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1、现代电网运行中的十个问题 阶 丁道 齐 币 耳 提 要 本文着重从供电的可靠性和保证合格的电能质童两个方面 结合国内电网的现 状 参照国外在发展大 电网中出现的一些问题 提出了我国在大 电网的运行和管理 中应注意研究和解决 的十 大问题 电 力系统的稳定性和稳定技术 大机组 特 别是大型火电机组 的次 同步振荡引起的机组轴系扭振问题和大机组大 电网的协 调 电 力系统的安全稳定控制系统 电 力系统的调频和经济运行 关于 电 力 系统的 电压 和无功 功率控制 电力系统可幸性研究 电力系统的调峰 核电 站与 电网的相互影响 电力系统的运行与 气象 建设一套完善实用 的 电网调 度自动化系统和通信
2、监控系统 时 魔 弄 翎 幼 一 助 扭 当前要解决好现代电网运行的十个间题 我们应做的工作等三部分 这 里发表的是讲话的第二 部分 编辑时作了删节 讲话全文共三万余字 部调度通信局另有单行本资料 3 本文所说的现代电网是指具有一个坚强的 50 0kV 及以上电压等级的主网架的大电网 系统的容量从数千万千瓦到上亿千瓦 电网复盖的区域跨省 跨区 跨国 甚至跨洲 网内 印万千瓦到百万千瓦的水 火电机组占很大比重 接人电网的电厂容量大到数百万甚至上 千万千瓦 也就是说 超高压 远距离 大容童 是现代电网的首要特征 现代电网的第二 个特征是各个电网之间的联系越来越紧密 第三个特征是超高压电网进人城区
3、以多重环形 网络向城区供电 第四是电压等级的简化和供电电压 的提高 第五是为确保电网的安全稳定 经济运行 提高供电可靠性 配置了一整套与一次系统相适应的安全稳定控制系统 以电子 计算机为核心的调度自动化监控系统和气象 雷电 监测系统 现代电网还具有一个较完整 的为上述各系统和电网运行管理服务的通信系统 安全稳定控制系统 调度 自动化系统和电 力专用通信系统已经成为现代电网赖以存在的三个支柱 现代电网的最后一个特征是必须有 一批有丰富的实际经验 善于应用电子计算机 能够应用系统工程理论来研究 分析 管 理 指挥这个巨大而复杂系统的科学技术专家 本文讨论的现代电网运行中的十个问题 就 是在认识现代
4、电网的上述特征的基础上提出的 有效地解决现代电网运行和管理中的这十个 向题 将有助于完成电力工业的根本任务即 充足 可靠 合格 价廉 地为社会生产和生活 提供电能 一 关于 电力系统的稳定性和稳定技术 长期以来 稳定性的分类主要是根据系统扰动的大小划分为静态稳定和暂态稳定 对于 中等程度扰动的稳定性以及大于 1 2个摇摆周期计及 自动控制装置的影响时 一般称之为 动态稳定 但至今关于动态稳定尚未作过明确定义 对于现代稳定性理论 自动控制装置的影响是主要研究目标 为此根据系统的扰动和自 动控制装置的影响 以三个时间区域进行稳定性分类的方法是最为实际的 这三个时域是 暂态时域稳定 主要指系统受到扰
5、动后发电机转子间的相角出现第1个摇摆周期 或 更长为第2一 3周期 的时间范围 通常为l s左右 或2一 35 输电线路发生短路 主保护 动作或拒动以及重合闸不成功在这个时域内对引起的系统振荡影响最大 中间时域稳定 这是指继暂态时域以后 从发生扰动起持续数个摇摆周期至 1 0多个 摇摆周期 时间上跨越2一 3 5 至1 0多秒的时间范围 严重影响这一时间范围同步不稳定的 因素是线路故障的切除和投人 发电机和负荷的切除或投人等中等大小的扰动 以致使暂态 时域中所发生的振荡未得到咸弱反而继续增大 在这个时域内励磁调节器 调速器等将开始 起作用 静态时域稳定 这是指比中间时域更长时间的一个时域 即发
