火电厂母线电压稳定性评估方法研究及应用

陈延云

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，合肥 230088）

随着节能减排工作的持续推进，越来越多的火电厂辅机调速系统倾向于变频调速。在变频调速带来节能降耗、优化运行等方面优势的同时，也带来了一系列新问题，其中最影响最大的就是其对电网故障的抵抗能力差。近年来陆续发生了多起系统瞬时故障造成辅机变频器停止输出导致机组停机的事件。辅机变频调速系统低电压穿越能力不足的问题日趋严重，人们对厂用母线电压的稳定性也提出了更高的要求。

发电厂自身发电机组以及与其相连电网的电压支撑都直接影响发电厂母线电压的稳定水平。因而，电网中不同位置、不同规模的电厂，其母线受电网故障的影响程度以及得到的电压支撑程度都不尽相同，相同配置下的厂用系统的运行稳定性也就不一。因此，寻求一定的评估方法或判定指标，用于评估发电厂母线电压稳定性，分析电网不同运行工况，特别是不同电网故障对发电厂母线电压的影响，进而可根据分析得到的母线电压稳定状况，合理规划和配置厂用系统，并有选择地增强母线电压稳定性薄弱电厂的厂用系统抗电网故障冲击能力，提高系统运行的稳定性[1-9]。

本文基于华东电网2013年夏高数据，根据短期过程中电压偏移指标以及低电压持续指，分析了具有代表性的几个典型电厂的母线电压稳定状况，并对指标分析得出的结论进行机理性解释，得出不同位置和规模、不同电网故障类型对厂用母线电压的影响规律，进而可根据电厂母线相关电压指标推知电厂母线电压受电网故障影响状况，为厂用系统规划、配置以及改造提供参考依据。

1 母线电压稳定性判定指标

1.1 短期过程中电压偏移指标

根据NERC/WECC定义，系统暂态电压跌落为

式中，为暂态过程中节点电压最低幅值，为节点电压初始幅值。

根据NERC/WECC准则，当节点Vdip≤25%时，则认为暂态过程中电压偏移指标没有越限；反之，则认为暂态过程中出现了电压指标破坏的情况。据此，根据Vdip定义，为消除阶跃效应，采用扩展的S型函数，定义电压偏移指标VDI（Voltage Deviation Index），形成隶属度函数如下：

由图1可见，采用扩展S型函数后，在25%的指标分界处，可实现指标值的平滑过渡，以保证VDI值随Vdip值变化的连续性。进而通过VDI值可以更加直观的反映当前电力节点的稳定性状况：当 VDI值趋近于0时，电压稳定性指标被破坏；当VDI值趋近于1时电压指标稳定。

图1 电压偏移指标VDI的隶属度函数

短期过程中电压偏移指标只需根据暂态过程前后的电压幅值即可计算得到，数据采集难度小，且指标计算复杂度低，可有效用于表征暂态过程中所判定节点电压的稳定性状况。

1.2 低电压持续指标

厂用辅机变频调速装置对电压的变化非常敏感。一般，当主回路供电电压降低至80%额定电压时，变频调速装置低电压保护功能起动，闭锁变频调速装置，将导致辅机停运，并可能引起机组跳闸。

为此，根据暂态过程中节点电压低于80%额定值的累计总时间，定义低电压持续指标（Low Voltage Duration Index，LVDI）：

式中，ts为暂态过程的开始时刻，tf为暂态过程的结束时刻。LVDI计及节点电压低于80%额定电压的累计时间，与变频调速装置闭锁时延直接相关，可为变频调速装置的选择和配置提供参考。

2 典型发电厂母线节点的选取

通过网架结构分析，选取五个具有一定代表性的电厂作为研究重点，分别以字母A、B、C、D、E代表。

发电厂 A，拥有两台 600MW 发电机组，自身电压支撑能力一般。电厂位于220kV电网末端，周边没有大型发电厂或者500kV电网联络节点，电网支撑薄弱。

发电厂 B，拥有两台 330MW 发电机组，自身电压支撑能力较弱。电厂位于220kV电网末端，但与500kV电网联络节点距离比电厂A近，故电厂母线处电网支撑仍较弱，但稍强于电厂A。

发电厂 C，拥有两台 600MW 发电机组，自身电压支撑能力一般。电厂母线位于500kV电网的中间位置，得到电网支撑强。

发电厂 D，拥有两台 660MW 的发电机组，自身电压支撑能力强。电厂母线位于220kV电网的中间位置，周边没有直接相连的500kV联络节点，电厂母线得到的电网支撑能力一般。

发电厂 E，拥有一台 640MW 的发电机组，自身电压支撑能力较弱。电厂母线位于 1000kV线路末端，单从电网拓扑来看，其得到的电网电压支撑较弱，但由于其处于 1000kV特高压线路上，仍可得到较强的电网电压支撑。

3 仿真分析

本文基于BPA仿真平台分析和评估电网在不同运行状态，特别是故障状态下对发电厂母线电压的影响。线路的单相接地故障是电网中最常见的故障类型，而线路三相短路故障则是最严重的一类故障，文中结合上述两种故障类型进行仿真分析。

仿真过程中故障点选择在电厂出线的近端，单次仿真总时长为300个周波，仿真时序为：①在仿真至第10个周波时发生故障；②在仿真至第13个周波时，切除故障，即故障的持续时间为60ms。

