（电力系统及其自动化专业论文）企业电网在外部系统故障时的安全稳定性研究.pdf

a bs t r a c t a l o n gw i mt h ed e v e l o p m e n t st ol a 唱ec 印a c i 吼h i g hv o l t a g ea n di n t e r c o n n e c t e d l a 唱ep o w e rn e t 、o r l ( s ，t 1 1 es e c 嘶够锄ds t a b i l n y0 fl a 唱ep o w e rn e 觚o r ki sa l w a y sa s t u d yh o t s p 吡r e s e a r c h e 体h a v ed o n es u b 咖m t i v ew o r k 锄da c h i e v e do 肿o u s p r o g r e s s 卸dag r e a td e a lo fp r o d u c t i o n t h em a i np o w e rg r i di ss 仃e n g t h e n e d 锄d c o n s u n l m a t e d t h e r ea r eal o to fr e g i o n a ls y s t e m si nl a r g e rp o w e rn e t 、o f k s ，s u c h 舔i n d u s 订i a l p o w e rp l a n t s ，廿l e yu s u a l l ys u p p l i e sp o w c rt 0r e g i o n a li m p o r t 卸tc u s t o m e r s ，b u tt h e p r o b l e m sd b o u tt h e c u r i 够锄d 虹b i l i 够o fr e g i o n a ls y s t e m si nl a 唱e rp o w e rn 咖r i ( s a r eu 唱e n t l yn e e d e dt 0r c s o l v e o n eo ft h ep r o b l e m si sh o wt 0 s u r et h es t a b i l i 够o f t h er e g i o n a ls y s t e m sw h e nt h em a i n 鲥dl o s t c o m b i n e dw i t hm ep r a c t i c a lp r q e 鸭 t h i sp 印e r 如l l ys t u d i e sn l es t a b i l i 锣o ft t l ei n d u s 仃i a lp 伽旧rn e t 、0 r kw h e x t e m a l f a u l t so c c u r i nt l l i sp a p e r ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c tf i r s t l yi si n t r o d u c e d ，卸dt h e m a i n l yf e s 船r c hp e r s p e c t i v e so fp o 、v e rp l a n t s 、v h i c hh a v es i m i l a rs p e c i a ls t r l i c t u r eb y a c a d e m i cc n l e sh o m ea n da b r o a di ss u n r c y e d 1 1 1 e nt h e 锄a l y s i sm e t h o do fm e p r o j e c ti sp r e s e n t e di nd e t a i l ，a n dt h em 础e m a t i cm o d e lw a sd e v e l o p e db a s e do nt h e c h a r a c t c r i s t i c so ft h et i l e r m a lp o w e rp l 舳to fn 肌ji np e 们c h e m i c a lc o m p a n y p s a s p i s 印p l i e dt 0r e a l i z et h es i m u l a t i o no ft 1 1 ed y n a m i cb e h a v i o ro f t h ep o w e rp l a n tu n d e r d i f i b r e n tc o n d i t i o n s ，b yt h i sw a y ，t h ew e a kp a r t st h a tm a yc a u s ep o w e rp l 锄to u t a g e a r ed i s c o v e r e d ，锄dm ei l n p r o v e m e m sa r ee x p l o r e d t h u si tp r 0 