（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电引起配电网过电压的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a st h ed e m a n d so fp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya n de n e r g yq u a l i t ya r e i n c r e a s i n g l yh i g h , t r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e de l e c t r i c i t ys y s t e m , w i t hl a r g ec r e wa n dl a r g e p o w e r 西d s a st h em a i nf e a t u r e ，h a sb e e nu n a b l et om e e ts u c hd e m a n d o nt h eo t h e r h a n d , t h er e f o r mo fg l o b a le l e c t r i c i t ym a r k e tm e c h a n i s mp r o v i d e sac o m p e t i t i v e p l a t f o r mf o rt h ei n d e p e n d e n tp o w e ro p e r a t o r s b a s e d0 1 1t h et e c h n o l o g i c a lp r o g r e s so f e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r i a la n dh u m a na t t e n t i o nf o rt h e i ro w ns u r v i v a le n v i r o n m e n t , d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o np g ) t e c h n o l o g yh a sb l 地o m ean e wh n t s p o ti nt h ef i e l do f p o w e rs y s t e m s w i t ht h ei n t e r c o n n e c t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n g ) ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m d e v e l o p st oa c t i v el o o p - n e t w o r kf r o mt r a d i t i o n a lp a s s i v er a d i a l - n e t w o r k s t a b i l i t ya n d f l e x i b i l i t yo fe l e c t r i c i t ys u p p l yi nd i s t r i b u t i o ns y s t e mh a v ei m p r o v e dl a r g e l y , h o w e v e r , s e v e r a lc h a l l e n g e st os y s t e mo p e r a t i n gs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t ya r eb r o u g h tf o r w a r di n t h em e a nt i m e p a r a m e t e r si nd i s t r i b u t i o ns y s t e ma sw e l la st h ec o n d i t i o n sf o r o v e r - v o l t a g ec a nb ei m p a c t e dd u et od i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n t i l i sp a p e rj u s tf o c u s e s o nt h i sp r o b l e m t h eb a s i cc o n c e p t so fd ga n do v e r - v o l t a g ea r ci n t r o d u c e ds i m p l yi nt h ep a p e ra t f n _ s t b o t ho ft h es i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p i n gd ga n d i m p a c to nd i s t r i b u t e ds y s t e ma r e d i s c u s s e d , a n dt h em e c h a n i s m so fv a r i o u sr e s o n r u c