3.1 单相故障仿真

1）仿真结果

单相故障的BPA仿真结果如图2、图3所示，其中图2为母线电压波形，图3为故障时励磁系统强励过程波形。

图2 单相故障过程母线电压

图3 单相故障过程发电机励磁电压及励磁电流

根据式（1）至式（3）计算得到发电厂一回出线近端发生单相短路接地故障时，对应发电厂母线电压偏移指标和低电压持续指标见表1。

2）分析

发电厂母线电压受影响的动态过程：一方面发电厂母线电压因发生短路故障而降低，另一方面因发电机组和电网的电压支撑作用而会有所保持。Vdip和VDI值越大，说明发电厂母线电压受故障影响下降的越多，而发电厂自身发电机组和电网对发电厂母线电压的支撑作用越弱。

表1 电厂出线近端单相故障时刻电厂母线电压指标

若发电厂出线近端发生单相接地故障，由于尚有两个非故障相，发电厂母线尚有一定电压。但此时故障点近，所以发电厂母线电压几乎完全依靠发电机组支撑，电网对其支撑作用极小，可认为此时发电厂母线短期过程中的Vdip和VDI值主要表征了发电厂自身发电机组提供电压支撑能力的强弱。

表2 故障下电厂母线电压指标排序

表2按照电厂自身电压支撑能力的强弱顺序对各电厂及其对应的母线电压指标进行了排列。从表中不难看出：发电厂母线电压指标Vdip和VDI值随着电厂自身电压支撑能力的减弱而逐渐增大，这与之前的理论分析吻合。由此，可以得出结论：发电厂出线近端单相短路情况下求得的Vdip以及VDI值可以用于评价电厂自身的电压支撑能力；Vdip及VDI值越小，电厂自身的电压支撑能力越强。

3.2 三相故障仿真

1）仿真结果

三相故障的BPA仿真结果如图4、图5所示，其中图4为母线电压波形，图5为故障时励磁系统强励过程波形。电厂出线近端发生三相短路过程中，电厂母线电压迅速跌落至接近于零，此时重点关注短路故障切除后恢复过程中发电厂母线的电压指标，见表3。

2）分析

发电厂出线近端发生三相短路故障时，发电厂母线电压将跌落至非常低的水平。在故障切除后的发电厂母线电压暂态恢复过程中，主要由电网的调压功能做主导。故可以认为发电厂出线近端三相接地短路故障后的母线电压指标表征了与发电厂相连电网的电压支撑能力，其指标值越大，故障切除后的电压恢复的水平越低，即电网的电压支撑能力越弱。

图4 三相故障过程母线电压正序分量

图5 三相故障过程发电机励磁电流

表3 出线近端三相故障后电厂母线电压指标

表4按照电厂出线近端三相故障后电厂母线电压指标的高低顺序对各电厂母线进行了排序，该排序即为各电厂母线得到电网电压支撑能力的强弱顺序。这与理论分析结果相吻合。

表4 出线近端三相故障后电厂母线电压指标排序

3.3 故障分析中LDVI值的应用

电网故障中对发电厂母线电压影响最大的是发电厂出线近端三相短路。因此，发电厂出线近端三相短路过程中的 LDVI值和发电厂出线近端三相短路切除后电压恢复过程中的 LDVI值之和即为发电厂母线电压低于80%额定电压的总时长。若厂用系统中的变频调速系统的低电压保护闭锁时延大于LDVI总值，则不会使得发电厂辅机因变频调速系统闭锁而停机；反之，则会使得发电厂辅机因变频调速系统闭锁而停机，进而有可能影响发电厂发电机组的正常运行，产生更严重的稳定性问题。

根据BPA的仿真结果，在发电厂出线发生故障时，即使是对发电厂母线影响最小的发电厂出线末端的单相短路故障，在整个故障过程中，发电厂母线电压基本都跌落至80%额定电压之下。而发电厂出线故障切除后的恢复过程中，即使是对发电厂母线影响最大的发电厂出线近端的三相短路故障，其故障切除后的发电厂母线电压基本上都能较快恢复到80%额定电压之上。因此发电厂出线故障整个过程中的 LDVI总值主要取决于发电厂出线故障的切除时间，故障切除时间越短，LDVI总值越小，发电厂辅机因变频调速系统闭锁而停机的风险越小。

因此针对此种情况，一方面要加快电网故障的切除速度，另外一方面可以在设备安全运行允许的范围内尽可能的延长发电厂辅机变频调速系统的闭所保护时延，使其可以大于发电厂出线近端三相短路故障时的LDVI总值。

4 结论

本文通过仿真研究，总结了发电厂出线近端单相短路和三相短路过程中的电压偏移指标Vdip、VDI值以及LDVI值的变化规律，并得出如下结论：

1）短期过程中的电压偏移指标 Vdip以及 VDI值可以有效用于评估电厂母线电压的稳定状况。

2）电厂出线近端单相短路过程的Vdip以及VDI值可以用于评估电厂自身发电机组对电厂母线的电压支撑能力。

3）电厂出线近端三相短路故障切除后恢复过程的Vdip以及VDI值可以用于评估电网对发电厂母线的电压支撑能力。

4）电厂出线故障过程中的低电压持续指标LDVI值，可以为厂用辅机变频调速系统低电压保护闭锁延迟时间的选取和整定提供参考。

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