6、生有数十秒至无穷大时 间范围内的同步不稳定现象 这个时域上不稳定现象的特点是 振荡是由系统内部潜在的固 有不稳定模式 如励磁调节器 系统参数的谐振 等 引起的 而与扰动的大小无关 曾发现过这样一种静态稳定破坏的现象 就是当同步发电机接于配电线路或接于电压等 级较低的输电系统时 在低出力范围内发生功率振荡 甚至发展到失步状态 经过分析后 采取了与通常采用的截然相反的稳定性措施后 才恢复同步运行 这些措施包括增加线路电 抗或降低线路电阻 即减少R X比值 增加发电机出力 降低发电机励磁电流等 这种 现象称之为负阻尼现象 平常对这种现象研究和注意不够 这也是应该注意 的 4 由于计算机技术和大规模仿
7、真的采用 使稳定分析技术达到了能高精度分析的水平 在 电力系统稳定分析中 与分析方法同样重要的还有发电机 控制系统以及负荷的模型 包括 有关参数 它们的数学模型对计算结果有较大的影响 就以负荷模型来说 我国相当长时 间内仍延用苏联 4 0年代的方法 采用 7 0 的恒定负荷 3 0 的异步电机 现在又采用各 5 0 的方法计算 其差别是较大的 尤其是对暂态稳定 中间时域 计算结果影响较大 我国也开展了负荷特性的研究 华北电力学院北京研究生部在这方面已取得一些成果 希望 能建立起符合我国各大电网实际情况的负荷模型 必须适应电力系统的不断扩大 用户结构 的变化 以及 自动电压调节器 汽机 水机调速
8、器等控制功能的提高 通过不断的实测来校 验和改进稳定分析的方法和提高计算的精度 在电力系统稳定控制技术方面 国内外都在朝着建立综合稳定控制系统的方向发展 所 谓综合控制是将稳定控制分三个层次进行 第一层 子系统的综合 主要指发电机的励磁 汽机快关 电气制动 再同期 再失 步而解列 大体上按发电机在失步的过程中的时问顺序来协调 这部分控制在我国已比较普 遍应用 第二层 局部的综合控制 主要是在局部系统内 采取少量信息的传送 通过模式识 别实现切机或切负荷 这在我国各大电网内都已采用了 效果也比较好 第三层 就是对电力系统的全局进行综合性的稳定控制 为此要分三个步骤实现 第一步 进行离线计算 协调
9、各个子系统的控制 以适应全网的稳定性要求 这一步现 已可以做到 第二步 实现在线稳定监视 建立决策控制系统 预计国外 199 0一 1995 年期间可能实 现 南京自动化研究所研究开发的用于电力系统暂态安全分析的混合系统结构 将基于简单 模型的快速扩展等面积准则算法和基于复杂模型的数值积分法与基于知识的推理有机地结合 起来 建立起一个较为实际的规划决策支持系统 可用于在线和离线暂态安全分析 也为预 防控制专家系统的开发提供了有力的支持 希望这个研究成果尽快形成生产力应用到生产实 际中去 第三步 实现全系统实时闭环稳定控制 国外推测 大约在1995年左右可以实现 关于电力系统的稳定性 还有一个问
10、题要引起注意 上文中谈到电力系统的暂态 静态 和动态稳定性时 均没有包括与参数谐振相关的稳定性间题 实际上在电力系统运行中 由 于电力系统的非线性 如变压器的饱和 发电机的饱和以及控制装置的非线性特性影响 当 电力系统在遭受周期性干扰时就可能发生参数谐振现象 有时振幅的大小和发散的速度都是 不可抑制的 以致严重影响电力系统的稳定运行 所谓低频振荡就属于参数谐振的范畴 国外的研究表明 在下列情况下是极易诱发出参数谐振的 在单独或同时引起母线电压的幅值和相角调期变化时 有可能发生参数谐振 因系统负荷变动等系统参数的改变 或 由于其它发电机发生摇摆等扰动 常可能引起 参数谐振 即使系统存在阻尼 只要
11、扰动较强也可能发生参数谐振 对于多机系统 即使系统各 厂站配有多种控制系统 在弱阻尼运行状态下因发生微小的干扰也会发生参数谐振现象 对于参数谐振间题 国外也正在做进一步深人的研究 我国在这方面的研究可以说刚刚 开始 有待进一步深人 二 关于大机组特别是大型火电机组的次同步振荡引起的 机组轴系扭振问题和大机组大电网的协调问题 我国目前从国外引进的30 0MW及以上容量的火 电机组已有二十余台 其中最大的是元 宝山电厂的6c o MW火电机组 积极开展大机组扭振 的研究已是当务之急 大型汽轮发电机组在结构上带来了一些新的变化 首先是轴系大大增长 机组轴系统包 括励磁机 发电机 汽轮机高 中 低压缸