e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e n , b a s e do nt h ep l a t f o r mo fp s c a d e m t d c , as m a l li n d u c t i o ng e n e r a t o r , s y n c h r o n o u s g e n e r a t o ra n d i t sa s s o c i a t e dc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed e s i r eo f a p p l y i n g d gs e v e r a lo v e r - v o l t a g ep r o b l e m si n t r o d u c e db yt h ei n t e r c o n n e c t i o no fi x a r e g e n e r a l l yd i s c u s s e d ，a n da1 0k vh a n g z h o ud i s t r i b u t i o ns y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e d t ot e s tt h ep r o p o s e dt h e o r e t i ca n a l y s i s s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ec a p a c i t yo f v a r i o u sd g ，l o a dl e v e ln e a r b ya n dp a r a m e t e r si nd i s t r i b u t i o ns y s t e mc a l li m p a c t o v e r - v o l t a g ec a u s e db yd gd e f i n i t i v e l y a tl a s t , t h i sp a p e rm a k e sab r i e fd i s c u s s i o n o nc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st or e s t r a i no v e r - v o l t a g ec a u s e db yd g k e yw o r d s ：d i s t r i b u 僦lg e n e r a t i o n ( d g ) ；f e r r o - r e s o n a n c e ；s e r f - e x c i t a t i o n ； o w z 啪l 姐g e ；i s l a n do p e r a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 分布式发电的概述 1 1 1 引言 现在全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一 供电系统。虽然全世界9 0 的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当 今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身 的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会 对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾 难性的后果。为解决此类问题而大力改造和新建配电网络，这在技术、资金和效 益上都是不可取的。因此，欧美的电力专家提出了投资省、发电方式灵活、与环 境兼容的分布式发电与大电网联合运行的方式，而提高电力系统运行的灵活性、 可靠性和安全性。分布式供电形式的逐渐推广，促进了发电技术、储能装置和供 电设备的研发，新型的分布式电源不断出现，它们为分布式供电提供良好的应用 前景。分布式电源进入电力系统后，将会从输配电系统规划、电力市场运作等方 面对其产生深远影响17 | 1 1 1 9 | | 1 0 | 。 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 本身并非一种全新的发电形式， 过去在一些重要的部门，用户为了增加供电可靠性和安全性，往往会自行安装一 些小型发电设备作为紧急备用电源。这也可认为是分布式发电的范畴，但由于其 技术性能差或效率低下，或对环保有影响，已被淘汰或取代。目前所谓的分布式 发电通常指光伏发电、风能发电、燃料电池发电，燃气轮机、微型燃气轮机等以 天然气或氢气为燃料的新型发电技术。由于其在效率、能源多样化、环保、节能 等多方面的优越性，再加上电力市场化的快速发展，使分布式发电技术获得广泛 的关注。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 分布式发电的概念与分类 分布式发电( d g ) 一般是指为满足某些终端用户的需求，支持已有的配电 网经济运行而设计和安装在用户侧附近的小型发电机组。分布式电源的规模一般 不大，大约在几十千瓦到几十兆瓦目前主要的分布式电源有风力发电、光伏发 电、燃料电池、微型汽轮机、燃气轮机发电、往复式发电机、储能装置等。