送端电网发电机转动惯量对转子加速能量堆积的影响

送端电网发电机转动惯量对转子加速能量堆积的影响

0提高电网输电能力的基本保障地位分析电力系统是一个复杂的动态系统，由各种负荷组成，比如输电站、fact、hvdc和其他负载组成。受一次能源分布因素制约,通常发电厂位于远离负荷中心的偏远地区,大容量电力需经输电网络送至负荷端,因此电网的输电能力是决定系统安全稳定水平和运行效率的重要依据。电网的输电能力与单体设备载流能力、系统性决定的暂态稳定和动态稳定,以及仿真计算水平、稳定性考核标准等因素有关。在电网建设初期或过渡期,由于一次系统投资较大且建设周期较长、技术经济性等因素影响,通常主干网架较为薄弱,电源外送容量与电网输电能力之间的矛盾突出,对于丰水期水电基地外送系统更为突出。为提高电网输电能力,可进行输电通道增容扩建、安装FACTS缩短送出通道电气距离或提高电压支撑能力,但这些措施需要大量的一次系统投资。此外,还可利用直流快速功率控制等措施,提高电网输电能力和抵御故障冲击能力,但仅适用于交直流混联的特定电网结构。青藏直流馈入后,藏中电网供电能力和运行可靠性得到显著改善。但藏中主干网架尚较为薄弱,其中林芝电网与主网单回长距离互联线路输电能力较低,是威胁电网安全稳定运行和制约丰水期林芝富裕水电外送的重要因素。提高过渡期藏中主网安全稳定水平和重要通道外送能力,具有重要意义和显著的经济效益。本文首先基于等面积定则原理,分析送端电网发电机组转动惯量水平对扰动后加速能量和最大减速能量的影响,揭示提高转动惯量水平提升电网输电能力的机制。以丰水期西藏林芝水电外送型电网为例,研究老虎嘴主力水电站开机方式对林芝外送输电能力的影响,研究结论为西藏电网建设过渡期提高主干网输电能力、提升电网安全稳定水平和运营效率提供重要技术依据。1影响环境质量系统的额外减速能量1.1联络线功能分析针对如图1所示的送端电网经双回线与主网互联系统,研究双回线三永N-1故障扰动下,送端机组转动惯量大小对极限外送能力的影响。故障前、故障时以及故障后联络线功角特性分别如式(1)—(3)所示。式中:PeI、PeII、PeIII分别为故障前、故障时和故障后联络线外送功率;Ug、Us分别为送端与受端母线电压;XI和XIII分别为故障前和故障后联络线阻抗;uf064为联络线两端功角差。分析中,假设送端机组在励磁调节器的作用下能够保持故障清除后联络线送端电压Ug恒定;由于受端系统短路容量较大,扰动过程中亦可保持联络线受端电压Us恒定;送端系统不考虑原动机及其调节器的动作,即机械注入功率维持恒定。1.2发电机转速随机负荷变化的规律决定电力系统遭受大扰动后一摆暂态稳定性的关键因素,是故障扰动中送端系统积聚的加速能量是否能被故障清除后系统所能提供的最大减速能量所吸收,若最大减速能量大于加速能量,则系统能够保持暂态稳定;反之系统将失去暂态稳定。如图1所示,送端等值发电机组转子运动方程如式(4)(5)所示,式中uf077和uf0770分别为发电机转速和额定转速、M为发电机惯性时间常数、Pm为机械输入功率。由以上2式可推导出故障清除tc时刻送端发电机的转速ωc和δc,分别如式(6)(7)所示。由此可见,发电机最大摆角与机械输入功率、故障切除时间成正比,与发电机惯性时间常数则成反比。故障期间不平衡功率驱动转子加速,转子积聚动能,对应的加速面积如式(8)所示。可以看出,发电机转动惯量越大,加速能量越小;机械注入功率越大或故障清除时间越长,则加速能量越大。1.3转子角过渡uf064c故障清除后电磁功率大于机械功率,发电机转子减速。