（电气工程专业论文）系统联络线故障引起包钢电网稳定性问题研究及对策.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 稳定控制已经在大型电力系统中得到了广泛的应用。相对于大型电力系统，大 型钢铁企业供电系统具有显著不同的特点，对其稳定控制的研究相对较少。本文对 包钢供电系统进行了分析，包钢供电系统具有自备电厂，分区运行，分区电网与外 电网相联，是典型的有源受电系统。当故障导致供电系统与外电网断丌后，此时供 电系统因有功不平衡，将出现频率崩溃现象，导致大面积停电事故。通过对包钢供 电系统的稳定性分析，给出了相应的稳定控制方案。本文对于其他大型钢铁企业选 择适当的稳定控制方案具有一定的参考意义。 关键词：供电系统，低频减载，区域安全稳定控制，频率稳定 a b s t r a c t s t a b i l i t yc o n t r o lh a sb e e nw i d e l yu s e di nl a r g ep o w e rs y s t e m c o m p a “n gw i t ht h e 1 a r g ep o w e rs y s t e m ，p o w e rs u p p l ys y s t e mo fl a r g ec o m p a n i e sh a ss i g n i f i c a n t l yd i f 琵r e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e r eh a sb e e nr e l a t i v e l y1 i t t l er e s e a r c ho ni t ss t a b i l i t yc o n t r 0 1 p o w e r s u p p l ys y s t e mo fl a r g ec o m p a n i e s ，a sat y p i c a la c t i v ep o w e r - r e c e i v i n gs y s t e m ，g e n e r a l l y p o s s e s s e sp r i v a t ep o w e rp l a n t s ， w h i c hc o n n e c t e dw i t he x t e m a lp o w e r鲈i d w 1 l e n d i s c o n n e c t e dw i t he x t e r n a lp o w e rg r i dd u et oc e r t a i nf a u l t ，i tw i nr e s u l ti nf r e q u e n c y c o l l a p s e ，a n de v e n1 e a d st ol a 唱e s c a l eb l a c k o u to w i n gt ot h ea c t i v ep o w e ri m b a l a n c e t l l r o u g ha n a l y s i s o ft h e s t a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ys y s t e mi nas t e e le n t e 印r i s e ， u n d e r f i r e q u e n c yl o a d s h e d d i n gp l a n sa n dr e g i o n a ls e c u r i t ya n ds t i b 订i t yc o n t r 0 1p l a n sa r e a d o p t e di nt h i sp a p e r t h ef o m e rc a nb eu s e di np o w e r e n t 巧s y s t e mw i t hl o w e r i n v e s t m e n t ，b u tf 0 1 l o w i n gs o m ed e f e c t s t h el a t t e ri sa p p l i c a b l ei na l lk i n d so fc o m p l e x p o w e rs u p p l ys y s t e m s ，b u tw i t hm o r ei n v e s t m e n t a p p r o p r i a t es t a b i l i t yc o n t r o lp l a n sf o f l a r g ec o m p a n i e ss h o u i db es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h i sp a p e ra sar e f e r e n c e h ep e n g l e i ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a oc h e n g y o n ga n dz h a n gj i a x i n g k e yw o r d s ：p o w e rs u p p l ys y s t e m ，u n d e r - f r e q u e n c yl o a ds h e d d i n g ， r e g i o n a l s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yc o n t r o i ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 稳定控制已经在大型电力系统中得到了广泛的应用。