由于 靠近用户提高了供电服务的可靠性和电力质量，同时又具有环境友好型，资源节 约等特点，在技术发展，公共环境政策和电力市场扩大等因素的共同作用下，分 布式发电将成为新世纪重要的能源选择n 1 川”“” 根据所使用一次能源的不同，分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电 技术、基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术。 1 基于化石能源的分布式发电技术： 往复式发动机技术：用于分布式发电的往复式发动机采用四冲程的点火 式或压燃式，以汽油或柴油为燃料，是目前应用最广的分布式发电方式。 微型燃气轮机技术：微型燃气轮机是指功率为l o o k w 以下的以天然气、 甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。 燃料电池技术：燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流 电能的电化学装置。 2 基于可再生能源的分布式发电技术： 太阳能光伏发电技术：太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效 应直接将太阳能转换为电能。 风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，可分为独立运行与并网 运行两类，前者为微型或小型风力发电机组，容量一般为i o o w i o k w ，后者 的容量通常超过1 5 0 k w 3 混合的分布式发电技术： 通常是指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合起来，形成复合式发电 系统。目前已有多种形式的复合式发电系统被提出，其中一个重要的方向是热电 冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。与简单的供电 系统相比，分布式供能系统可以大幅度提高能源利用率、降低环境污染、改善系 统的热经济性。 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 分布式发电的国内外发展现状与前景 目前世界上最具商业运营前景的主要是微汽轮机，专家预测微汽轮机采用热 电联产模式将是2 1 世纪能源利用的潮流。目前微汽轮机技术主要在北美和欧洲， 日本也有一些产家。但由于采用天然气发电，在天然气比较匮乏的地区就难以推 广。尽管风力发电、光伏发电等发电技术目前经济性较差，但由于其使用可再生 能源发电，仍然受到普遍重视。美国、日本由于本国电子信息产业比较发达，在 大阳能利用方面走在前面。欧洲由于其传统机械制造业的优势及其本身所处地理 位置风能又特别丰富，在风力发电上始终处于领先地位。 分布式发电技术在我国目前还处于起步阶段，我国目前分布式发电源主要是 一些小水电、自备发电机、以及为数不多的风力发电、光伏发电、潮汐发电和垃 圾发电。我国分布式发电水平很低，风力发电装机容量不到1 0 0 万千瓦，远远落 后于德国、丹麦等发达国家，光伏发电和热利用也与发达国家有很大差距，其它 的一些发电形式更只有形象工程的意义了。所以，当前我国分布式发电发展的任 务非常艰巨。 分布式发电未来将以对电网进行主动式管理的姿态出现，而非像目前以大型 的中心专业电厂为主。尽管电力服务的质量和安全性不能依靠成千上万的小型分 布式发电装置而脱离中央协调，但是如果电网中有足够多的分布式电厂，按照统 计原理，这些电厂的运作可以提供正常的配电服务。随着分布式发电技术水平的 提高、各种分布式电源设备性能的不断改进以及电力系统规模的日益扩大、用户 对电能需求的逐渐增强，分布式发电作为一种具有竞争力的发电方式必将在现代 电力系统中占有越来越重要的地位。 1 1 4 发展分布式发电的重要意义 目前我国面临着常规能源资源约束，过分依赖煤炭，污染严重、能源利用率 低等问题。发展分布式发电不仅可以推进可再生能源的合理利用，而且对于电力 系统建设运行也可以带来可观的经济效益。作为未来能源领域的一个重要发展方 向，发展分布式发电( d g ) 的意义主要可归结予以下几个方面： ( 1 ) 分布式发电的并网，减缓组建大型发电厂和高压输电网，而减少投资。 同时，减小了配电网的潮流，相应降低了网损，提高能源利用效率。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 分布式发电采用洁净能源、新能源，和可再生能源可解决能源危机和 环境污染问题：另一方面，就地供电也减少了大量远距离高压输电线的建设，减 少电磁污染和线路走廊征用，有利于环保。 ( 3 ) 分布式发电系统中各电站相互独立，用户可以自行控制，不会发生大规 模停电事故，由此提高了供电安全性和可靠性 ( 4 ) 分布式电源供电能起到电力调峰作用，由于参与运行的系统少，启停快 速，操作简单，便于实现全自动。 ( 5 ) 分布式发电可以适应电力市场发展的需要、由多家集资办电，发挥电 力建设市场、电力供应市场的竞争机制。 ( 6 ) 我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向其供电。 就地采用分布式发电( 如太阳能光伏发电、风力发电等) 就可有效解决这一供电 难题。 