電力系統機電波傳播與控制研究（2）

彭海龍

摘要：在電網互聯的發展趨勢下，電網日趨龐大，任意某處的擾動都可能影響整個電網的安全穩定運行，研究電力系統中機電擾動的傳播特性及抑制方法顯得極其重要。隨著廣域測量系統的發展，越來越多的觀測數據表明，機電擾動在電網中的傳播使得機電動態W有功功率和發電機轉速等物理量的形式呈現出一種時空分布特性。機電波理論主要研究這些物理量在電網中的運動規律，從理論上解釋機電動態的時空分布特性，是探索電網機電動態過程的一種新方法。本文主要探討電力系統機電擾動傳播與控制研究。

關鍵詞：機電波；機電擾動傳播；特性阻抗

當電力系統某處發生機電擾動后，會引起發電機輸出的電磁功率與機械功率之間失去平衡，導致發電機轉子轉速和輸電線傳輸功率等的變化，這種變化會向整個系統傳播，如果這種擾動沒有得到很好的限制，擾動在傳播的過程中可能會引起系統中某些薄弱環節發生故障，最終導致電網失去穩定，因此，限制機電擾動的傳播是一種提高電網安全穩定運行的可靠性的有效途徑

1、概述

我國幅員迂闊，西南地區水電資源豐富，山西、陜西和內蒙古等煤炭資源集中，而負荷主要聚集的東部地區，電源與負荷相距較遠。為了解決電力的供需矛盾，資源的優化配置，我國電網實施了"西電東送"、"南北互供"和"全國聯網"的戰略，逐步實現全國電力"一張網"的目標。建設大電網為解決我國電源與負荷分布不均的矛盾提供了一條有效途徑，大大加強了個區域電網聯系，但是對電網穩定運行的也提出了更高的要求，一旦某個環節發生事故，有可能導致全國性停電事故。同時，進入21世紀以來，環境保護越來越受到重視，新能源快速發展，分布式能源的接入和新的多樣化隨機負荷的出現，電網中擾動出現的頻率更高，形式更加復雜。這些形式多樣頻繁的擾動對電網的安全穩定運行造成了巨大的挑戰。國內外曾經多次出現因穩定性遭到破壞，而發生大規模停電事故。2003年加拿大與美國東北部的聯合電網發生大規模停電事故，使5000萬人受到長達29小時的斷電影響，造成300億美元的經濟損失2012年印度北方邦一座超高壓變電所的故障引起的連鎖反應導致整個印度北部、東北部與東部王大電網全面雍疾，使得印度幾乎一半地區的供電出現了中斷，影響印度6.7億多的人口。我國也曾多次發生重大停電事故，2005年海南因臺風導致"9.26"全省停電事故，2006年華中電網"7.1"事故導致西北、華北和華中電網解列以及某某與華中東部電網解列。這些電網事故帶來的巨大破壞性表明了電網安全穩定運行的重要性。電網的穩定運行與其擾動的傳播有著密切的關系，可能某處發生的一個小故障或者擾動在電網中的擴散，導致全網的大面積停電。電力系統擾動是人們所不希望發生的，但就實際系統而言又是不可避免的，因此研究擾動在電網中的傳播機理，探索擾動在電網中的傳播控制方法和策略顯得十分必要。電網中的各種擾動，如線路故障、切機切負荷和分布式能源的接入退出等，都會導致發電機機械功率與電磁的之間失去平衡，引起發電機轉子的加速或者減速，使之不再W同步轉速運行，發電機轉速的變化W及轉子角的改變會在系統中進行傳播，最后擾動就會影響全網的運行。發電機轉子的轉速、轉子角和有功功率緊密聯系，因此機電擾動的傳播主要牽涉到有功功率在電網中的轉移和運動。由于電力工業不斷發展，各區域電網的互聯，新能源和新復合的加入，現代電網日趨復雜，傳統的機電動態研究方法遇到了困難。在傳統的電力系統機電動態分析中，對發電機、傳輸線路、負荷和各種控制裝置進行數學建模，通過電網的網絡結構聯系起來，形成微分方程組，系統的初始狀態解為初值，最后選擇適當的數值計算方法進行求解。基于送樣的方法，相關研究人員開發出了很多強大的電力分析軟件，但對于現代互聯大電網，電網中擁有數量龐大的發電機、輸電線和負荷等，對基于送種方法的機電擾動傳播的分析造成了巨大的困難。機電波理論是一種研究大電網中機電擾動傳播的新方法，它考慮擾動傳播的空間特性，通過連續體建模，將發電機轉子慣性常量和輸電線路阻抗在空間上進行連續化處理，表達成一種空間密度函數，并將其引入到發電機運動方程中，得到關于時間和空間的二階偏微分方程，并借助于波動理論，研究機電擾動在系統中的傳播規律。

2、某某電網不同擾動對聯絡線功率波動影響仿真研究

本文的仿真思路如下，通過在某某電網不同地點添加H種不同類型的機電擾動，觀察擾動發生后某某聯絡線W及華中華北特高壓聯絡線功率波動情況。在仿真中所加的H種擾動分別100MW的切機擾動、22化V母線持續時間為化12S相接地短路故障500kV母線持續化09s的H相接地短路故障。系統的基準容量為100MW，仿真步長為0.01S，擾動在IS時加入到系統中，仿真時間為2化。下表為擾動添加地點化及類型，其中在19個不同發電機內加了切機擾動，在20個不同22化V母線出加了化12SSH相接地短路巧障，在19各不同500KV母線添加了化09S的H相節點短路故障。由不難發現某某電網內部不同地點發生相同的切機擾動W后，某某聯絡線功率波動的頻率基本相同，而不同地點擾動對某某聯絡線功率波動的幅值不同，其中在某GA#61切機100MW對某某聯絡線功率波動幅值最小，而ET#01切機某某聯絡線功率波動最大。可以看出某某電網不同地點發生相同的切機擾動時，特高壓聯絡線功率的波動頻率基本相同相同，其波動的幅值也基本相同。而對比可以看出某某不同地點發生切機擾動后某某聯絡線功率波動的頻率比特高壓聯絡線功率波動的頻率大，其某某聯絡線功率波動的幅值比特高壓聯絡線功率波動的幅值大。且某某聯絡線功率波動隨著時間的推移趨于穩定，而特高壓聯絡線功率波動趨于等幅振蕩。

3、結束語

機電擾動在電力系統中的傳播不利于電力系統安全穩定運行，對機電擾動傳播進行控制是一種提高電網可靠性的有效途徑。目前基于擾動傳播的思想，進行機電擾動控制的研究還比較少，本文在機電波理論的基礎上，對機電擾動傳播特性進行了一定的分析，并著重研究了電力系統擾動傳播的零反射控制和零透射控制方法。

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（作者單位：山東公信安全科技有限公司）