試論機組跳閘對電網頻率及電壓穩定性的影響

杜澤源 羅熹 張志文

【摘 要】電力供應事關國民經濟發展全局，也決定著居民生活質量，而機組跳閘則會對電力穩定供應帶來直接影響。在容量較小的電力系統中機組跳閘勢必會對系統運行帶來嚴重影響，低頻切負荷雖然維持電網頻率的穩定卻會導致無功功率大幅增加，電壓瞬間激增，反之切除負荷量過多又會導致電壓穩定性嚴重下降，容易損毀設備。本文從機組跳閘作為研究的切入點，分析了機組跳閘后對電網頻率以及電壓穩定性所帶來的不良影響并據此探討了電抗器應用效果，為電網安全平穩運行提供幫助。

【關鍵詞】機組跳閘；電網頻率；電壓穩定性

中圖分類號： TM732 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0161-002

Influence of Unit Trip on Power Grid Frequency and Voltage Stability

DU Ze-yuan LUO Xi ZHANG Zhi-wen

（State Grid Hubei Electric Power Co.，Ltd.Shiyan Power Supply Company，Shiyan 442000，China）

【Abstract】The supply of electricity is related to the overall economic development of the country and the quality of life of the residents.However，the unit trip will have a direct impact on the stable supply of electricity.In a smaller power system，the unit trip will inevitably have a serious impact on the system operation.Although the low frequency load shedding maintains the stability of the grid frequency，the reactive power will increase sharply and the voltage surge instantaneously.On the contrary，if the load is cut too much，Resulting in a serious decline in voltage stability， easy to damage the device.In this paper，the tripping of the unit is taken as the starting point of the study. The adverse effects on the frequency and the voltage stability after the tripping of the unit are analyzed. The application effect of the reactor is discussed to provide help for the safe and stable operation of the power network.

【Key words】Unit trip；Grid frequency；Voltage stability

我國地域幅員遼闊，經濟發展水平參差不齊，各地區電力系統規模以及電力結構存在著較大的差異性，經濟發達地區對于大容量、高參數的電力系統需求較高，而經濟欠發達地區則普遍采用小容量電力系統，一方面滿足本地區電力供應，另一方面有效的避免了電力以及其他能源的浪費情形，得到了廣泛的使用[1]。然而，雖然小容量電力系統總裝機容量較低，但50MW及以上的機組占比卻處于較高水平，在電力系統實際運行中機組跳閘情形并非罕見，電網頻率以及電壓穩定性亦會受到不同程度影響，所以圍繞此方面內容展開研究與分析無疑具有重要研究價值和現實意義。

1 小容量電力系統特點

小容量電力系統多用于偏遠的經濟欠發達地區，但隨著國民經濟的飛速發展以及精準扶貧的深入開展，該類地區對于電力的需求隨之提高，既往所使用的小容量電力系統逐漸無法滿足電力供應需求，機組跳閘情形屢屢發生，已經成為制約當地經濟發展的重要因素之一。本文中小容量電力系統在運行時自身負荷相對較小并且受覆蓋范圍的影響，負荷分布極為不均，峰谷之間的差值尤為明顯，繼而引發無功功率過剩情形。距離電站較遠的地區負荷較低，故此在系統布局上采取220kV線路傳輸的策略，而此種方式電力輸送功率遠低于電路自身的自然功率。此外，目前我國普遍使用的220kV線路多為雙分裂導線，在電力系統運行時充電功率大，由此所致的無功過剩情形更為明顯[2]。當50MW及以上的機組跳閘之后雖然無功功率隨之下降，但大量無功負荷亦被同時切除，故此無功功率的總量并未明顯降低，反而處于持續增加之中。所以小容量電力系統中50MW及以上的機組跳閘后進一步加劇了無功功率過剩情形，導致整個電力系統的電壓失穩，瞬間電壓激增并長期處于高電壓負荷運行。