相对于大型电力系统，大 型钢铁企业供电系统具有显著不同的特点，对其稳定控制的研究相对较少。本文对 包钢供电系统进行了分析，包钢供电系统具有自备电厂，分区运行，分区电网与外 电网相联，是典型的有源受电系统。当故障导致供电系统与外电网断丌后，此时供 电系统因有功不平衡，将出现频率崩溃现象，导致大面积停电事故。通过对包钢供 电系统的稳定性分析，给出了相应的稳定控制方案。本文对于其他大型钢铁企业选 择适当的稳定控制方案具有一定的参考意义。 关键词：供电系统，低频减载，区域安全稳定控制，频率稳定 a b s t r a c t s t a b i l i t yc o n t r o lh a sb e e nw i d e l yu s e di nl a r g ep o w e rs y s t e m c o m p a “n gw i t ht h e 1 a r g ep o w e rs y s t e m ，p o w e rs u p p l ys y s t e mo fl a r g ec o m p a n i e sh a ss i g n i f i c a n t l yd i f 琵r e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e r eh a sb e e nr e l a t i v e l y1 i t t l er e s e a r c ho ni t ss t a b i l i t yc o n t r 0 1 p o w e r s u p p l ys y s t e mo fl a r g ec o m p a n i e s ，a sat y p i c a la c t i v ep o w e r - r e c e i v i n gs y s t e m ，g e n e r a l l y p o s s e s s e sp r i v a t ep o w e rp l a n t s ， w h i c hc o n n e c t e dw i t he x t e m a lp o w e r鲈i d w 1 l e n d i s c o n n e c t e dw i t he x t e r n a lp o w e rg r i dd u et oc e r t a i nf a u l t ，i tw i nr e s u l ti nf r e q u e n c y c o l l a p s e ，a n de v e n1 e a d st ol a 唱e s c a l eb l a c k o u to w i n gt ot h ea c t i v ep o w e ri m b a l a n c e t l l r o u g ha n a l y s i s o ft h e s t a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ys y s t e mi n as t e e l e n t e 印r i s e ， u n d e r f i r e q u e n c yl o a d s h e d d i n gp l a n sa n dr e g i o n a ls e c u r i t ya n ds t i b 订i t yc o n t r 0 1p l a n sa r e a d o p t e di nt h i sp a p e r t h ef o m e rc a nb eu s e d i np o w e r e n t 巧s y s t e mw i t hl o w e r i n v e s t m e n t ，b u tf 0 1 l o w i n gs o m ed e f e c t s t h el a t t e ri sa p p l i c a b l ei na l lk i n d so fc o m p l e x p o w e rs u p p l ys y s t e m s ，b u tw i t hm o r ei n v e s t m e n t a p p r o p r i a t es t a b i l i t yc o n t r o lp l a n sf o f l a r g ec o m p a n i e ss h o u i db es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h i sp