v i d e sm e o 巧b 铀i sf o r t e c h n i c a lm o d i f i c a t i o n si n 劬：u r e ，a n da l s og i v e sar e f e r e n c ef o rs t a b i l i 够c o n t r o lo f s i m i l a rp o w e rn e t v 旧r k s k e y w o r d s ：鲥d c o n n e c t e d ，s p l i t t i n g ，i s o l a t e dp o w e r ，o v e r s p e e dp r o t e c t i o n ， l o a ds h e d d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名乒隐 签字日期： j p 。6 年，月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：座扬 签字日期：矿叩年，月r 日 导师签名禹欠十 签字同期：a 刃；年f 月8 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力供应中电能无法大量储存，如果希望能够提供可靠的电力，就必须保证拥有足 够的发电、输电和配电容量，并且运行人员必须保证发电和用电需求始终保持平衡，以 控制系统的电压和频率。一旦系统失衡，电力系统稳定遭到破坏，就有可能带来严重的 后果。但是，电力系统稳定与否同时受到电网结构、地理位置等一系列因素的影响，对 其控制需要随着上述因素的变化而改变，其非线性、复杂性等特点更是为电力系统的安 全稳定性研究带来了许多难题。在电力系统中，解决某一系统变化的法则可能不适用于 其它系统，甚至可能无法适用于同一系统中的两种变化中。因此，针对电力系统稳定问 题中的不同对象和特点，电力系统稳定分析和控制逐渐形成了各自不同的风格和理论体 系。 当前，大中型企业自备电厂作为电力行业中一个特殊的独立主体，已经成为我国电 力系统和电力行业的重要组成部分。在我国一些典型地区( 如辽宁、广东、上海、山东 及湖南等地) 自备电厂装机容量占总装机容量达2 0 以上【l 】。企业自备电厂作为大型企 业的电能供应中心，为了保证其供电的可靠性和调度的灵活性，其中大多数都与外部大 电网并联运行【2 - 1 0 1 。对于并网运行的企业自备电厂来说，其调度运行、继电保护的配置 和稳定控制装置的设计一方面要受到并网协议的约束，需要满足并网运行的要求；另一 方面，在外部系统故障危及企业安全生产时，要能够确保自备电厂与主网可靠解列，并 能够过渡到稳定的企业电网孤网运行状态。当外部系统故障危及企业电网的稳定运行 时，如果没有完善的紧急处理方案，有可能带来严重的后果。2 0 0 0 年6 月1 4 日，受外 部系统故障的冲击，天津石化公司电网与外部电网解列，形成独立电力系统的运行方式。 但随后电力潮流出现剧烈变化，电厂机组有功、无功、电流和电压大幅度摆动，由于自 备电厂没有相应的事故处理方案，几分钟后系统瓦解，造成全公司停电的重大事故，带 来巨大的经济损失。一旦主网出现自备电厂必须解列的状态，现有的保护设备和调节控 制装置能否满足需要，整定是否合适，紧急控制措施是否满足实际需要，是否可以保证 自备电厂可靠解列，并保证解列后企业电网自身的稳定运行，对此应该进行深入的分析 和研究。根据调研，对于这一问题，国内许多具有自备电厂的企业并没有制定完善的应 急措施，甚至没有考虑这一事故。虽然某些电厂考虑了这一事故的发生，并制定了较完 善的控制方案，但随着企业的发展，电厂扩容以及一些新设备的应用和电网结构的变化， 原有的控制方案已不能适应新形势下的要求。如果不能尽快并有效地解决这一问题，随 着企业的发展，发生类似事故所带来的损失也越来越大。尤其是近几年电网供电形势严 第一章绪论 峻，系统几乎在无旋转备用的情况下运行，拉闸限电或发生事故的概率加大，在当前形 势下，解决这一问题显得尤为重要与迫切。 对于电力系统的安全稳定分析与控制，无论是在理论上还是在应用上，前人已经研 究出了许多有益的成果，并且得到了广泛的应用。但是，现有的文献大多基于大电网的 角度进行研究，而对于类似具有自备电厂的企业电网来说，它们同大电网有相同的一面， 同时也具有自己本身的特点。现有的研究成果可以为研究企业电网的稳定性问题所借 鉴，但必须根据企业电网独特的约束条件进行相应的改进。根据这一思想，本文借鉴国 内外相关文献的研究成果，对于我国企业生产实践所面临的实际问题一企业电网在外 部系统故障时的安全稳定性进行了研究，以期对于类似结构电网的安全稳定研究提 供理论分析框架。 1 2 研究背景 随着世界电力系统向大容量、高电压和大电网互联的发展，主网网架结构得到逐步 加强。然而，受政治、经济、环境、技术等因素的制约，快速发展中的电网必定要走多 样化电源的发展道路。在过去一个多世纪以来，分布式发电作为一种有竞争力的发电方 式得到了迅速发展，目前已成为世界电力系统发展的一种新趋势1 1 ，但是对于并网运行 的分布式发电系统来说，系统的联网特性将使得这一问题更加复杂。