1 2 分布式发电对配电网的影响 将分布式发电( d g ) 系统集成到现有的配电系统中，是今后分布式发电的 发展趋势。但是把大量的d g 系统接入配电网会对配电系统的结构和运行产生很 大的影响 7 ) j j h l a j 1 sj ( 1 6 ，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 电能质量d g 接入配电网后，会引入各种扰动，从而引起系统电压和 频率的偏差、电压波动和闪变等电能质量问题。d g 的频繁启动会使配电线路上 的负荷潮流变化增大，引起电压波动或是电压闪变。另一方面，未来的d g 可能 大量采用电力电子型电源，容易给配电网引入谐振，造成谐波污染。 ( 2 ) 继电保护分布式发电接入配电网后，传统辐射型的网络将变为遍布 电源与用户互联的网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。配电网的 根本性变化使得电网各种保护定值与机理也发生变化。如原配电网继电器不具备 方向敏感性能( 原系统为放射型的，末端无电源，不会产生转移电流，而无须具 备方向敏感性能) ，刚当其他并联分支故障时，会引起安装有d g 的分支上继电 器的误动，造成该无故障分支失去主电源。 ( 3 ) 故障电流虽然在许多情况下d g 接入配电网侧装有逆功率继电器， 正常运行时不会向电网注入功率，但当配电系统发生故障( 如短路故障) 时，短 4 浙江大学硕士学位论文 路瞬间会有d g 的电流注入电网，增加了配电网开关的短路电流水平，可能使配 电网的开关故障电流超标。 ( 4 ) 过电压当d g 通过变压器、电缆线路、开关等与配电网相连时，一 旦配电网发生故障而系统侧开关断开时，d g 侧开关也会断开，假如此时d g 变 压器空载或轻载，变压器电抗可能会与线路电容发生铁磁谐振而造成过电压，还 可能引起较大电磁力，损坏变压器等电器设备 ( 5 ) 可靠性当d g 仅作为备用电源时，可以提高系统供电的可靠性；但 如果d g 与电网并联运行，就有可能降低系统的可靠性。例如：在合理的d g 布 置和电压调节方式下，d g 可部分消除输配电网的过负荷和堵塞，增加配电网的 输电裕度，提高系统的可靠性水平。相反，对于含有大量d g 的配电系统，如果 d g 与配电网的继电保护配合不好，反倒会降低系统的可靠性。另外，在系统中 出现扰动时，由于d g 的高度不确定性，也可能降低系统的可靠性。 ( 6 ) 电网效益电网的损耗主要取决于系统的潮流，d g 影响系统的潮流分 布，也必然影响配网的损耗。分布式发电可能增大也可能减小系统网损，取决于 d g 的位置、d g 容量与负荷量的相对大小以及网络的拓扑结构等因素。系统的 网损大小，配电网建设改造投资多少都是直接决定着电网的效益。另外，d g 的 引入还可能使配电系统负荷预测更加困难。 ( 7 ) 其他方面分布式发电系统接入配电网后，除了会对配电网有上述影 响外，还存在一些其他方面的问题，有待进一步的研究。例如：含有大量d g 系 统的配电系统的供需平衡问题、对含有d g 的配电网的规划和设计问题以及实现 d g 与配电网互联的技术问题等。 1 3 电力系统过电压的概述 1 3 1 过电压的概念 在电力系统中，各种电压等级的电气设备，在正常运行状态下只起承受其额 定电压的作用。但在异常情况下，可能由于外部击雷或雷电感应突然加到系统中， 或者是系统运行中的操作、故障等原因引起系统内部电磁能量的振荡、积聚和传 播，从而造成对电气设备绝缘有危险的电压升高或电位差升高，这种现象称为过 5 浙江大学硕士学位论文 电压。 根据过电压产生的根源不同，可分为雷电过电压和内部过电压。雷电过电压 就是指由于外界雷击引起的过电压，又称外部过电压。内部过电压是在电网额定 电压基础上产生的，故其幅值大体上随着电压等级的升高而按比例增大。内部过 电压又可分为操作过电压和谐振过电压，操作过电压指电力系统内部，由于断路 器操作和各类故障所引起的过渡过程，产生瞬间的电压升高；谐振过电压则是指 电力系统内部的电感和电容元件，在进行操作或发生故障时可能形成各种不同形 式的振荡回路，在一定能源的激励下，发生较长时间的谐振现象，引起谐振过电 压。 1 3 2 过电压的危害 过电压现象虽然持续的时间很短，但电压升高的幅度很大在本身绝缘水平 较低而又没有配备过电压保护装置的情况下，可能会发生输配电线路及电气设备 的绝缘击穿，产生持续的过电流而烧毁设备，甚至还可能影响过电压保护装置的 工作条件，严重威胁到电力工作人员的人身安全，对电力系统的安全运行造成了 极大的威胁。 为了保证电力系统的安全运行，必须切实采取各种安全技术措施，严格根据 d l t 6 2 0 - - 1 9 9 7 过电压保护标准进行过电压保护，以使过电压造成的危害降到最 低限度。 1 4 本文的目标与内容 研究目标； 1 、根据i e e e l 5 4 7 标准，全理设计分布式电源并网，为进一步研究配电网 过电压问题提供基础； 2 、对不同类型的分布式电源，在不同参数条件下发生的过电压水平进行比 较分析； 3 、通过对配网过电压的研究分析，总结出分布式电源接入后，配网参数、 分布式容量、接线方式等对配网发生过电压的影响。 研究内容： 6 浙江大学硕士学位论文 l 、 寻找分布式电源的接入可能给配电系统过电压带来的影响； 2 、大量阅读国内外与分布式发电、铁磁谐振、配网过电压等相关的文献， 并学习e m t p 和p s c a d 等电磁暂态仿真软件； 3 、以实际配网为模型，对发布式电源接入后引起的配电网过电压做机理分 析； 4 、基于杭州局某1 0 k v 配网，运用e m t p 和p s c a d 进行仿真计算，分析 在各种不同参数配置下，不同分布式电源对配网过电压的影响。 