12、及靠背轮 轴承等多种元件 使主轴加长及径长 比减少 汽缸容量及壳休加大 汽轮机叶片加长 这样就使整个机组的转动部分的机械振动 频率降低到同步频率以下而具有几个次同步固有频率 当运行中的机组受到某种电气或机械 系统的扰动或在电网的某种特殊运行方式下 就有可能发生次同步振荡 发生扭振 导致轴 系疲劳破坏 次同步振荡目前在带有串联电容补偿的电力系统和直流输电系统 中均有发生 对于申联补偿系统来说 当系统的共振频率 由L C 决 定 和机组轴系的某个固有频 率之和接近于电网工频时即产生次同步谐振 当这种次同步增幅振荡叠加在机组轴系的同步 转矩上时就可能引起轴系疲劳破坏而引起大轴断裂的严重事故 在直流输
13、电系统 中发生次同步振荡的机理大致是这样的 当系统受到某种扰动时 机组 端电压及相位发生偏移 引起换流站整流变压器 的输出 从而又引起整流器点火角 及直流 电压和电流的偏移 在阀控的作用下 当系统的电气阻尼系数小于零且其绝对值又大于机械 阻尼系数时就要发生扩散性扭矩 由电压 电流的乘积决 定 当这个扭矩加到水轮机或汽轮 机大轴上时 同样可能引起大轴的扭振破坏 最近能源部电力调度通信局与清华大学结合葛沪 士50 0 k VH V D C 的投运开展了这方面 的研究 初步分析获得了这样几点结论 接人整流站附近的机组 与直流系统联系愈强的机组发生次同步振荡的危险性愈大 平波电抗器有利于抑制直流电流的
14、变化 从而降低发生次同步振荡的概率 整流系统的无功补偿电容器补偿了整流时的无功消耗 可使发电机在高功率因数下运 行 从而可减少相角的摆动 长距离 重负荷运行时逆变侧发生谐振可能性大 阀控系统放大倍数愈大 负阻尼作用增大 易发生次同步谐振 定功率运行方式比定电流运行方式更为严重 以上这几条结论还有待进一步的研究和分析 并要经过运行实践的检验 轴系扭振研究应从以下三方面着手 轴系 含叶片 固有扭振特性的确定 其中包括各种机型固有 扭振频率及振型的实 测 分析和计算 这方面的工作我国尤其要加强 由于制造质量和材质及工艺的影响 使同 一型式机组轴系扭振特性有较大的分散性 给运行部门的研究对策带来了困难
15、 整个机一电系统 特别是轴系对电力系统的各种扰动 含机械系统 的动力学响应及 轴系交变应力 材料强度 疲劳寿命损耗累积的分析计算 其中包括机组的励磁系统和调速 系统 对直流输电系统来 说还有阀控系统的建模和其特性分析 预防和抑制轴系扭振的措施 包括控制与调节手段 以及轴系扭振在线监测装置的研 6 制等 国外轴系扭振的研究始于 197 0 年 目前工作的重点已转向符合实际情况的轴系疲劳寿 命损耗的准确确定 在线监测装置功能的完善和借助于自控手段抑制扭振 国内这一领域的 研究始于 1983年 清华大学 东南大学和华中理工大学等的研究成果希望能尽快应用到生 产实践中去 同大机组轴系扭振问题 紧紧联在
16、一起的另一方面的重大问题就是大机组与大电网的协调 问题 简称网机协调 具体说来就是 为了保证电网的可靠运行 势必要求大机组经受各种 特殊运行方式和事故的冲击 但一旦发电机受损 往往又会严重威胁电网安全运行 因此 为了保护机组 又不得不对电网的运行做出一定的限制 大机组应当能承受哪些冲击和特殊 工况 而电网运行又应当对哪一种冲击和特殊工况进行限制 或者采取什么措施来减轻这些 冲击和特殊工况对机组的损坏 这就是机网协调的主要内容 对于调度运行部 门来说 为防止轴系扭振破坏 对电网的下列非正常运行工况要特别加 以预防 电力系统故障切除时机组的轴系扭振 发电机误并列引起的机组轴系扭振 快速 自动重合闸引起的机组轴系扭振 研究表明 引起发电机轴系扭振 影响轴系疲劳寿命的最严重的非正常运行工况是次同 步振荡 其次是机组经多回路接人系统时 三相短路故障而又重合闸不成功和机组经单回线 接人系统时二相短路重合闸成功的非正常运行方式 三 电力系统的反事故装置即电力系统的 安全稳定控制系统问题 当电网出现故 障 称为一次性事 故 后 仅将故障元件切除仍可能导致其它元件的过负 荷 或电压下降 频率下降以至稳定
