与广西主电网联网运行，由于受到系统扰动(金马线短路)而暂态失稳。采用本发明方法，控制系统将变压器6中压侧的快速开关4以3.1ms迅速跳闸，将电抗器10串联入短路点与变压器之间，改变了系统阻抗，将原本位于变压器6内部的振荡中心向35kV侧即中压侧拉开，同时控制装置联跳出口切除了金牛坪水电站的#1、#2发电机组，使系统恢复稳定，化解了一场系统振荡的电力风险。
[0058]所述电抗器的具体参数:额定电压:35kV，阻值:11欧。
[0059]快速开关的具体参数:
[0060]额定电压:35kV，
[0061 ]额定电流:1250A，
[0062]额定频率:50Hz，
[0063]额定短路转换电流:31.5kA，
[0064]雷电冲击耐受电压(峰值):185kV，
[0065]短时(Imin)工频耐受电压:95kV，
[0066]分闸时间:<5ms，短路电流第一个半波过零时分断；
[0067]合闸时间:<20ms，
[0068]额定短时耐受电流:31.5kA，
[0069]额定峰值耐受电流:80kA，
[0070]主回路直流电阻:<100μΩ。
【主权项】
1.一种预防电力系统振荡的方法，其特征在于:在电力系统的变压器中压侧串联电抗器，调整该电抗器的电抗值以使三相短路故障时线路电抗与变压器中压侧电抗无法相互抵消。2.如权利要求1所述的一种预防电力系统振荡的方法，其特征在于:所述电抗器两端并联快速开关，所述快速开关动作时间小于I Oms。
【文档编号】H02J3/24GK106026139SQ201610524964
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】谢海, 黄金, 刘荣洲, 梁兆庭
【申请人】广西电网有限责任公司贺州供电局