由于分布式发电系 统接入配电网，使得配电系统的潮流、电压调节以及配电系统调度都发生了深刻的变化 【1 2 】，无论从主网的角度还是从分布式发电系统的角度来看，新的发展趋势为电力系统研 究人员提出了新的课题。每一个联网的发电设施影响系统的同时也被系统所影响。例如， 如果与系统并列运行的小型发电系统无法跟上配电系统5 0 周波的频率，它就会被系统 拖着运行直至拖垮。反之，小型发电系统的故障也会影响配电系统甚至整个电力系统的 供电安全。对于后者，为了防止分布式发电系统并网对主网运行可能带来的安全隐患， 各国对于分布式发电系统并网作了严格的要求，并制定了一系列指导原则【l 弘1 5 1 ；前者主 要涉及联络线解列装置设计【1 1 】及解列后的孤网稳定控制等问题1 2 2 2 5 1 ，由于分布式发电 系统的规划、安装、技术和运行方式不同，研究特殊形式分布式发电系统的孤网稳定控 制和适用于各种分布式发电系统的解列策略成为研究人员关注的热点。 分布式发电在国内刚刚兴起，目前在并网运行分布式发电系统相关领域的研究几乎 是空白f 2 6 1 。但是，在我国的电网结构中，存在着大量并网运行的地区小电源，它们在并 网运行所带来的一系列问题上( 如国内研究的联络线重合闸配置问题以及小电源系统的 解列和控制问题【2 7 - 3 3 】) 与分布式发电系统有许多相似之处。地区小电源并网接入系统， 是我国主网向外发展、小电网并入主网运行时经常出现的一种运行方式，并且这种运行 方式也将在我国长期存在。地方小电源并网接入系统，对主网和小电厂的安全都带来了 第一章绪论 不可预测的影响。由于电网中大型机组的不断增加及主网的发展，人们比较多的关心主 网稳定问题，做了大量的分析、计算和研究工作，而不大注意地区电网的稳定问题，特 别是对小电厂的安全问题则往往忽略。对于如何确保主系统电网的安全运行，部颁标准 已有明确规定，但如何提高小电源地区电网的安全运行和供电可靠性却亟待解决【弘3 8 】。 这些小电源往往担负着一些地区重要负荷的供电，但这些小系统容量较小，运行条件较 差，发电出力与地区负荷之间一般都难以平衡。由于小电厂均经联络线与系统相联，因 此系统中靠近小电厂的任何一次大的事故冲击，都会使小电厂显得不堪一击，如果发生 小系统与主网解列，难以保持正常运行，发生停电事故，危害也极为严重。这与地区经 济发展对供电可靠性不断提高的要求很不相适应，也影响了供电部门的经济效益。然而， 类似事故在国内并非罕见。从现有国内文献来看，研究人员多为现场工作人员，研究或 基于事故后分析，或只针对其中存在的某一问题，而不能够从系统化的角度对这一问题 进行比较全面的分析。所以，在主网日益加强的今天，合理利用安全自动装置，确保小 系统的安全运行，同样具有重要的意义。 随着电网中分散式并网电源的增多，一方面对于电力系统的规划设计和稳定控制带 来了许多新问题，另一方面也给解决大电网发展所面临瓶颈问题的解决提供了一种新的 思路。 多次电力系统灾变事故告诉我们，只按现有的可靠性准则来保证电力系统的安全是 不够的，为此应建立电力系统的第三道防线【”】。第三道防线是指当系统需要解列时，应 当给出合理的解列策略以防止恶性连锁反应从而避免美加系统“8 1 4 ”那样“全死”的灾难 性后果，使每个解列后形成的“孤岛”中功率基本平衡，可继续供电。最后还有一道措施， 它的任务是解决如何使已经崩溃的电力系统以最短的时间重新恢复供电的问题，即“黑 启动 。因此，某些研究人员集中于这样一个角度：在电力系统遭受扰动而即将发生崩 溃时，在合适的解列点将系统解列成容量比较小的“孤岛，并采取紧急控制措施使其 过渡到稳定的系统【4 6 1 。利用这些“孤岛，配合电网的黑启动方案，尽快恢复供电”4 9 乙 如捷克和意大利都把“孤岛运行能力和“黑启动作为电力系统的辅助服务1 2 2 。事实 上，无论是2 0 0 3 年8 月美加大停电还是以往国外大停电后的事故恢复，“孤岛”运行 方式都起了重要作用【5 0 】。如果从互联电网的角度来研究这一问题，依靠现有的理论，还 无法得到一种比较完善的解决方案。对于电网中大量存在的分散方式发电系统来说，在 大电网出现瘫痪，大部分机组跳闸的情况下，如果在选定的解列点解列，机组能够带就 近地区负荷稳定运行，不但可以减少停电范围，还可以作为“黑启动 电源，减少停电 时间，对于电网的快速恢复无疑将起到非常关键的作用( 4 1 7 1 。这对于目前的电网将增加一 道保护手段。尤其是对于企业自备电厂来说，是可能实现的，对于企业来说也是必要的。 如2 0 0 5 年9 月2 6 日，台风造成海南电网瓦解，由于多个电厂“黑启动”成功，历时4 个小时，部分变电站和主线路开始恢复供电，“金海浆纸”自备电厂就作为一个关键的启 动电源点【5 1 1 。 第一章绪论 无论是所谓的分布式发电系统，还是地区小电源系统，它们与拥有自备电厂的企业 电网具有相似的结构，在外部系统故障时面临着类似的问题，并且在相关问题的研究分 析和解决方法上都可以相互借鉴。总之，从课题研究背景来看，本文的研究工作不仅是 国内大企业发展所面临的现实问题，其研究成果也可以为上述相关领域的研究起到“抛 砖引玉的作用，同时对互联电网反事故措施的研究也具有一定的理论指导意义和应用 价值。 