a p e ra sar e f e r e n c e h ep e n g l e i ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a oc h e n g y o n ga n dz h a n gj i a x i n g k e yw o r d s ：p o w e rs u p p l ys y s t e m ，u n d e r - f r e q u e n c yl o a ds h e d d i n g ， r e g i o n a l s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yc o n t r o i ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文系统联络线故障引起包钢电网稳定性 问题研究及对策，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签 日 翩虢坳导师签名：型! 鲨多 日 期：型塑：兰厂乡 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 电力系统稳定是电网安全运行的关键，一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损 失和灾难性后果，世界各国不乏惨痛的教训。2 0 0 3 年8 月1 4 日北美发生了震惊世 界的大停电【1 1 ，随后相继又发生了澳大利亚、伦敦、瑞典、丹麦、意大利大停电， 接着在2 0 0 4 年7 月1 2 日希腊首都雅典、1 1 月1 8 日西班牙首都马德里市中心发生 大停电，2 0 0 5 年1 月8 同瑞典南部飓风袭击引起的大停电、5 月2 5 日上午1 l 时1 0 分莫斯科发生俄罗斯历史上规模最大的停电事故，8 月1 8 同印尼发生大停电，9 月 1 2 日美国洛杉矶地区发生大停电。大范围的停电事故，给该地区工业生产、商业活 动及交通运输等经济方面造成巨大损失，并严重影响了人们社会生活。大停电事故 受到各国政府首脑和整个社会高度关注。 “8 1 4 ”大停电历时2 9 小时、损失负荷6 1 8 0 万千瓦，影及5 千万人口，损失达 3 0 0 亿美元；意大利数小时的大面积停电，仅直接经济损失就达数亿欧元【2 】；莫斯 科大停电直接经济损失至少l o 亿美元，2 0 0 万人停水断电，两万人被困在地铁，间 接损失无法估计。 2 0 0 6 年8 月7 日包钢8 0 变电所与包头地区电网联络线路故障跳闸，造成包钢 两台2 5 m w 自备发电机组带着1 0 0 m w 的用电负荷孤网运行，最终使得电网频率降 至4 6 h z 引起发电机组解网电网大面积停电。这次大停电事故不仅造成了包钢部分 厂矿停产，而且对生产设备也造成了极大的破坏，由于我们对系统稳定研究不足给 了我们一次惨痛的教训。 目前包钢电网的用电负荷为7 5 0 m w ，自备发电能力为5 0 0 m w 。尤其是c c p p ( 燃气一蒸汽联合循环发电机组) 两台1 3 5 m w 的机组投产后，为平衡其发电包钢将 3 4 的负荷与两台c c p p 发电机一同接入2 2 0 k v 包钢8 l 群变电所与包头地区电网并 网，稳定性问题显得尤为突出。一旦包钢电网8 l | 变系统与高新变的两回联络线跳 开时，包钢电网8 1 变系统与系统脱离，形成了包钢电网8 l ：f 变系统的孤网运行， 所有负荷将由c c p p 的两台1 3 5 m w 的机组带，但负荷所需的有功功率大于c c p p 机组发出功率，在此过程中，由于时间很短，使得运行人员来不及采取措施，包钢 电网8 1 撑变系统频率就急剧下降，c c p p 发电机失步运行，进而导致包钢电网8 1 挣变 系统大面积停电以及电网的瓦解。近年来，随着包钢规模的迅速扩大，电力负荷增 长迅猛，包钢电网上述的系统稳定问题更加突出。因此，系统稳定是当前包钢电网 迫切需要研究解决的重要课题。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 电力系统安全稳定控制的研究现状 保证电力系统的安全稳定运行一直是人们关注的重要问题。提高电力系统安全 稳定的措施主要有两方面：( 1 ) 加强建设和合理安排电网结构；( 2 ) 采用较完善的 安全稳定控制措施。前者投资一般很大，但能可靠地在各种条件下提高稳定性；后 者所需资金较少，但可信赖程度稍差。普遍认为电力系统正常运行及常见的扰动情 况应由电网结构保证安全稳定，而对于一些较严重和出现概率较低的扰动，采用控 制措施是合理的【3 】。 1 2 1 电力系统稳定控制的措施 电力系统稳定控制主要有以下两类【4 5 】： 预防控制( p r e v e n t i v ec o n t r 0 1 ) 。电力系统正常运行时由于某种原因( 运行方式 恶化或扰动) 处于警戒状态，为提高运行安全裕度，使电力系统恢复至安全状态而 进行的控制。 紧急控制( e m e r g e n c yc o n t r 0 1 ) 。