由于转子惯性,在发电机角速度降至同步转速前,发电机转子角依然增大。若在转子角达到不稳定平衡点uf064u之前,转子角速度能降至同步转速并开始回摆,则系统稳定;否则,转子角越过uf064u之后,机械功率将再次大于电磁功率,发电机失去制动力矩,送受端系统将失去暂态稳定性。故障后发电机最大的减速能量Ad如式(9)所示。其中分量Ad1和Ad2分别如下:在考察转动惯量为变化量,其他量均维持不变的条件下,减速能量分量Ad2为一恒定值,减速能力分量Ad1则取决于故障切除时刻对应的uf064c。在故障后不稳定平衡点uf064c处,机械功率Pm满足式(3),将该式代入Ad1,并对δc求导可得Ad1对角度uf064c的导数小于零,意味着减小uf064c则可增大减速面积。由1.2节分析可知,在系统条件相同时,增加送端机组转动惯量,可降低故障清除时刻功角摆幅,因此可增加故障清除后最大减速面积,有利于提高电网稳定水平。1.4uf02试验由以上分析可以看出,增加送端系统的转动惯量水平,一方面可以降低送端机组在故障期间不平衡功率积聚的加速能量,另一方面则可以增加故障清除后系统所能提供的最大减速能量。因此综合2方面因素,如图2所示,增加送端转动惯量水平后,对应加速与减速面积相等的临界稳定对应的外送功率水平mPuf0a2较原功率mP能够增加(35)Pm,输电能力能提升(35)Pm。以图1所示系统为例,送端发电机采用Euf0a2恒定模型,折算至系统基准容量下的单台机组参数分别为:主变电抗Xt=0.1pu、发电机暂态电抗Xduf0a2=0.2pu、发电机动能EMWS=120MW*s;单回送电线路电抗Xl=0.3pu。不同开机台数条件下,外送一回线三永N-1故障约束的极限外送功率水平如图3所示,其中外送功率由各机组平均分摊。由图3可见,增加开机台数提高送端系统转动惯量,外送功率极限水平将持续提升。但值得关注的是,随着开机台数增加,极限功率提升幅度将变缓,并趋于饱和。2外送极限功率如图4所示,林芝电网与西藏主网通过单回220kV长距离线路互联,其境内水力资源较为丰富,老虎嘴电站是西藏电网的主力电源,装机容量为3台3.4万kW水电机组,此外还拥有雪卡、冰湖、八一等小型水电站。老虎嘴电站的投运将增强林芝电网与藏中主网间的电力互补,对提高电网供电可靠性和供电能力、缓解电力供需矛盾、促进经济社会发展,具有重要意义。另一方面,西藏电网主网架仍较为薄弱,林芝与藏中主网间仅通过一回长298km的220kV线路互联。计算分析表明老虎嘴电站一台机组运行方式下,维持联络线单相瞬时性故障扰动后林芝电网与藏中主网同步稳定运行的极限外送电功率水平约为58MW。在该外送功率水平下,进一步增开老虎嘴电站机组,受扰后联络线P-δ和ω-δ轨迹特性曲线如图5所示。从图5可以看出,相同外送功率时,增加外送型林芝电网转动惯量水平,可显著降低相同扰动下联络线两端母线功角摆幅,提升电网稳定裕度。计算表明,老虎嘴电站开启2台和3台机组条件下,外送极限功率分别可提升至81MW和94MW。因此,在西藏主网架较为薄弱的过渡期,可通过合理安排送端电源开机方式,实现提升电网安全运行水平、提高电网运行效率和供电能力的目标。3提升西藏电网安全稳定水平1)增加外送型电网转动惯量水平,可减小扰动清除时刻所对应的发电机功角最大摆幅,降低故障期间机组转子中积聚的加速能量,同时增大扰动清除后系统所能提供的最大减速能量,有助于提升电网安全稳定水平和外送电能力。2)西藏电网主干网架尚较为薄弱,处于建设过渡期,外送型林芝电网与主网单通