类似事故的经验教训和分析方法对本课题的分析提供了许多参考思路，而现有的研 究成果为处理相关问题提供了不同的视角和强有力的理论依据。另外本文的研究依托于 中石化集团公司项目“发电机组在外部系统故障时的安全稳定性研究 ，工程项目的背 景则可以得到实际的参数数据和现场人员的技术支持，因而可以保证使研究工作不至于 陷入无法进行的困境之中。 1 3 企业电网在外部系统故障时的稳定性 对于电力系统的稳定性，国际上还没有完全统一的定义和分类方法。由于本文主要 研究企业电网在故障后的稳定性，主要着眼于系统的物理本质，故将系统的安全稳定问 题分为功角稳定、电压异常和频率异常等来分析讨论【5 2 1 。 功角稳定一般指遭受扰动后电力系统维持同步运行的能力，这一稳定的状况受发电机转 子角的动态和功角关系的影响。功角稳定的问题在大电网的稳定性研究中一直非常突 出。对于企业自备电厂而言，功角稳定主要涉及两方面：首先，当自备电厂并网运行时， 由于装机容量与整个系统相比很小，可以看成单机无穷大系统，则在联络线发生瞬时性 短路故障时，存在着功角稳定问题；另外，企业自备电厂一般通过配电网与系统并联， 如果配电网中还接入其它电厂，则在配电网失去系统支持时，两个电厂的机组就有可能 存在功角稳定问题。 当系统供电中断时，一般情况下常出现自备电厂机组带本企业负荷运行，或者还继 续为外部配电网的部分或全部负荷供电，此时自备电厂机组作为独立电力系统中的唯一 电源。由于厂内机组一般通过变压器联接于同一母线，在电气上联系紧密，机组间的功 角振荡很小，此时企业电网常出现频率或电压异常的现象。电压和频率有可能稳定于某 一超出限值的水平，使系统达到一种新的稳定状态；也有可能发生电压或频率崩溃事故， 这一现象在国内外分散方式发电系统的事故中普遍存在。 第一章绪论 1 4 电力系统仿真概述 为保证电力系统安全、可靠、经济地运行，在规划、分析和研究电力系统时必须确 切完整地考察实际电力系统的静态和动态特性。数字仿真分析是进行电力系统稳定性分 析的基础。采用计算机数字仿真来研究电力系统的稳定性，不仅可以模拟电力系统的动 态过程，还可以利用计算机的丰富图形功能，进行各种动态过程的曲线显示。而且在仿 真过程中，还可以对动态过程施加影响，以研究电气新现象的机理和新型控制技术方案 的技术实现等问题。利用数字仿真程序可以形象地模拟企业电网的实际运行状态，并对 企业电网故障后的稳定性进行有效分析。本文研究企业在外部系统故障时的安全稳定 性，从现有文献的分析来看，研究故障后的机电暂态过程就足以满足需要。机电暂态过 程的仿真主要研究电力系统受到扰动后电力系统的动态行为和保持同步运行的能力，并 可以给出频率和电压的变化过程。电力系统机电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微 分方程和代数方程，以获得物理量的时域解。微分方程组的求解方法主要有隐式梯形积 分法、改进欧拉法和龙格一库塔法等，其中隐式积分法由于数值稳定性好而得到越来越 多的应用，代数方程组的求解方法主要采用适于求解非线性代数方程组的牛顿法。按照 微分方程和代数方程的求解顺序可分为交替解法和联立解法。 目前，现有的机电暂态仿真程序主要用于大电网，专用于独立小电网分析的机电暂 态稳定分析程序还比较少，但是我们还是可以使用这种仿真程序分析企业电网的稳定 性。国内常用的仿真程序有电力系统分析综合程序( p s a s p ) 和中国版b p a 电力系统 分析程序。仿真程序中包含了发电机、变压器、输电线路、负荷、励磁系统、调速系统、 静止无功补偿、切负荷装置等电网基本元件的数据库，用户只要按照实际系统的特点， 根据仿真需要，通过软件设置就可以方便地建立整个电力系统的仿真模型。在本文的仿 真分析中，采用了p s a s p 仿真程序。 1 5 外部系统故障和企业电网结构 电力系统的稳定与否只能是对于某一特定电力系统在特定的初始条件和干扰下而 言的，而不能笼统地说某个系统是稳定的或者是不稳定的。因此研究电力系统的稳定性 必须明确故障形式和初始条件( 潮流分布、电网结构) 。企业电网在外部系统故障时的 安全稳定性同样受许多因素的制约，是一个任务量很大的课题。但是企业电网在机组类 型及其控制系统、电网结构、负荷、运行方式、保护及自动化装置的配置上都不相同。 要对这一问题进行系统化的研究，并且使得结果具有通用性，必须提供一个典型的企业 电网。 第一章绪论 根据上述企业电网在外部系统故障时的稳定性分析，综合不同文献的分析角度，企业电 网并网运行可以等效成图1 1 所示的结构，这主要是基于选取故障类型来考虑的。 带电舟负荷的小孵 一一 一 一 图1 1 典型的企业电网联网示意图 企业外部电网从不可能完全处于稳态，经常会由于一些故障或操作( 如短路故障、 电网操作、供用电不平衡等) 而出现过渡过程。这些过渡过程都会对企业电网带来不同 程度的影响，在分析中不可能对所有的故障或操作进行模拟，那么如何来选择故障类型 呢? 