电力系统由于扰动进入紧急状态或特急状态， 为防止系统稳定破坏、防止运行参数严重超出允许范围，以及防止事故进一步扩大 造成严重停电而进行的控制，能够以较小的控制代价维持系统在严重故障后的安全 稳定性1 6 j 。 预防控制主要是改变系统的运行点，使处于警戒域的运行点移至安全域。紧急 控制是改变系统的稳定边界，使故障后的运行点仍处于稳定状态。电力系统稳定控 制通常指的是紧急控制，是指电力系统由于扰动进入紧急状态或极端紧急状态，为 防止系统稳定破坏、运行参数严重超出规定范围，以及事故进一步扩大引起大范围 停电而进行的控制。 电力系统受到大扰动后可采取的稳定控制措施【_ 7 。m j 包括： ( 1 ) 快速切除故障及重合闸 在高压输电线路上快速切除短路故障，可以减轻短路故障对系统的冲击，减小 发电机的加速面积，是提高系统暂态稳定性的最有效措施，它也是其它安全稳定措 施发挥作用的前提条件。快速重合闸的重要作用，不仅在于恢复因故障断开的线路， 更是在连续故障情况下保持系统完整性，避免扩大事故的重要手段。由于能很快恢 复故障发生前的系统运行条件，所以可以提高电力系统的暂态稳定性。 ( 2 ) 汽轮机短暂或持续减功率 在防止系统暂态稳定破坏的控锘i j 中，汽轮机短时间减功率用于平衡过渡过程初 始阶段、由事故扰动引起的转子过剩动能。为了减少故障后的发电机组的输入功率， 消除其与输出电功率间的不平衡，对于中间再热式的汽轮发电机组可以在故障发生 2 华北电力大学工程硕士学位论文 后快速关闭汽轮机的进汽阀门，瞬时地减少原动机功率，使第一振荡周期摇摆角减 小，然后在第二振荡周期后再慢慢打开阀门。 电力系统的故障往往发生在输电线路上，在故障后切除一回线路的情况下，如 发电机仍维持原始出力，往往会超出故障后线路的输送能力，采用快关汽门的措施 后，就有可能在电力系统的第二振荡周期失去稳定。为了克服上述缺点，可以在关 闭截止阀的同时，关闭部分调节阀，使发电机在故障后的出力比原始的出力小，以 适应故障后输电线路的静态稳定性。 汽轮机长时间减功率( 或称限制功率) 是在事故后方式下关闭汽轮机阀门和相 应地减少锅炉蒸汽量。主要用于防止静态稳定破坏、消除异步运行方式及限制设备 过载，还可以用来限制频率升高。 水轮发电机组由于其调速系统响应不够快，所以不能用快关导水叶的方法快速 压低机组的出力，同时考虑到导水管中的水锤效应，影响了这种措施的应用。 ( 3 ) 切除发电机 在提高电力系统的暂态稳定性的措施中，应用得比较多而简便的措施是切发电 机。由于短路故障或输电线路断开而使送端发电机的电磁功率突然减少时，为了不 使发电机加速而失去暂态稳定性，可以迅速切除部分送端发电机组。为了加快切机 的反应速度，在很多情况下采用在断路器_ 丌断故障时连锁切机的办法，使其余机组 的原动机输入功率和输出的电磁功率尽可能趋于平衡，以抑制发电机转子的加速。 选择控制作用时，由于水轮发电机能很快重新启动，在故障切除后可立即将切 除的机组重新投入系统，恢复正常供电，所以在水电厂切机比在火电厂为佳；只有 在汽轮机长期减功率的可能性用完后，才宜在火电厂或核电厂切机；核电厂的切机 应最后使用。 ( 4 ) 切除负荷 切除负荷用于限制频率和电压降低、防止稳定破坏、消除异步运行方式和限制 设备过载。在各种情况下，一般使用带就地起动装置的分散式切负荷装置，这样可 提高控制的可靠性，并可按用户的重要程度及停电后果等因素切除用户。在实现自 动防止电力系统稳定破坏时，如分散式切负荷不能满足要求，则可采用集中式切负 荷装置。 ( 5 ) 发电机励磁系统强励、强减和附加控制 励磁系统对于提高暂态稳定而言，主要表现在快速励磁和强行励磁的作用上。 电力系统发生短路故障时，由于控制机械功率的常规调速系统的动作太慢，主要靠 快速继电保护切除故障，以减小加速面积；在故障切除后，快速励磁和强行励磁可 以增大发电机电势，增加输出的电磁功率，增大了制动面积，防止发电机摇摆角过 渡增大，以利于暂态稳定性的提高。 电力系统中广泛使用的p s s 是通过调节发电机的励磁而产生阻尼转矩，增加发 3 华北电力大学工程硕士学位论文 电机的阻尼，补偿不利运行条件下的负阻尼转矩。所以配置有p s s 的快速励磁系统， 可以阻尼第一摇摆及之后的多摆过程和低频振荡，提高暂态稳定性。目前p s s 常采 用以下几种输入信号：发电机的转速；发电机端或发电厂母线的频率；发电机输出 的电磁功率；发电机的机械功率。 ( 6 ) 无功补偿控制 在送端和受端都比较强的电力系统中，为了补偿输电线的电抗，提高输电线路 的极限输电功率，采用串联电容器是一种有效措施。在发生短路故障时，电容器因 保护间隙的击穿而短接。使发生短路故障后的系统的电抗突然增大，因此，在高压 输电线路上要求在故障切除后，应尽快恢复串联电容器的作用，以利于提供稳定性。 静止补偿器是由可控的并联电容器或电抗器组成，可以平滑的改变输出( 或吸 收) 的无功功率，其作用相当于同步调相机，由于静止补偿器具有快速调节无功功率 的能力，在故障情况下，当故障切除后，可近似地认为连接静止补偿器的母线电压 能很快恢复到故障前的数值并保持在较高值。静止补偿器还可以为系统提供正阻 尼，改善系统的动态过程，抑制系统的低频振荡。 ( 7 ) 制动电阻 当电力系统短路故障时，把短时间内可通过大电流的电阻短时( 数秒) 投入到 送电端发电厂母线上，吸收发电机因故障而产生的过剩功率，以便使发电机输入和 输出功率平衡，抑制发电机的加速，使系统保持稳定运行。 