预期成果： 1 、结合杭州电力局的分布式发电对地区配网的影响项目，给杭州电力局提 供一份有关分布式电源对配网过电压影响的研究报告； 2 、发表一些关于分布式发电引起的配网过电压方面的文章，为我国分布式 发电的发展尽一点微薄之力。 7 浙江大学硕士学位论文 2 1 基本概述 第二章谐振过电压 2 1 1 谐振过电压的概念 电力系统中含有许多电感和电容元件，作为电感元件的有电力变压器、互感 器、发电机、消弧线圈以及线路导线等，作为电容元件的有输电线对地电容和相 间电容、补偿用的串联和并联电容器组以及各种高压设备的寄生电容等。在系统 进行操作或发生故障时，这些电感和电容元件，可能会发生参数匹配，发生谐振 现象，产生谐振过电压。 谐振过电压通常会在进行操作或发生故障的过程中产生，并有可能在过渡过 程结束后的较长时间内稳定存在，直到发生新的操作，谐振条件受到破坏为止 因此谐振过电压比操作过电压的持续时间长，性质上属于暂态过电压。谐振过电 压的严重性既取决于它的幅值，也取决于它的持续时间经验表明，谐振过电压 可在各种等级的网络中产生，尤其是在3 5 k v 及以下的电网中，绝大部分的内部 过电压事故都是由谐振现象所引起。 2 1 2 谐振过电压的分类1 2 在不同电压等级、不同结构的系统中可以产生不同类型的谐振过电压。通学 认为系统中的电阻和电容元件为线性参数。电感元件则一般有三类不同的特性参 数。对应三种电感参数，在一定的电容参数和其它条件的配合下，可能产生三种 不同性质的谐振过电压： ( 1 ) 线性谐振过电压 电路中电感参数为常数，电感值不随元件上的电压或电流的变化而变化这 类电感元件主要有不带铁心的电感元件( 如输电线路的电感、变压器的漏电感) 及励磁特性接近线性的带铁心的电感元件( 如消弧线圈，其铁心常有空气隙) 。 在交流电源的作用下，当系统回路的自振频率或接近电源频率时，可能产生强烈 8 浙江大学硕士学位论文 的线性谐振现象。 ( 2 ) 铁磁谐振过电压 电路中的电感元件因带有铁心会产生饱和现象，电感参数不再是常数，而是 随着电流或磁通的变化而变化。这种含有非线性电感元件的电路，在满足一定条 件时，会产生铁磁谐振。与线性谐振相比，铁磁谐振现象具有很多特点。铁磁谐 振过电压常发生在由空载变压器、电压互感器( 正常工作接近空载) 和电容组成 的回路中 ( 3 ) 参数谐振过电压 系统中某些元件的电感参数在外力的影响下发生周期性变化，例如电机旋转 时，电感参数的大小周期性变化。当电机接有电容性负荷( 如空载线路) ，参数 配合不当时，就可能产生参数谐振过电压。参数谐振过电压亦被称为旋转电机的 自励磁或自激过电压。 实际电力系统的结构比较复杂，发生故障和操作的方式很多，可能发生谐振 的接线方式也比较多。对于参数谐振和铁磁谐振，由于参数不是常数，描述这些 振荡过程的方程通常是非线性或变参数的微分方程。 2 2 线性谐振过电压 2 2 1 线性谐振物理过程 在l 、c 串联线性电路中，只要电路的自振频率接近交流电源的频率，就会 发生串联谐振现象。这时即使在稳态时也可能在电感或电容元件上产生很高的过 电压，因此串联谐振也称为电压谐振。 图2 - 1 是由线性电阻、电容和线性电感元件组成的串联谐振回路，设图中电 rc 图2 1 线性谐振回路 9 浙江大学硕士学位论文 源电动势为鲍) = 互童c o s ( 耐+ 力，则谐振回路的微分方程为： d 讲2 u c - 2 1 2 鲁+ 瑶= 2 磊c o s ( 耐+ 纠 ( 2 1 ) = 缸卜褂咖+ 府i 磊嘶喇+ 小国 其中及伊为电容电压稳态分量的有效值及初相角，根据稳态电路计算得 到稳态时，回路阻抗角缈为： 。，一l 妒= a r c t a n _ 严 ( 2 3 ) 回路的电流及电容、电感电压有效值分别为： ，。了二f ( 2 q j r 2 + 丢) 2 一 以：上： 。国c u c = u = 而2 丽1 - a , + ( 2 , 毙- o ) 2 而2 丽k o j o ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 上两式中： 占= 旦2 l ，万为回路的阻尼率； 簖= 历1 ，嘞为忽略损耗电阻r 时回路的自振角频率。 若仅考虑电路的稳态条件时，可根据式( 2 - 5 ) 得到图2 - 2 所示的不同参数下电 容电压稳态有效值( e ) 与( 国) 的关系曲线，由图可见当嘞与彩接近或相等 时会出现较高的稳态过电压。 1 0 浙江大学硕士学位论文 图2 - 2 不同参数下电容电压稳态有效值( 【，c e ) 与( 国，) 的关系 ( 1 ) 当= 国，电路处于谐振状态 这时回路感抗等于容抗，即功乞= 1 倒c ；回路中电流有最大数值，且只受电 阻r 的限制，其值为i = e r ；电感上的电压等于电容电压。即 咕吣i 小鼍辱专z 其中z = z 7 石，为回路的特性阻抗。 ( 2 - 7 ) 显然，当嘞= 珊或是* m ，回路r 越小，谐振过电压越高；当矗斗0 时， 过电压趋于无穷大。 ( 2 ) 当功，电路不发生谐振 欲求此时u c 最大值，可将旦看为变量，通过求导计算可得 鳓 云2 厢时会出现最馗 删2 骊e 嘞 浙江大学硕士学位论文 实际的振荡回路往往十分复杂，自振频率不只一个，显然，只要其中任何一 个自振频率等于( 忽略损耗) 或接近于电源频率，就会发生线性谐振，产生线性 谐振过电压。 