这需要从故障或操作引起的扰动现象来入手，不管是何种故障或操作，它们对企业 电网的扰动类型总可分为以下几类： ( 1 ) 外部系统崩溃使企业电网失去支持； ( 2 ) 线路故障跳闸，或从电厂至变电站间的联络线，或从变电站至主网间的联络 线，造成保护动作，使系统供电中断； ( 3 ) 外部电网频率和电压波动； ( 4 ) 失步振荡。 在前两种扰动下都有必要尽快将电厂在解列点解列，以保证企业内部系统实现稳 定。而对于后两种情况要根据振荡或波动的强度以及机组控制系统的性能来判断出是否 解列。一般情况下，企业自备电厂通过一回或两回输电线与配电网相联，配电网变电站 与系统都通过两回线路联接，如果系统不发生故障，供电可靠性是比较高的。但是在一 回线路检修或故障情况下，则供电可靠性将会降低。如果变电站与系统间联络线一条停 运，另一条就有可能因故障断开造成系统供电中断。企业自备电厂瞬间带电网其它负荷 形成小网运行方式，频率和电压的变化将取决于故障前交换功率、厂内机组备用容量与 电网负荷水平。这种情况下必须在联络线出口尽快解列，以减少故障冲击。这种故障后 企业电网的稳定性将涉及解列装置原理及整定、故障前交换功率和运行方式、机组控制 系统的性能、负荷水平以及紧急控制装置等一系列问题。同样的故障也可能发生在自备 电厂与变电站间联络线上，从扰动类型来说，解决方法是一样的，但现象可能不同。另 外变电站母线的馈线有可能发生短路接地故障，自备电厂容量与外部系统容量相比甚 第一章绪论 小，可以将图1 1 看成一单机无穷大系统，则在上述短路接地故障后必然造成厂内机组 与系统的功角振荡，并伴随频率和电压的波动。此时，厂内机组的稳定性将取决于企业 电网阻尼的大小，其中励磁系统的设计对机组的稳定具有重大意义。同样对于联络线也 可能发生短路接地故障，其现象相同。在实际的电力系统中，还存在另一种情况：即可 能有多个小电源系统与变电站联接，这样在变电站与系统间联络线断开时，不同电厂间 的机组有可能发生功角振荡。这在分布式发电系统或某些地区小电源系统是存在的。 根据上述分析，选取下列几种外部电网故障： ( 1 ) 变电站与系统联线因故造成系统供电中断； ( 2 ) 自备电厂与变电站联络线因故断线； ( 3 ) 变电站母线馈线出口三相短路接地； ( 4 ) 自备电厂与变电站一回联络线三相短路接地。 几种故障的选取不但涵盖了现有文献所考虑的故障，而且能够反映外部系统对企业 电网的不同扰动类型，通过对这几种故障后企业自备电厂的动态过程分析，可以研究企 业电网的各种稳定性问题。 从以往的研究来看，在外部系统故障时，以下几点对于分散方式发电系统的稳定分 析和控制可能具有决定性的影响。 ( 1 ) 机组的类型及其调节系统。不同发电机的励磁系统和汽轮机调节系统对于电 力系统的控制可能产生的效果不同，而一般的企业自备电厂中都有多台机组，这些机组 可能具有不同的励磁系统和汽轮机调节系统，因此必须考虑它们之间不同组合的影响。 多台机组运行涉及机组间功率分配的问题，而这也将影响到自备电厂机组的稳定问题。 ( 2 ) 自备电厂出口联络线交换功率的变化。大量的文献研究表明，无论是解列装 置的可靠性还是解列后企业电网的稳定控制都与交换功率有着重要的关系。企业自备电 厂可能从外部系统受电，也有可能将多余的电量上网，并且联络线交换功率的变化可能 很大。 ( 3 ) 负荷分布。企业自备电厂解列后有功不足是许多事故发生时的现象，而负荷 水平和分布对于切负荷措施的制定有着重要影响。 因此，一个典型的企业电网要能够充分体现上述几点，并且在并网运行时可以用图卜1 来等效。 1 6 本文主要工作 本文依托中石化集团公司项目的工程研究背景，借鉴现有的研究成果和分析方法， 提出了一个典型的企业电网结构和典型的外部系统故障类型，并根据企业电网的特点， 利用电力系统分析综合程序构建了企业电网及其与外部系统互联的数学模型，在大量仿 第一章绪论 真计算分析的基础上，研究了企业电网在外部系统故障后的过渡过程机理，针对国内企 业电网的典型配置，分析了其不足之处，并提出了改进建议。 本文完成的主要工作如下： ( 1 ) 综合研究类似事故的方法和观点，并将其应用于企业电网的研究，通过仿真 分析，从企业电网的角度上对这些观点进行了分析和论证。 ( 2 ) 由于所使用仿真软件的局限性，对于电力系统中无法进行直接模拟的某些元 件或操作，本文通过合理的假设，以天津石化电网为例，构建了企业电网及其与外部系 统互联的数学模型，并通过数字仿真得到较理想的结果。 ( 3 ) 通过对天津石化热电厂现有配置的分析评价，指出了现存( 如自备电厂出口 联络线的解列策略、汽轮机调节系统的设计以及紧急控制方案的制定) 的不足之处，为 今后企业电网的技术改造提供理论依据。 ( 4 ) 针对天津石化电网6 1 4 停电事故，通过分析事故原因，指出其不足之处，提 出了一些保证企业自备电厂因外部电网故障解列形成孤网运行的过渡过程中，保证稳定 运行的控制方案，为今后企业电网的技术改造提供理论依据；另外，对于分散式电力系 统稳定性研究有一定的理论意义；对于提高具有自备电厂的大型企业的供电可靠性，减 少因停电带来的巨大经济损失有一定的实际意义。 第二章典型企业电网及其数学模型 第二章典型企业电网及其数学模型 2 1 天津石化企业电网简介 天津石油化工公司是集石油、化工、化纤、乙烯等为一体的大型生产企业，属于高 耗能用电大户，建立企业自备电厂是提高企业经济效益的途径之一。