特高压交直流互联电网典型故障对火力发电厂厂用电系统的影响研究

卢岑岑，吴跨宇，陆海清，卓谷颖，沈轶君

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

特高压交直流互联电网典型故障对火力发电厂厂用电系统的影响研究

卢岑岑，吴跨宇，陆海清，卓谷颖，沈轶君

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

特高压交直流互联电网故障将给火力发电厂厂用电系统带来较大影响，根据厂用电系统一般带有电动机负荷的特性，基于PSD-BPA仿真平台，详细研究了电动机负荷的参数与建模方法，仿真分析了不同负荷模型下厂用电的电压特性。以兰溪发电厂厂用电系统为例，建立厂用电系统仿真模型，选取电网典型交直流故障，仿真分析不同运行方式及故障对厂用电电压的影响，为厂用电系统建模及仿真分析提供参考。

浙江电网；厂用电系统；电动机负荷；建模；电压稳定

0 引言

随着特高压交直流线路的不断投运，浙江电网已步入特高压交直流混联时代。火力发电是浙江电网主要电源形式，火力发电厂厂用电系统作为发电厂重要组成部分，其可靠性直接关系到机组的安全稳定运行[1-4]。

厂用电系统负荷一般包括一次风机、引风机、送风机、电动给水泵、凝结水泵、循环水泵、给煤机、给粉机、空气预热器、增压风机、冷却风机等，是典型的电动机负荷。目前，一般性的系统分析多将厂用电负荷等效为静态负荷，但由于电动机负荷和静态负荷在不同故障情况下的响应特性并不相同，因此在电网对厂用电系统的影响研究中，需要采用电动机负荷建立详细的厂用电系统以准确分析各种故障情况对厂用电的影响。

另一方面，随着电力电子及其数字控制技术的发展，变频器产品和技术日趋成熟和稳定，在火力发电厂辅机上得到了大量应用。然而电网电压的波动会影响变频器的稳定运行，包括由于特高压交直流线路故障导致功率潮流突变、系统短路故障等引起的电压跌落等都会导致变频器自我保护而停机，因此亟需详细分析这些故障情况对厂用电电压的影响。

以下根据厂用电负荷多为电动机负荷这一特性，详细分析其建模方法，采用浙江实际交直流混合电网数据，在PSD-BPA上搭建高、低压厂用电系统，并仿真分析不同故障情况对厂用电电压的影响。

1 基于PSD-BPA的厂用电系统建模

1.1 PSD-BPA中的电动机负荷模型

PSD-BPA的负荷模型包括静态负荷模型、电动机模型和考虑配电网支路的综合负荷模型。其中电动机负荷的数学模型如式（1）所示：

式中：H表示电机的惯性时间常数；RS，XS，XM，RR，XR分别表示电机的定子电阻、定子电抗、激磁电抗、转子电阻、转子电抗；TE表示电机的电磁转矩；TM表示电机的机械转矩；A，B，C为机械转矩对应的比例系数；P，Q分别表示电机的有功和无功功率；V，I分别表示电机的端电压和电流相量；E′为电机暂态电抗X′后的内电势；ωR表示转子角速度；T0和ω0分别为电机初始运行状态下的转矩和转子角速度；ωb表示转子角速度的基准。

电动机模型可以采用单节点ML卡、分区形式MJ卡、区域形式MK卡及马达输出OMI卡模拟。以ML卡为例介绍感应电动机模型，电动机静态等值电路如图1所示。

图1 PSD-BPA中电动机静态等值电路

其数学模型为忽略内电势的暂态过程，即为考虑机械暂态过程的电动机模型，此时电动机电磁转矩表示为。

1.2 不同负荷模型对厂用电电压的影响

以兰溪发电厂为例，分别研究发电厂厂用电负荷采用静态负荷和电动机负荷情况下，发电厂送出线路N-2故障时对各母线电压的影响，发电机机端电压、高压厂变母线电压和低压厂变母线电压等仿真结果见图2，各母线电压跌落情况见表1。