电气制动作为提高电力系统暂态稳定水平的措施，主要用于远离负荷中心的水 电厂。如果应用适当的电阻容量以及控制其投入和退出的规律，可以消除发电机在 暂态过程中功率不平衡问题。制动电阻投入越早，限制加速发电机转子加速的效果 越好，而当发电机在第一振荡周期达到最大角度时，应将电阻切除，太长时间的电 气制动可能使发电机回摆后在减速方向失去稳定。简单的制动电阻控制方式为“保 护启动，定时切除”。它所整定的电气制动作用时间是通过大量的离线计算确定下 来的，它只对某种特定的运行方式，在某一地点发生某种类型的故障才是最合适的。 ( 8 ) 解列系统 在实现防止系统稳定破坏时，利用系统解列以改变系统各部分的接收与输出功率的 比例，此比例应能减少扰动的影响和加强控制作用( 如汽轮机减功率和切负荷) 的效果。 1 2 2 电力系统稳定控制的方式 在我国一般将电力系统紧急控制的装置称为安全自动装置或者稳定控制系统， 它与正常稳定运行状态下的安全控制( 如自动调节电压、自动调节频率和功率等) 、 事故时的继电保护及事故后的恢复控制( 如线路重合闸、备用电源自动投入、备用 设备自动起动等) 协调工作，保证电力系统安全稳定运行【1 。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 按照控制装置的组成和分布范围，可以将安全稳定装置分为就地型和区域型 【1 2 1 。就地型稳定控制装置单独安装在各个厂站，相互之间不交换信息，没有通信联 系，解决的是本厂站元件故障时出现的稳定问题。区域型稳定控制指的是为解决一 个区域电网内的稳定问题而安装在两个以上厂站的稳定控制装置，经通道和通信设 备联系在一起组成稳定控制系统，相互间交换运行信息，传送控制命令，在较大范 围内实施稳定控制。 此外，按照稳定控制策略表的存放位置，安全自动装置又分为就地决策方式、 分散决策方式、集中决策方式【l3 1 。 ( 1 ) 就地决策方式 稳定控制装置根据就地采集的信息量来执行控制命令，装置之间不需要通信。 由于电网的不断扩大，系统的运行方式和运行工况复杂多变，在一个厂站用“就地 稳定控制”的方法能够解决电网稳定问题的情况也已很少。 ( 2 ) 分散决策方式 区域稳定控制系统一般设有一个主站、几个子站。主站一般设在枢纽变电所或 处于枢纽位置的发电厂，负责汇总各站的运行工况信息，识别区域电网的运行方式， 并将有关运行方式信息传送到各个子站。如果各站都存放有控制策略表，在本站及 出线发生故障时，根据事故前的运行方式，就能够作出决策，在本站执行就地控制 ( 包括远切本站所属的终端站的机组负荷) 。只有当本站控制措施不足以维持系 统稳定时，才将控制命令上传给主站及其它子站执行。由于控制决策是各站分别作 出的，故称这种方式为分散决策方式。 ( 3 ) 集中决策方式 如果只有主站存放控制策略表，各子站的故障信息要上送到主站，由主站集中决策，控制命令 在主站及有关子站执行，这种决策方式称为集中决策方式。集中决策方式下，所有的控制决策均由 主站作出，系统的可靠性较低。该方式现在已经很少应用，目前只用于较小型的稳定控制系统中。 目前比较合理的方案是发展分散决策的区域控制系统，即根据系统的结构和特 点，将整个系统分成可能的若干区域子系统，各子系统按各自的结构特点，组成综 合考虑稳定运行要求的区域暂态稳定控制装置，然后用中央控制装置收集和处理涉 及全系统的综合性信息，以便对各区域控制装置的工作进行协调与优化。同时，安 全稳定控制系统应遵循简单、实用、可靠、就地和分散的原则。 1 3 大型钢铁企业供电系统的特点及其稳定问题 1 3 1 供电系统的特点 大型钢铁企业供电系统具有与区域电网显著不同的特点： 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 典型的有源受端电网 大型钢铁企业主网一般建有自备电厂，通过2 2 0 k v 高压输电线路与外网相联， 其电力供应由外网与自备电厂共同支撑，企业自身承担供配电网的维护与管理。 大型钢铁企业自备电厂的发电量往往在供电系统中占有很大的比重，部分企业 发电自给率接近于自给自足，甚至向外网送电。如上海宝钢集团的总装机容量达到 1 2 0 万千瓦，除大部分自发自用外，剩余部分送入上海电网。 企业自备电厂能够降低成本，提高效益。部分企业通过建设符合国家政策的企 业自备电厂，降低了整个生产过程的成本，提高了企业的经营效益，促进了企业的 发展。企业大型自备电厂的建立，不但大大减少了对外网的电力需求，降低了用电 成本，也为供电系统与外网故障解列后孤网独立运行提供了可能性。 ( 2 ) 运行方式多样化 供电系统结构复杂，不但有几种常用运行方式，更有多种检修运行方式；厂变 二次侧母线的出线较多，且负荷分配可随运行情况变动。 供电系统多采用分列运行方式，两子系统分别与外系统相联，且具有相对独立 性。两子系统与外系统的交换功率随运行方式和负荷分配的不同而变化。当供电系 统有功欠缺时，从外系统吸收有功，即有功受入型电网；当供电系统有功富裕时， 向外系统输出有功，即有功输出型电网。 ( 3 ) 分层分区运行【1 4 】 供电电网分层是指按电压等级，即网络传输能力大小将电力系统划分为由上而 下的若干结构层次。一方面，系统规模扩大有利于合理丌发与利用能源，节省投资 与运行费用，增加备用容量，减少事故损失，在一定程度上提高了供电可靠性，因 此电力系统互联成为目前的必然趋势。另一方面，大规模电网增加了系统短路容量， 电网局部故障容易波及其它地区，可能引起大范围停电事故。 ( 4 ) 负荷波动大【1 5 l 大型钢铁企业的负荷多为工业生产负荷，以钢铁工业的生产为例，钢铁工业的 总负荷主要由在钢铁冶炼锻造等工业工程中产生的负荷组成，受其生产特点的影 响，存在一些较大的冲击负荷，如电炉负荷、热轧负荷等。这些负荷的投入、退出 较频繁，且工作过程中功率也会不断变化，从而引起潮流的变化。 1 3 2 供电系统的稳定问题 大型钢铁企业供电系统在绝大部分内部故障下均能够依靠自身的继电保护装 置及原有的就地控制装置迅速切除故障而保持系统稳定。 然而大型钢铁企业供电系统的稳定主要依赖于外网，忽视了自身的稳定控制能 力，没有完善的稳定控制措施。当供电系统与外系统交换功率很大时，一旦相联的 6 华北电力大学工程硕士学位论文 输电线路故障跳闸，供电系统将与外系统断开而孤网运行，往往出现有功不平衡问 题，如不能采取有效的稳定控制措施，势必导致供电系统的频率崩溃，引发企业大 范围停电事故【1 6 】。 大型钢铁企业供电系统往往配置有足够的静态及动态无功补偿装置，却没有足 够的有功热备用容量。当供电系统遇到大扰动失去外电网电源供应时，系统将出现 发电有功与负荷的不平衡，严重时导致频率崩溃。因此供电系统的稳定问题主要是 故障后有功不平衡导致的频率稳定问题。 1 4 本文的主要内容 针对当前大型钢铁企业供电系统的特点及其稳定问题，如何找出适合企业特点 的稳定控制措施，使供电系统在发生严重故障导致孤网独立运行的情况下，仍能通 过本身的大型自备电厂维持重要负荷的j 下常供电，是各大型钢铁企业亟待解决的重 大问题。本文以包钢电网为例，对包钢供电系统的稳定性、提高稳定性控制措施进 行了研究。本文的主要工作为： ( 1 ) 分析了包钢电网结构、运行方式、负荷，应用电力系统分析综合程序 ( p s a s p ) 对包钢电力系统进行暂态故障仿真分析，得到供电系统存在的安全稳定 隐患。 。 ( 2 ) 对比就地分散式低频减载方案与区域安全稳定控制方案，得出包钢供电 系统的最优稳控方案。 ( 3 ) 针对包钢电网的特点，提出了采用快速准同期并列的稳定控制措施。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章包钢供电系统的稳定性分析 2 1 电力系统稳定性概述 2 1 1 电力系统稳定 对于电力系统来说，安全和稳定是电力系统正常运行时所不可缺少的最基本条 件【1 7 】。所谓安全，是指运行中的所有电力设备必须在不超过它们允许的电流、电压 和频率的幅值和时间限额内运行。所谓稳定，是指电力系统可以连续向负荷正常供 电的状态。 电力系统正常运行时，应保持稳定，频率和电压在正常范围之内，且具有足够 的稳定性储备和有功、无功备用容量，不致因正常负荷波动和调节装置的不良作用 而引起自发振荡，即电力系统具有足够的充裕度、安全性和阻尼水平。电力系统承 受各种扰动时，状态将发生变化，必须采取适当的安全稳定控制措施【l s 】。 欧美国家普遍将电力系统稳定性分为3 类【”】：( 1 ) 静态稳定性，主要指系统在 小扰动下保持发电机同步的能力；( 2 ) 暂态稳定性，主要指系统在大扰动后的首摆 过程中保持同步的能力；( 3 ) 动态稳定性，指系统在扰动后抑制自发振荡的能力。 i e e e 在1 9 8 2 年建议了以下的分类方法： ( 1 ) 静态稳定性。如果电力系统在任何小扰动后，能恢复到与受扰前相同或 相近的运行状态，则为静态稳定，也称为小扰动稳定。静态稳定性分析是以线性化 的微分方程为对象的。 ( 2 ) 暂态稳定性。如果电力系统在受到某特定的大扰动后，能达到一种可以 接受的稳定运行状态，则系统的原始状态对于该扰动是暂态稳定，或称为大扰动稳 定。研究暂态稳定性时，必须采用非线性模型，也即研究非线性微分代数方程组的 受扰稳定性。 根据研究的目标变量是状态变量还是代数变量，可以进一步分为： ( 2 1 ) 暂念功角稳定性大扰动后的一段时间内，有足够的同步功率以保证 发电机之间不会失步； ( 2 2 ) 暂态电压稳定性和安全性大扰动清除后的动态过程中，所有母线电 压既不会长时间地低于给定的限值，也不会引起不受控的切负荷。从问题的数学描 述来看，暂态电压稳定性是母线动态负荷运动状态变量的稳定性：暂态电压偏移可 接受性是变量破坏对应的不等式约束问题。 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 3 ) 频率安全性 电力系统暂态频率安全又包括暂态频率稳定性和暂态频率偏移可接受性两方 面。暂态频率稳定性是运动状态变量的稳定性；暂态频率偏移的可接受性是变量破 坏对应的不等式约束问题。 2 1 2 电力系统运行的安全稳定标准 电力系统运行时受到的扰动可分为小扰动和大扰动两类。小扰动是指系统中负 荷、发电机及其调节系统的经常变化以及线路电抗的变化( 由于风吹引起架空线路 线间距离的变化导致) 。