天津石化热电厂作 为企业自备电厂，主要负责企业的供电、供热任务。为保证石化生产动力供应的稳定性， 机组配置采用多种型式、小容量的配置，在运行上互相补充。原一期工程的设计规模为 1 0 0 m w ，共装有2 2 0 t l l 高压煤粉炉四台，2 c c 2 5 8 8 3 1 2 7 o 1 1 7 + 2 c b 2 5 - 8 8 3 4 0 2 1 2 7 供热机组四台。随着2 0 万吨年聚酯项目的建设，石化热电厂相应进行扩建，扩建规 模为1 0 0 m w ，共装有4 l o t h 高压煤粉炉两台2 c c 5 0 。8 8 3 4 1 2 1 2 7 双抽供热机组。 扩建后燃煤热电厂的总规模为2 0 0 m w ，共装有六炉六机，采用母管制运行，机组间联 系紧密。另外作为一个老厂，随着企业的发展，动力供应的扩建增容，造成设备的技术 水平、基本状况差别很大，而且整体的设备水平不高，自动化水平较低，机组的调度运 行主要依靠经验。 图2 1 企业电网及其与外部系统互联的等值结构 负荷 0 9 2 ) 第二章典型企业电网及其数学模型 电厂目前的电负荷包括化纤厂、炼油厂以及生活区等用电，全公司电负荷约在8 0 1 2 0 m w ，其中工业电负荷基本常年不变，而生活区电负荷变化较大，变化范围在8 2 0 m w 。热负荷包括长年性工业热负荷和季节性采暖热负荷两种。在媒质不好的特殊情 况下，石化企业电网需要从外部系统受电，有时达4 0 m w ，但一般受电量在2 0 m w 以 下；在大多数情况下，厂内发电量有一定的余量，多余电量根据电力公司要求上网，并 在夏季参与调峰，送电量最高达6 0 多m w ，因此联络线交换有功功率变化较大。由于 并网协议的约束，天津石化热电厂无功功率稍有输出，联络线无功功率交换可以忽略。 厂内机组或4 台运行( 两大机两小机、一大机三小机) ，或3 台运行( 两大机一小机、 一大机两小机) ，或2 台运行( 两大机) 。为防止企业电网被外部系统故障拖垮，在自备 电厂出口联络线上装有低频解列装置，低频整定值为4 8 5 h z ，延时0 2 s 。 天津石化企业电网由发电、输电、变电和用电设备等组成，可以形成一个独立的电 力系统。但是与传统大电网相比，石化企业电网有其独特的特点。 ( 1 ) 自备电厂建立的最初目的就是为了使电力“自给自足，因此，系统容量较小， 一般选用中小型发电机组，其孤网运行稳定性差。出于经济利益和主网安全的需要，电 力公司对企业自备电厂的上网电量进行了严格控制。 ( 2 ) 热、电负荷密集，电网比较小，输配电网络比较简单。但其生产具有高压、 高温、易燃、易爆，且连续生产的特点，有些化工装置的动力负荷一旦瞬间故障停电， 还会引起装置爆炸、起火等恶性事故，因此对热、电系统运行的安全可靠性以及热、电 能源的质量要求特别高。 ( 3 ) 除生活区用电具有季节性外，企业的负荷主要是以大型异步电动机拖动的风 机、压缩机以及隔爆或增安型异步电动机拖动的机泵为主，负荷是相对平稳的，日负荷 曲线的变化很小，生产装置运行正常后，负荷几乎数周甚至数月不变。 ( 4 ) 热电联产，背压机组“以热定电 ，效率高；抽凝机组热、电负荷自整调节， 负荷适应性强。二者结合既保证了效率又提高了灵活性，适于企业“自发自用 的调度 原则。但这种机组多种配置、热电联厂的形式为事故情况下运行人员的调度带来了很大 困难。 ( 5 ) 自备电厂并网运行，其运行状态常常因需要而改变。发电量受煤质条件和并 网协议的双重约束，联络线交换功率变化较大。 ( 6 ) 用电负荷逐步扩容，系统设计一定要考虑留有足够的余地。 天津石化企业电网及其与系统的联结等效结构如图2 1 所示，对于天津石化自备电 厂来说，随着交换功率的大小以及方向的变化，故障后过渡过程以及控制方案会有较大 的变化。在同一交换功率下，机组开机工况( 开机组合及功率分配) 变化，也会得出不 同的结论。另外企业负荷水平的变化要影响切负荷方案的制定，上古林外电网负荷的变 化也会影响结果。因此，运行方式的确定要考虑交换功率大小及方向、开机工况、企业 负荷水平以及上古林电网负荷水平的不同组合。根据第一章中分析的结果，这一特殊的 第二章典型企业电网及其数学模型 企业电网具有典型性。因此，本文以天津石化企业电网作为研究对象，分析其在外部系 统故障时的安全稳定性，探讨国内现有企业电网存在的问题及采取的措施。 2 2 数学模型的构建 2 2 1p s a s p 软件简介 电力系统分析综合程序( p s a s p ) 是中国电科院开发的一套软件，其用数学模型和 数值方法对系统的运行特性进行研究，可用来确定规划设计方案、拟订运行方式、整定 自动装置的控制参数、进行事故分析以辅助运行人员做出正确的决策，具有潮流计算、 暂态稳定、短路计算、网损分析、小干扰稳定分析的功能，并开发了接口程序和自定义 模块等多种功能，目前该软件功能强大，应用很广。 综合程序比较注重于大型电力系统的开发，因而，比较适合省级以上的大型电网的 计算分析，而对于地区及以下电网计算分析，尚有不足之处，如文献 5 3 所说，该程序没 有考虑厂站主接线图、交流线路“t 型接线、一个母线( 节点) 挂多台发电机组( 综合 程序中一个母线只能挂一台发电机组) 和系统等值发电机等功能。