图2 不同负荷模型下送出线路N-2故障对母线电压的影响

表1 不同负荷模型下送出线路N-2故障母线电压跌落情况pu

由仿真结果可以看出，当相同功率的厂用电负荷模型由静态负荷模型改为电动机负荷模型后，会使负荷所在的厂用电母线初始电压下降。相同故障情况下，采用电动机负荷的厂用电母线电压跌落得更多，且电压恢复动态过程更为缓慢。因此有必要建立厂用电模型，深入分析各种系统故障对厂用电电压的影响。

2 兰溪发电厂厂用电仿真系统建立

2.1 发电厂接入及其厂用电系统

仿真以兰溪发电厂厂用电系统为例，模型与实际装置均保持一致。发电厂共有4台机组，采用发变组单元接线方式。其中2号机容量为667 MVA，1号、3号、4号机增容为733 MVA。1—3号机通过4回500 kV线路送出，4号机通过4回220 kV线路送出，对应的系统接线如图3所示。

图3 兰溪发电厂接入系统接线

厂用电中重要的辅机如凝结水泵、循环水泵、引风机、一次风机、送风机等均下挂在6 kV母线上，而给煤机则通过锅炉变挂在380 V锅炉段上。以2号机为研究对象，厂用电系统接线如图4所示。

2.2 仿真数据及平台

以2018年夏季高峰方式华东电网作为研究背景，考虑浙江3条特高压直流受电，落地功率分别为7 500 MW，7 600 MW和7 300 MW。

图4 兰溪发电厂厂用电系统接线形式

直流稳定模型采用PSD-BPA的新型DA模型，发电机励磁系统及PSS系统采用实测模型，励磁模型采用FV卡、FM卡、FN卡等，PSS模型采用SI/SI+卡、SH/SH+卡等。除所研究的厂用电负荷外，其他负荷模型均采用ZIP模型，并考虑频率调节系数。

3 交直流混合电网故障对厂用电影响

3.1 暂态稳定判据及典型故障选取

电网暂态稳定是指电力系统受到大扰动后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力，其判据为[5]：电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第1或第2个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。

考虑选取离所研究发电机组电气距离较近的交流系统故障及功率大送入的直流系统故障作为主要研究的故障类型，除此之外，在发电厂内部考虑不同开机运行方式下对厂用电电压的影响。

3.2 交流系统故障对厂用电的影响

分别模拟电网交流系统故障，研究对厂用电系统的影响，交流系统故障类型有：

（1）机端三相短路故障：0.5 s机端三相接地短路，0.89 s故障消失（故障持续0.39 s，以保持机组稳定为原则）。

（2）线路N-2故障：0.5 s单回线路三相永久性短路，故障持续0.21 s后，双回线路两端同时断开。

仿真分析2号机机端三相接地故障，发电机机端电压、高厂变母线电压和低厂变母线电压等仿真结果如图5所示。

图5 机端三相接地故障

保持系统稳定的情况下，仿真机组500 kV送出线路N-2故障，发电机机端电压、高厂变母线电压和低厂变母线电压等仿真结果如图6所示。

图6 机组500 kV出线N-2故障（故障持续0.21 s）

仿真分析了2种典型交流系统故障情况下的厂用电电压特性，分析得到了交直流系统不同故障对电压的影响，如表2所示。

表2 不同交流故障对各厂用电母线电压的影响

由表2可以看到，由于机端短路及送出线路N-2故障点离发电厂近，因此故障后对厂用电的影响较大。

机端短路时其高压厂用母线、低压厂用母线电压跌落严重，最低可跌落到额定电压的1.8%（6 kV A段）、1.2%（6 kV B段）、1.7%（380 V A段）、1.2%（380 V B段）。其中，低于20%Un（额定电压）持续时间为0.38 s；低于60%Un持续时间分别为0.90 s，0.88 s，0.94 s，0.89 s；低于90%Un持续时间分别为1.87 s，1.67 s，1.86 s，1.76 s。