2 機組跳閘對電網頻率及電壓穩定性的影響

本文中小容量電力系統一共安裝了2臺50MW發電機組負責日常的電力供應。由于本地區晚間18：00～22：00為用電高峰時段，晚高峰對于電力的需求更為強烈。當一臺發電機跳閘后無功功率瞬間激增，電壓驟變之下對電網頻率以及電壓穩定性均會帶來直接影響，而協同效應（Synergy Effects）下另一臺機組亦會受此影響相繼出現跳閘情形。因本地區經濟發展水平較低，電力系統備用容量建設滯后，使得兩臺50MW發電機跳閘后備用容量嚴重不足，從而造成了電網頻率急劇下降，在第1輪、第2輪即發生動作。在切除大量負荷之后整個電力系統的電網頻率在跳閘情形發生后5s左右級恢復至正常負荷電壓，其余低功率發電機在調速作用下于25s后振蕩得到了有效恢復并接近于額定頻率。在22：00～次日6：00則屬于低谷時段，發電機組跳閘之后整個電力系統存在明顯的功率缺額情形，在第1輪動作中電力系統將過高的負荷切除，使得電網頻率呈現出了典型的振蕩衰減表現，系統潮流流向明顯改變并對低頻振蕩帶來了強烈的干擾，在最初的40s內整個振蕩頻率維持在0.25Hz～0.6Hz之間，40s之后系統頻率加減衰減并趨向于穩定。具體的高峰時段以及低谷時段電網頻率曲線如下圖1所示。

為了保障電力的平穩供應以及系統的穩定運行，小容量電力系統之中普遍安裝有低頻減載裝置以實現整個供電網絡內有功負荷的切除，與此同時大量的無功負荷亦會隨之被切除，使得不同地區之間的聯絡線潮流大幅降低，充電功率持續增加之下電壓隨之升高，輸電線路中充電功率亦隨之發生正向改變，造成系統電壓失衡[3]。用電高峰時段處于供電系統邊緣的地區供電呈現出瞬間過電壓情形，具有高電壓幅值、長時間持續、劇烈波動等特點，即便是暫態過程結束電壓幅值依然居高不下，使得電壓質量十分低下并對繼電保護裝置的準確啟動帶來不良影響。標準220kV供電系統中機組跳閘后瞬間電壓最高能夠達到242kV，暫態過程結束后依然維持于高電位（240kV）。用電低谷時段機組跳閘時整個電網頻率以低頻振蕩為表現，整個電力系統電壓波動尤為強烈，振蕩幅度一般在0.95（p.u.）～1.15（p.u.），在1min后震蕩幅度漸漸趨于平穩，維持在1.07（p.u.）。當降低至0.05（p.u.）時電壓最高可達248kV。故此通過上述分析可知，機組跳閘后均會給電網頻率及電壓穩定性帶來不良影響。

3 電抗器應用后電網頻率及電壓穩定性的影響

隨著科學技術的快速發展，各種保護監控裝置陸續走入電力行業之中。針對機組跳閘對電網頻率以及電壓穩定性帶來的不良影響，本文采取了加用電抗器的處置策略。該裝置既屬于保護監控裝置，又為進線備自投裝置，集保護、監視、控制、人機接口和通訊等多種功能于一身，在本質上是以電流、電壓保護為基本配置的數字式保護單元，尤為適用于小容量電力系統。將其接入電力系統后經過勵磁變壓器變壓后形成中壓，通過改變調頻電源輸出頻率以促使電流回路處于串聯諧振狀態，再調節調頻電源輸出電壓，促使電壓維持在穩定的數值。本文中電抗器應用后高峰時段整個電力系統的電壓瞬時值、穩態值均較之前大幅降低，而低谷時段雖然電壓瞬時值雖然并未徹底消除振蕩，但偏遠地區的電壓瞬時值、穩態值已得到了一定控制，有效的抑制了低頻振蕩，具體數值見下表1。

由上表結果可知，電抗器應用后小容量電力系統電壓更為穩定，而隨著電壓穩定性的提高，電網頻率同樣能夠得到有效調整，加之該裝置采用32位單片微型計算機作為微控制器芯片，內置有大容量的隨機存取存儲器和閃存，具有較強的數據運算、邏輯處理和信息存儲能力，無論是可靠性還是運行速度均極佳，不失為一種理想的處置手段。

4 小結

綜上所述，機組跳閘后將會導致整個電力系統無功功率大幅提高，電壓瞬時激增，使得電網頻率異常波動，電壓穩定性嚴重下降，時間過長容易對整個電力系統中的其他設備帶來損害。電抗器的使用則有效的解決了電器跳閘所引發的電網頻率異常以及電壓不穩情形，可作為一種優選處置手段推廣使用。

【參考文獻】

[1]鞏曉玲，樊艷芳，鐘顯，等.±800kV天中特高壓直流送端系統安全穩定性分析[J].高壓電器，2017，53（08）：43-48+54.

[2]崔永江.一起機組汽輪機振動大機組跳閘非停事件的原因分析及防范措施[J].山東工業技術，2017（09）：42.

[3]李學偉，姚常青，高嵩.MaxDNA控制系統DPU頻繁切換導致機組跳閘故障分析[J].山東電力技術，2017，44（03）：70-73.