2 2 2 线性谐振的抑制措施 从线性谐振过电压的发生原理中，可以看出它具有如下特点： ( 1 ) 只要串联回路的电感和电容参数为常数，回路的自振频率就是固定的， 当电源频率与之接近或相等时，就会发生谐振现象。在实际复杂电路中，有时可 能具有两个或更多的自振频率，由于电源中也可能含有谐波，这时只要回路中的 一个自振频率与电源频率或某个谐波相等或相近，就可能激发该频率的线性谐振 过电压。 ( 2 ) 当= 时，过电压只是由回路电阻来限制，一般回路电阻很小，所以线 性谐振过电压幅值可能很高。特别的在阻尼很小的回路中，若是彩* 嚷，电容上 的电压会出现拍频波形，其幅值可能达到稳态值的两倍。 在电力系统运行中，可能出现的线性谐振，除了空载线路及不对称接地故障 时的谐振之外，还有消弧线圈补偿网络的谐振以及某些传递过电压的谐振等。由 于线性谐振要求比较严格的参数匹配，实际电力系统中，往往在设计或运行时刻 意避开谐振范围来避免线性谐振过电压。 2 3 铁磁谐振过电压 2 3 1 铁磁谐振的物理过程 在电力系统的振荡回路中，住住由于铁芯电感的磁饱和作用而激发起持续性 的较高幅值的过电压，即铁磁谐振过电压。由于铁磁元件的非线性特性，电感值 不是常数，振荡回路没有固定的谐振频率。同样的回路中，受激发条件影响，既 可能产生谐振频率等于电源频率的基波谐振，也可能产生分次谐波谐振( 如1 i 2 次、1 3 次、) 和高次谐波( 如2 次、3 次、) 谐振。在一些复杂的电 力系统振荡回路中，常常会同时存在几种不同频率的谐振，甚至会出现铁磁谐振 1 2 浙江大学硕士学位论文 的混沌现象 图2 - 3 是简单的串联谐振回路，设回路中只有基波电压及电流，因此可以采 用复数及矢量进行分析计算。电感及电容上电压( d ，( d 随着电流变化的曲 线如图2 - 4 所示，曲线上的电压及电流均用有效值表示。由于电容c 为常数，故 ( d = i i m c 是条直线，铁心电感由于其磁饱和特性，在电流较小时，保持 未饱和的线性电感值厶，砚( d = ，n ；随着电流的增加，铁心逐渐饱和，电 感值开始下降，巩( d 不再是直线。由于假定国厶 去，故电感的起始伏安特性 曲线处在电容的上面；但随着电流的增大，铁芯饱和，电感降低，这两条伏安特 性线从相交到互换上下位置。 rc 图2 - 3 是简单的串联谐振回路 若忽略回路电阻，在交点k 以前，由于鸣 点，回路中的电流属于感性， 与e 相同，其值等于e + ；在以后，由于鸭 历1 ，回路中的电流属于 容性，吼与e 反同，并等于，c e 。若不计及回路损耗电阻，回路中压降总和 u = i 乩一i ，其曲线如图2 - 4 中所示。在，= 厶时，砜= 点，此时a 【，= o ， 即是线性谐振中的共振点。此际上，由于电源电势的存在，“，= 厶) 点为不稳定 的工作点，电流会继续增大，电感值进一步小降，此后以k 一 ” 弹缈c 阢 2 寿一( 2 - 9 ) 式中行= p q ，p 、g 均为正整数，如：席= - 、1 等是分频谐振；开- - 1 是基 1 频谐振；甩= 2 、3 等为高频谐振 ( 2 ) 铁磁谐振回路中，若电源电动势较小，e 乩 时，则只存在一个稳定工作作态，系统可以通过“自激发”方式产生铁磁谐振。 ( 3 ) 回路中损耗电阻应该小于某个临界值。在计及回路损耗电阻后，图2 3 中的铁磁谐振回路应该满足 e 2 = ( 巩一) 2 + ( 腰) 2( 2 1 0 ) 可见，回路电阻增加会使谐振范围缩小，当回路电阻大于临界值，即天导 时，铁磁谐振就不会发生了。 2 3 3 铁磁谐振的抑制措施 在三相电网内，由于接线的复杂性和故障、操作形式的多样性，所形成的铁 磁谐振过电压类型也各式各样。在电力系统运行中，针对不同的接线方式、不同 故障引起的铁磁谐振过电压，通常采用不同的抑制措施。 1 断线引起的铁磁谐振过电压 在电力系统中，因导线的折断、断路器非全相动作或严重的非同期操作、熔 断器的一相或者两相熔断等造成系统非全相运行时所出现的铁磁谐振过电压，都 属于断线谐振过电压。当电网中出现断线谐振过电压时，系统中性点发生偏移， 负载变压器相序可能反转、绕组电流急剧增加、铁芯有响声，严重情况下，可使 绝缘闪络，损坏电力设备。 浙江大学硕士学位论文 限制断线过电压，除了加强线路的巡视与检修，预防发生断线外，常采用的 措施有：不采用熔断器，减少三相断路器的非同期操作，尽量使用三相同期； 若断路器操作后有异常现象，可立即复原，并进行检查：在中性点接地的系 统中，操作中性点不接地的变压器时，将变压器的中性点临时接地。 2 电磁式电压互感器饱和引起的过电压 在电力系统运行中，为了监测发、变电站母线对地电压，通常在发电机或变 电站母线上接有电压互感器( p t ) ，并且其一次绕组接成星形，中性点直接接地。 当进行某些操作时( 例如中性点绝缘非同期合闸、或接地故障消失等) ，电压互 感器( p t ) 的励磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路。根据回路参数 及外界激发条件的不同，可能造成分频、工频、或高频铁磁谐振过电压若是工 频谐振，可能出现两相对地电压升高，甚至引起“虚幻接地”；分频谐振时可能 导致相电压低频摆动，或在电压互感器( p t ) 中引起低频过电流，而导致因过 热而烧毁甚至爆炸；高频谐振过电压可能造成谐振电压过高而破坏电力设备的绝 缘性能。