图2 1 所示的电网等 效电路实际上就是按照p s a s p 的约束修改后的图形。 外部系统故障时，企业电网的稳定性受汽轮发电机及调节系统、负荷特性、保护和 操作等因素的制约，稳定计算涉及上述各个方面的模型和参数。而p s a s p 已经基本上具 备了这些元件的通用模型，我们所要做的工作是，根据电网特点和研究目的，选择合适 的模型和参数。 2 2 2 汽轮发电机数学模型 电力系统的电能主要靠同步发电机产生，电力系统的稳定性在很大程度上是同步发 电机的稳定运行问题，理解同步发电机的特性和建立其精确的数学模型是极重要的基 础。工程仿真使用的同步发电机模型为用d q o 坐标表示的实用数学模型。天津石化热电 厂6 台发电机组的数据充分，本文仿真中所用的汽轮发电机采用联、日、层、耳电势 变化的6 阶模型，是发电机最精细的实用模型。模型中发电机转子d 轴的励磁绕组f 及 阻尼绕组d 的次暂态和暂态电磁过程分别以鹾和层电势变化表示；q 轴考虑阻尼绕组q 和g 的次暂态和暂态电磁过程，分别以砑和e 电势变化表示。隐极机考虑g 的电磁暂态 过程，以描述隐极转子等值阻尼绕组电感和时间常数大，对应暂态过程阻尼强的物理本 质。 模型方程式如下： 咒二 = e 彤一【e + ( z d z ：) ，d + ( k g 一1 ) e 】 ( 2 一1 ) 第二章典型企业电网及其数学模型 ，碥等川h 小棚l + 乓+ 等 ( 2 - 2 ) 碥誓= 一日地，一z ：) ， ( 2 - 3 ) 警= 一日+ ( z ：一z ：) + 日+ 鲁 ( 2 。4 ) 乃警= 丢吨d 吧厶) 叫一瓦) 2 矾 ( 2 - 5 ) 鲁：( - 1 ) 2 矾 ( 2 6 ) 各方程均以标幺值形式写出，其中发电机角度占的单位为弧度；角速度的单位是 以额定角速度2 石厶( 弧度秒) 为基准的标幺值； 为5 0 h z ；时间f 的单位为秒。口，6 ，珂 为饱和参数；d 为阻尼系数，单位为秒，由于本模型已详细计入阻尼绕组的电气阻尼， 仅机械阻尼很小，d 取为零，不考虑饱和影响。方程式中其它参数的含义可以参考电 力系统分析综合程序用户手册，本文不作一介绍( 以下相同) 。 2 2 3 外部大电网模拟 仿真分析用简化电网结构如图2 1 所示。外部大电网可以等效为一无穷大电源，模 型采用e 电势恒定的2 阶同步发电机模型。模型的微分方程只有2 阶的转子运动方程： 乃害= 告吨d 喝厶) - d ( 一瓦) 2 矾 粤：( 一1 ) 2 矾 2 i 一l l z 砑o 出 、7 模型采用以下参数：瓯= 9 9 9 9 m v a ，等效髟= o 1 ，乃= l o o s ，胪2 0 。 2 2 4 负荷 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 负荷模型是决定仿真结果可信度的关键因素之一，长期以来，在电力系统动态分析 中，我国电力部门采用感应电动机和恒阻抗并联的综合负荷模型，如湖南电网采用6 5 的感应电动机和3 5 恒定阻抗负荷模型。我国采用感应电动机模型的参数一直以来是所 谓的“典型参数。综合负荷由静态负荷与动态负荷两部分并联组成，静态部分用恒定 导纳等值；动态部分用一台感应电动机等值。对于实际的电网，目前还无法提出准确的 模型及获得参数。对于天津石化公司来说，生活区负荷和企业照明负荷所占容量很少， 其余基本上全为电动机负荷，本文中，负荷采用9 0 的感应电动机和1 0 的恒定阻抗负 第二章典型企业电网及其数学模型 荷模型，参数采用“典型参数刀。 针对本项目进行仿真使用的是一种考虑转子回路电磁暂态过程和转子机械运动暂 态过程的三阶感应电动机数学模型。 2 2 5 励磁系统 等= 毒( 乙一) 掣：士( 形。叫工) 西 z 龇、1 华；士( 形。一九) 一= 一i w 一p ，d 出 r 龇、1 7 掣：士( 【，。叫) 一= 一l ，一已，- 防 r 。龇 形= 砭( x x ) l + 丁龇巳s 2 矾 u = 如o x ) 厶+ r 龇s 2 万兀 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 天津石化热电厂机组原励磁系统全部为常规两机励磁系统，1 群、2 群、3 群、4 撑机组采 用j l _ - 2 励磁调节器，5 群、6 群机组采用k k i ，- _ 4a b 励磁调节器。现已有三台机组( 1 撑、 5 # 、6 撑) 改为非线性励磁系统。由于本文仿真所选故障类型为外部配电网与系统间联络 线断开故障，而自备电厂与外部电网之间基本上没有交换无功功率，本文的研究着重于 故障后频率的仿真分析，励磁系统的类型对于定性分析结论不会产生实质性影响。在 p s a s p 中不具有非线性励磁系统，为简化分析，本文仿真分析中仍采用常规励磁系统。 根据其调节原理和控制规律采用模型如图2 2 和图2 3 所示。 