小扰动随时都在发生，但一般不会引起系统结构的变化。 对于小扰动要求系统有足够的阻尼力矩，使系统在这种小扰动下不致发生自发振 荡。大扰动是指系统中因短路故障或操作( 大容量发电机组的投切、大的负荷以及 重要输电设备的投切) 引起系统电网结构或功率的变化。 国家经济贸易委员会颁布的电力系统安全稳定导则将电力系统的扰动按照 严重程度和出现概率分为三类，要求分别采取相应措施以保证系统安全稳定运行。 针对上述三种情况所采取的控制措施，即通常所称的保证安全稳定的三道防线 【2 0 。2 2 】，这已为电力部门普遍接受并在实际工作中加以贯彻实施。针对这三类扰动， 电力系统安全稳定导则同时也给出了相应的安全稳定标准【2 3 1 。 ( 1 ) 第一级安全稳定标准 正常运行方式下的电力系统受到下述单一元件故障扰动( 一类扰动，出现概率 较高) 后，保护、开关及重合闸正确动作，不采取稳定控制措施，必须保持电力系 统稳定运行和电网的正常供电，其它元件不超过规定的事故过负荷能力，不发生连 锁跳闸。 任何线路单相瞬时接地故障重合成功； 同级电压的双回或多回线和环网，任一回线单相永久故障重合不成功及无故 障三相断开不重合； 同级电压的双回或多回线和环网，任一回线三相故障断开不重合； 任一发电机跳闸或失磁； 受端系统任一台变压器故障退出运行； 任一大负荷突然变化； 任一回交流联络线故障或无故障断开不重合； 直流输电线路单极故障。 为了保证电力系统正常运行状态及承受第一类大扰动时的安全要求，应由一次 系统设施、继电保护、以及安全稳定预防控制等，组成保证电力系统安全稳定策略 表配置信息的第一道防线。但对于发电厂的交流送出线路三相故障，发电厂的直流 9 华北电力大学工程硕士学位论文 送出线路单极故障，两级电压的电磁环网中单回高一级电压线路故障或无故障断 开，必要时可采用切机或快速降低发电机组出力的紧急控制措施。 ( 2 ) 第二级安全稳定标准 正常运行方式下的电力系统受到下述较严重的故障扰动( 二类扰动，出现概率 较低) 后，保护、开关及重合闸正确动作，应能保持稳定运行，必要时允许采取切 机和切负荷等稳定控制措施。 单回线单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开不重合； 任一段母线故障： 同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功，双回线三相 同时跳开： 直流输电线路双极故障。 为保证电力系统承受第二类大扰动时的安全要求，应由防止稳定破坏和参数严 重越限的紧急控制等实现保证电力系统安全稳定的第二道防线。 ( 3 ) 第三级安全稳定标准 电力系统因下列情况( 三类扰动，出现概率很低) 导致稳定破坏时，必须采取 措施，防止系统崩溃，避免造成长时间大面积停电和对最重要用户( 包括供电系统) 的灾害性停电，使负荷损失尽可能减少到最小，电力系统应尽快恢复正常运行。 故障时开关拒动； 故障时继电保护、自动装置误动或拒动； 自动调节装置失灵： 多重故障； 失去大容量发电厂； 其它偶然因素。 电力系统承受严重复杂故障时可能出现的危急状态有以下几种：长期失步振荡、 过负荷连锁跳闸、电压崩溃、频率崩溃。第三道防线的内容就是通过系统解列、再 同步、低频减载、低压减载等措施消除系统的危急状态，同时避免线路和机组保护 在系统振荡时误动作，防止线路及机组连锁跳闸。从以上扰动的分类可以看出，紧 急控制系统需要考虑的扰动包括：第一类扰动中的一部分，第二类扰动的全部，以 及部分的第三类扰动。 2 1 3 电力系统频率稳定 频率稳定对于电网的稳定具有重要的意义，频率一直是监控电能质量的重要指 标，也是重要的电力系统运行指标【2 4 1 。根据我国有关规程规定，系统的额定频率为 5 0 h z ，正常运行时，允许的频率偏差不超过0 2 h z 。在使用调频装置时，规定频率 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 偏差不超过( o 0 5 0 1 5 ) h z 。但是电力系统中有时会出现严重的有功功率缺额， 导致系统的频率下降，即使这种下降没有达到令系统崩溃的程度，系统在低频下运 行，也会出现很大危害【2 5 ，2 6 】： ( 1 ) 发生频率崩溃现象 当频率下降到4 7 4 8 h z 时，火电厂的厂用机械( 如给水泵等) 的出力将显著 降低，使锅炉出力减少，导致发电厂发电功率进一步减少，致使功率缺额更为严重。 于是系统频率进一步下降，这样恶性循环将使发电厂运行受到破坏，从而造成所谓 “频率崩溃 现象。 ( 2 ) 发生电压崩溃现象 当频率降低时，励磁机、发电机等的转速相应降低，由于发电机的电动势的下 降和电动机转速降低，加剧了系统无功不足情况，使系统电压水平下降。运行经验 表明，当系统频率下降至4 5 4 6 h z 时，系统电压水平受到严重影响，当某些中枢 点电压低于某一临界值时，将出现所谓“电压崩溃”现象，系统运行的稳定性遭到 破坏，最后导致系统瓦解。 ( 3 ) 系统频率下降还伴随着潮流失调、线路过载及稳定失步等现象出现，这 些现象也同样会影响系统的稳定。 一旦发生了上述恶性事故，将会引起大面积停电，而且需要较长时间才能恢复 系统的正常供电。 