统计表明，电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系 统中最常见、造成事故最多的一种内部过电压，严重影响供电安全，必须给予重 视。 在中性点不接地电网中，可采用下列措施消除电压互感器饱和引起的过电 压：选用励磁性能好的电磁式电压互感器；零序回路中加非线性阻尼电阻或 分频消谐装置；系统侧p t 高压侧中性点串接单相p t ( 册r r 方式) 。当增大 系统各相对地电容，使j ，c o 置。 1 ) 。回路的自振周期分别为：乃= 2 万厄c 和 兄= 2 万乙c = 七。为了定性分析参数谐振的发展过程，对电感参数的变化规 律作一些理想化的假设： a ) 电感参数的变化是突变的； r 工 厶 厶 0 似 图2 - 5 参数谐振电路及电感的变化衄线 b ) 电感变化的时间间隔f i 、f 2 恰好分别为其自振周期的四分之一，即： 1 7 浙江大学硕士学位论文 每、吃 c1 略去回路阻尼损耗。 参看图2 - 6 ，我们可对参数谐振过电压的发展过程进行分阶段分析。 ( 1 ) 在0 f h 电机绕组的电感为岛，电流为；当f _ 时，电感突变为厶，由于电感线 圈中磁链缈不能突变，故电流变为f 2 ， 即y 2 岛2 毛j 之2 每= 嘲 ( 2 1 1 ) 此时电感中的贮能从噬突变到，其中：= j 1 h 2 一，= 吾厶考= 七。 可见，电感从岛突变到厶时，线圈中的电流和磁能都变成为原来的_ i 倍 此能量是从改变电感参数的原动机的机械能转化而来的。 ( 2 ) f s f 2 ，其中：f 2 = + f 2 此过程中，由于外界无电源，也没有机械能输入( 电感未发生变化，仍为厶) ， 回路中出现以周期为的自由振荡，电流按余弦规律变化，在f 2 时刻，之降为零。 此时电感中的全部磁能转化成电容c 的电能虽然在f 2 时刻，绕组电感又从 突变到厶，由于电感中没有磁能( 因为之= o ) ，所以电感的变化不会引起磁能和 电流的变化。 ( 3 ) t 2 f s 屯，其中：f 3 = 岛+ 吒 在f 2 f f 3 ，回路中又出现为周期为乃的自由振荡，并在f 3 时刻电流达到幅 值f 3 ，这段时间内没有能量从外界输入，仅是电容c 上的电能全部转变为磁 能厶毒2 ，所以有 i i b 2 = k w , = j i 码 2j 毛= 厩( 2 - 1 2 ) 在f = f 3 时刻，电感再一次由厶突变到厶，根据磁链守恒原理，电流又发生 1 8 浙江大学硕士学位论文 突变： 厶毛= 厶j = 妈= 七三 对应的磁场能量为： 形= 三厶苦= 三厶七2 彳= 七2 形 o ： ： ： ： i i 如 _ 、t ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 闰2 6 参数谐振过电压的发展过程 如此循环，每经过f l + 毛，电流i 增加扳倍，如图2 - 6 所示经过电磁振荡， 不断把原动机的机械能转化为电磁能，电感电流和电容电压越来越大，这就是参 数谐振过电压发展的物理过程。 以上的分析虽然是在理想条件下进行的，一般电机在等速旋转过程时，其电 抗不会发生突变，而是按正弦规律变化的，但参数谐振发展过程和以上的讨论是 浙江大学硕士学位论文 一致的。 2 4 2 参数谐振的防制措施 对于凸极机，产生同步自激参数谐振时，回路的自振频率应满足以下条件： l1 # 一 鸣或 ( 2 - 1 5 ) 显然对于隐极机是不可能产生异步自激的因为k = 丘。对于异步自激，则 回路参数应满足 k k x i ( 2 一1 6 ) 另一方面，电机的线圈绕组在实际中也是存在回路损耗的，仅当每次参数变 化引入回路的能量足够大，既能保证回路的能量损耗，又能保证回路贮能的增长。 理论分析得到电机的同步和异步自激的参数范围曲线如图2 7 所如示在此曲线 范围内的j 0 及r 参数配合下，电机的参数谐振过电压才会发生。半圆贺曲线i 的范围为自激的同步区，范围i i 为异步区，其中虚线和实线分别表示电机有阻 尼和无阻尼绕组时的自激区域。实际电力系统中，若发电机带有较长的空载线路， 则以较小，而一般系统的损耗也小，因此回路可能处于自激范围之内。 为了消除自激现象，实际电力运行中通常采取的措施主要有：自动调节励 磁装置一般能用来消除同步自激。在超高压系统中采用并联电抗器补偿，增大 补偿电容，使回路参数处于自激范围之外。临时在定子绕组中串入电阻以增大 回路阻尼电阻，使之大于蜀、兄值( 图2 - 7 ) 。在操作方式的安排上，尽可能使 回路参数处于自激范围之外。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 7 同步电机自激的参数范围曲线 2 1 浙扛大学硕士学位论文 第三章基于p s c a d 的配网模型 3 1 仿真软件p s c a d ，e m t d c 3 1 1p s c a d ，e m t d c 的简介 p s c a d ( 全称p o w e rs y s t e m sc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是加拿大马尼托巴高 压直流研究中心出品的一款电力系统电磁暂态计算软件。p s c a d 的开发成功， 使得用户能更方便地使用e m t d c 进行电力系统分析，电力系统复杂部分可视化 成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端，可模拟任意大小的交直 流系统。 