图2 2j i 广- 2 励磁调节系统模型 1 3 e 翻 第二章典型企业电网及其数学模型 i t 巧 图2 3k k l _ _ 4a 侣励磁调节系统模型 2 2 6 汽轮机调节系统 对于热电厂来说，它提供的电能和热能都是很难大量储存的，而且用户还要根据自 己对能量的要求，不断改变对电和热的用量，这样就造成了供需间的不平衡。为了保证 向用户每时每刻提供合格的电能和热能，就必须保证电力系统的电压、频率以及热网供 汽压力的稳定，而这些均与机组转速有关。当然电压还受到发电机励磁电流大小的影响。 所以汽轮机就必须具有自己的调节系统。它的主要任务是：既要保证机组能及时满足用 户对电能、热能的要求，又要使机组的转速维持在规定的范围内，同时在电网或热网出 现故障时，要保证机组自身的安全。 对于机械式液压调速系统( 如高速弹性调速器调速系统) 和全液压调速系统( 如旋 转阻尼器调速系统) ，虽然在结构上有差别，但其调节原理相同，都可以采用如图2 - 4 所示的同一模型表示。 图2 - 4 汽轮机调速系统模型 由于石化自备电厂机组为供热机组，汽轮机调节系统包含调速和调压控制闭环，并 且通过调节同一汽门实现压力和速度的控制，如图2 5 所示。由于调压和调速回路存在 耦合关系，( 汽轮机调节及保安系统原理可以参考有关说明书) 它们的调节不同于火力 发电机组，图2 4 所示的数学模型并不能完全反映供热汽轮机调节系统的特性。而p s a s p 并没有提供供热汽轮机调节系统的数学模型，若利用p s a s p 的用户接口程序来完成此 第二章典型企业电网及其数学模型 项工作，需要很大的工作量。通过对供热机组特点的研究，根据本文研究目的，做了如 下分析： 图2 5 供热机组控制系统等效示意图 ( 1 ) 对于双抽汽轮机( 1 群、2 群、5 拌、6 拌汽轮机) 来说，如果按纯凝汽工况运行， 调压回路不投入，只有调速闭环回路调节电负荷。如果按照抽汽工况运行，由于调节系 统在设计时可以实现电负荷和热负荷的自整调节，即可以近似认为调节热负荷不影响电 负荷，反之亦然，因此仿真分析时可以分别考虑调速和调压回路。本课题研究中主要关 心电负荷的变化，故对于l 稃、2 群、5 群、甜汽轮机调节系统来说，可以只考虑调速闭环回 路，即可以采用图2 4 模型。 ( 2 ) 由于石化热电厂3 撑、4 拌汽轮机按背压式运行，即“以热定电，送电量取决于 热负荷的变化，不用速度同步器增减负荷，机组不参与一次调频。因此在模拟3 稃、4 样 汽轮机调节系统的控制时，如果假设热负荷不变化，则调速闭环回路对机组出力没有影 响，即可以认为3 群、4 5 汽轮机没有调速系统，其输入机械功率在系统频率变化时不改变， 这可以通过设置仿真软件中的参数来实现。 在电力系统工程仿真分析中，汽轮机调速系统的动态品质，特别是动态超速问题， 对于何种形式的调速系统设计都是一个关键的问题，尤其是热电联供机组。1 稃、2 撑汽轮 机为了防止甩负荷时，机组动态超速过大，当油开关跳闸时，系统中备有调压器切除阀， 用以克服调压器的反调作用，为了改善机组动态超速性能，采用了超速限制错油门，在 甩电负荷时，由超速限制错油门控制高、中、低压缸油动机，使进汽门迅速关闭，经2 5 5 s 左右，然后再退出控制作用。保安系统中设有转速保护装置：第一档转速保护值为 额定转速的1 11 1 1 2 ，即3 3 3 0 3 3 6 0 r r n i n ，设有两个撞击式的危急保安器，当转速 超出上述限制时，危急保安器动作，使自动主汽门及调速汽门关闭，停机。第二档转速 第二章典型企业电网及其数学模型 保护值为额定转速的1 1 4 5 即3 4 3 5 r m i n ，一旦危急保安器拒动，使转速上升到该值 时，附加保安油路动作，也可使自动主汽门及调节汽门迅速关闭，停机。 3 样、甜汽轮机为了防止甩负荷时，机组动态超速过大，以油开关跳闸信号，切除调 压回路，克服调压器的反调作用，超速限制滑阀动作，使脉冲油压暂时大幅度下降，( 延 续时间可以调整) ，以加速关闭调节汽阀，防止超速过大。并在保安系统中设有两档转 速保护：第一档转速保护值为额定转速的1 1l 1 1 2 ，即3 3 3 0 3 3 6 0 r m i i l ，设有两个 撞击式的危急保安器，当转速超出上述限制时，危机保安器动作，使自动主汽门及调速 汽门关闭，停机。第二档转速保护值为额定转速的1 1 4 5 ，即3 4 3 5 r m i n ，一旦危急保 安器拒动，使转速上升到该值时，附加保安油路动作，也可使自动主汽门及调节汽门迅 速关闭，停机。 5 群、6 撑汽轮机为了克服抽汽工况下甩负荷时的反调现象，在系统中设置了抽汽电磁 阀，作用是当机组突然甩电负荷，由于油开关跳闸，继电器常开接点闭合，接通抽汽电 磁阀线圈，使电磁阀动作，泄去调压器活塞下部的油压，调压器活塞下移，加速高压调 节汽阀的关闭，这时即使抽汽压力下降也不足以使调压器向最大抽汽量端移动，并且最 后平衡的转速与纯冷凝工况相同，为了防止甩电负荷时引起的动态超速问题，在系统中 设置了电超速保安装置，当油开关跳闸突然甩负荷时，油开关继电器动作，接通电磁阀 线圈，电磁阀动作，泄去二次油压，并向中压一号脉冲油路注入压力油，将高、中、低 压油动机快速关闭，待延时2 5 3 s ，且一次油压降至0 2 2 2 m p a ( 相应