2 2 包钢供电系统的稳定性分析 2 2 1 包钢电网概述 随着包钢生产规模逐步扩大，目前包钢电网的用电负荷已由2 0 0 4 年的4 0 0 m w 发 展到7 5 0 m w ，自备发电能力由2 0 0 4 年的1 0 0 m w 发展到5 0 0 m w 。包钢电网主要包含5 个外电源点：2 2 0 k v 高新变、张家营变、1 1 0 k v 第一热电厂、桥西变电所、麻池变电所。 正常运行方式下，依托5 个外电源点分区运行。这主要的5 个分区电网为：8 l 变系统、 8 0 变系统、7 2 变系统、7 l 变系统、桥西变系统。其中，8 l 变的2 2 0 k v 母线并列运行， 1 1 0 k v 母线分两段运行。8 q 变的2 2 0 k v 母线分列运行，1 1 0 k v 母线分列运行。7 2 变的 1 1 0 k v 母线分列运行。7 l 变的1 1 0 k v 母线分列运行。各分区电网之间存在并列运行点。 可以通过变电所1 1 0 k v 母联、1 1 0 k v 备用线路进行分区电网并列，实现相互支援。 在包钢电网中8 1 撑变系统所带负荷占总负荷的6 2 ，而且所带负荷重要，是本文分 析的重点。8 l j f j 变系统主要由高新变和c c p p 电厂( 两台1 3 5 万k w 的机组) 提供电源， 高新变通过两回2 2 0 k v 线路接入8 l j f i 6 变电站，c c p p 电厂通过两回1 1 0 k v 线路接入8 l i | l 变电站；8 1 撑变电站通过1 1 0 k v 线路向包钢电网8 l j j 变系统的各个1 1 0 k v 变电站提供电 l l 华北电力大学工程硕十学位论文 源。8 l 拌变系统总负荷量大约是4 3 7 5 万k w 。系统简图如图2 1 所示。 图2 1包钢电网8 1 拌变系统示意图 2 2 2 包钢电网8 1 变系统构成 包钢电网中8 l 变系统由1 个2 2 0 k v 变电站( 8 l 变电站) 、7 个l l o k v 变电站( 7 4 拌 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 变电站、7 5 存变电站、5 1 撑变电站、7 8 j f j 变电站、7 0 变电站、7 7 捍变电站、7 3 舟变电站) 以 及c c p p 电厂组成。 ( 1 ) 8 1 群变电站 外网高新变电站送包钢两回2 2 0 k v 线路：高新变至包钢8 1 j 变电所新钢i 回、新钢 i i 回，如图2 2 所示。8 1 j f | 变电站包括四台2 2 0 1 1 0 1 0 5 k v 的1 8 0 m v a 变压器。2 2 0 l ( v 主接线采用双母线分段接线，1 1 0 k v 主接线采用双母线双分段接线。其中2 2 0 k v 母线并 列运行，四段1 1 0 k v 母线分列为两段运行。1 撑主变投运于1 1 0 l ( v 的i 母，2 主变投运 于1 1 0 i 的i i 母，3 撑主变投运于1 1 0 k v 的i i i 母，4 撑主变投运于1 1 0 l 的母。1 1 0 k v 的i 、i i 母并列运行，1 1 0 k v 的i i i 、母并列运行，1 1 0 l c i 1 1 1 分段、i i 一分段 热备用。 图2 28 1 撑变电所主接线图 ( 2 ) c c p p 电厂 c c p p 电厂的两台机组均采用发电机变压器接线方式，每台发电机各通过一条 1 1 0 l ( v 线路分别接到8 1 撑变电站的分列1 1 0 k v 母线上。 c c p p 发电机组是燃用低热值高炉煤气的联合循环发电机组，具有节能、环保、发 电多重功能。该机组以高炉产生的副产品高炉煤气和焦炉煤气为燃料，在燃气一 蒸汽联合循环发电机组中发电。通过c c p p 对高炉煤气的回收利用，既可减少高炉煤气 的放散、降低能源损失、减轻大气环境污染，又能利用此装置较高的热电效率获得大量 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 电能。以3 0 万千万c c p p 机组为例，每小时可燃烧高炉煤气4 7 万立方米、焦炉煤气4 2 万立方米，每小时最大发电量可达3 0 万千瓦时，年发电量达2 3 亿千瓦时以上，比同等 水平的热电厂年可节约标准煤7 0 万吨以上，年利用高炉煤气约3 3 亿标准立方米，每年 可减少一氧化碳排放1 0 亿标准立方米、减少二氧化碳排放约1 9 0 万吨。 ( 3 ) 7 错变电站 7 4 撑变ll ol ( v 主接线采用单母线分段接线，母线采用分列运行方式，两回1 l o k v 进 线电源线路全部由8 1 变出线。 ( 4 ) 7 5 样变电站 7 5 撑变一次配电电压采用1 1 0 k v 等级、单母线双分段接线分列运行方式，3 台 l l o 1 啦8 0 m v a 变压器，三回1 l o k v 进线电源线路全部由8 1 撑变出线。进线与变压 器装机容量均满足n 1 备用原则。 ( 5 ) 5 l j | j 变电站 5 1 撑变1 1 0k v 主接线采用双母线接线分列运行方式，四回进线、两回出线，两回 1 1 0 k v 线路能承担全部负荷。两回来自一电