e m t d c 是一套基于软件的电磁暂态模拟程序，可以通过p s c a d 进行调 用。用户可以通过调用随e m t d c 主程序一起提供的库程序模块或利用用户自己 开发的元件模型有效地组装任何可以想象出的电力系统模型和结构。e m t d c 的 威力之一是可以较为简单地模拟复杂电力系统，包括直流输电系统和其相关的 控制系统。 p s c a d e m t d c 分为工作站版( 适用于u n i x 系统) ，和p c 版( 适用于 w i n d o w s 系列操作系统) 。p c 版的p s c a d e m t d c 操作方便，并具有易与基 于w i n d o w s 操作系统的其他软件( 如m a t l a b 等计算程序) 互相调用等特点， 因此本文采用的是基于w i n d o w sn t 操作系统的p s c a dv 4 2 0p r o f e s s i o n a l 。 3 1 2p s c a d e m t d c 的强大功能与研究范围 p s c a d e m t d c 在时间域描述和求解完整的电力系统及其控制的微分方程 ( 包括电磁和机电两个系统) 。这一类的模拟工具不同于潮流和暂态视定的模拟 工具。后者是用稳态解去描述电路( 即电磁过程) ，但在求解电机的机械动态( 即 转动惯量) 微分方程，p s c a d e m t d c 的求解结果是作为时间的即时值被求解。 但通过内置的转换器和测量功能( 像有效值表计，或者快速傅里叶变换频谱分析 等) ，这些结果能被转换为矢量的幅值和相角。 2 2 浙江大学硕士学位论文 实际系统的测量能够通过很多途径来完成，由于潮流和稳定的程序是通过稳 定方程来代表，它们只能基频段幅值和相位。因此p s c a d 的模拟结果能够产生 电力系统所有相应的频率，限制仅在于用户自己选择的时间步长，这种时间步长 可以在毫秒到秒之间变化。 p s c a d e m t d c 的主要功能有：1 可以发现系统中断路器操作、故障及雷 击时出现的过电压；2 可对包含复杂非线性元件( 如直流输电设备) 的大型电 力系统进行全三相的精确模拟，其输入、输出界面非常直观、方便；3 进行电 力系统时域或频域计算仿真；4 电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算； 5 实现高压直流输电、f a c t s 控制器的设计。 基于p s c a d 厄m r d c 软件的研究包括： 研究电力系统中由于故障或开关操作引起的过电压。它也能模拟变压器的非 线性( 即饱和) 这一决定性因素。多运行工具( m u l t i p l ef a c i l i t i e s ) 经常用来进 行数以百计的模拟，从而在下列不同情况下发生故障时的最坏情况，并能考虑到 故障发生在波形的不同位置，故障的类型不同，故障点不同。 在电力系统中找出由于雷击发生的过电压。这种模拟必须用非常小的时间 步长来进行。( 毫微秒级) 研究电力系统由于s v c ，高压直流接入，s t a t c o m ，机械驱动( 事实上 任何电力电子装置) 所引起的谐波。这里需要详细的可控硅，g t o ，i g b t ， 二极管等的模型以及相关的控制系统模型( 模拟量的和数字量的二种类型) 。 对给定的扰动，找出避雷中最大能量 调整和设计控制系统以达到最好的性能；多重运行工具常被用来同时自动 调整增益和时间常数。 当一个大型涡轮发电机系统与无功补偿的线路或电力电子设备互相作用 时，研究次同步谐振的影响。 s t a t c o m 或电压源转换器的建模，以及它们相关控制的详细建模。 研究s v c 、h v d c 和其它非线性设备之间的相互作用； 研究在谐波谐振，控制及其交互作用等引起的不稳定性； 研究柴油机和风力发电机对电力网的冲击影响； 绝缘配合； 浙江大学硕士学位论文 各种类型可变速装置的研究，包括双向离子变频器，运输和船舶装置； 工业系统的研究，包括补偿控制，驱动，电炉，滤波器等： 对孤立负荷的供电； 3 1 3p s c a d ，e m t d c 的主要模块 p s c a c e m ) c 主要分为以下几个模块： 1 文件管理系统：采用一种工程，算题文件的分层结构来表示用户进行电力 系统模拟研究的数据库结构； 2 建模( d r j 心t ) 模块：借助建模包，用户可以用图形的方法建立需要进 行模拟研究的电力系统模型。通过选择不同的功能，建模包可以为e m t d c 或 r t d s ( r e a l - t i m e d i g i t a ls y s t e m ) 模拟研究准备必需的文件。 3 架空线( b l 矾e ) 和电缆( o 气b l e ) 模块：使用t - l i n e 和c a b l e 模 块确定架空输电线和电缆的行波模型所需的数据。 4 运行( r u n1 1 m e ) 模块：运行模块中的e m t d c 操作员控制台软件模块 和r t d s 控制台软件模块可分别为运行e m t d c 和r t d s 提供控制操作功能和数 据收集系统功能。 5 单曲线绘图( u 】岍p l o t ) 和多曲线绘图( m 【肌p l o t ) 模块：e m t d c 和r t d s 所产生的数据的分析和绘图是通过单曲线绘图模块进行的。多曲线