送出线路N-2故障时，机端电压、高压厂用母线、低压厂用母线电压全部在60%额定电压以下，最低可跌落到45.3%（机端电压）、39.0%（6 kV A段）、41.2%（6 kV B段）、35.5%（380 V A段）、38.6%（380 V B段）。其中，低于60%Un持续时间为0.2 s；低于90%Un持续时间分别为0.49 s，0.61 s，0.57 s，0.70 s和0.65 s。

3.3 直流系统故障对厂用电的影响

分别模拟电网直流系统故障，研究其对厂用电系统的影响。直流系统故障类型有：

（1）单极闭锁故障：0.5 s直流单极闭锁，同时启动正常极1.2倍过负荷，3.5 s后启动正常极1.05倍过负荷，4.1 s后切除第一组滤波器，之后每10 s切除一组滤波器，直至滤波器全部切除。

（2）双极闭锁故障：0.5 s直流双极闭锁，0.7 s切除所有滤波器。

分别仿真分析浙江落地的3条直流单极闭锁故障对发电机机端电压、高厂变母线电压和低厂变母线电压的影响，仿真结果如图7所示。

图7 直流系统单极闭锁故障对厂用电母线电压的影响

分别仿真分析上述3条直流双极闭锁故障对发电机机端电压、高厂变母线电压和低厂变母线电压的影响，仿真结果如图8所示。

图8 直流系统双极闭锁故障对厂用电母线电压的影响

仿真分析了4种典型直流系统故障情况下的厂用电电压特性，得到交直流系统不同故障对电压的影响，如表3所示。

表3 直流故障对2号机厂用电母线电压的影响

由仿真结果可以看到，虽然3条直流的送电功率很大，但由于故障点离2号机电气距离远，因此直流单/双极闭锁时对厂内厂用电母线电压的影响不大。

图9 不同开机方式下电厂送出线路N-2故障（故障持续0.21 s）对厂用电的影响

3.4 不同开机方式对厂用电的影响

针对发电厂只开1台机和开2台机的不同开机方式，分别研究每台机的不同负荷类型对厂用电母线电压的影响，机端电压、高厂变母线电压和低厂变母线电压等仿真结果如图9所示。

由仿真结果可以看到，在相同故障情况下，开机方式的改变对2号厂用电最低跌落深度影响不大，但会对电压恢复过程产生明显影响。增加开机会使得电压恢复过程变慢，且使得最高电压大幅度上升。由于厂用电负荷较小，邻近机组是否采用电动机负荷模型，对本机组的电压影响并不明显。

4 结语

以实际发电厂为研究对象，研究了PSD-BPA软件电动机负荷模型的建模方法，建立实际6 kV高压厂用电及380 V低压厂用电系统仿真模型，在此基础上仿真了不同交直流故障及不同开机方式下的厂用电电压特性，分析得到了电网交直流系统不同类型故障对厂用电电压的影响，获取电网故障和异常运行过程中主力发电厂厂用电系统的影响范围、程度和特点，为实际厂用电建模及仿真分析提供了参考。

[1]张兵海，刘继安．火力发电厂低压厂用电系统保护定值配合配合问题的探讨[J]．继电器，2006，34（6）:67-70．

[2]彭峻．提高发电厂厂用电系统可靠性的措施分析[J]．浙江电力，2013，32（8）:61-63．

[3]贺永刚，王利波．火电机组厂用电保护整定计算问题探讨[J]．浙江电力，2013，32（2）:62-76．

[4]邬金海．发电厂厂用电系统可靠性分析及改进[J]．浙江电力，2012，31（12）:70-72．

[5]DL/T 755-2001电力系统安全稳定导则[S]．北京：中国电力出版社，2001.

（本文编辑：杨勇）

Impact of Typical Faults in UHV AC/DC Interconnected Power Grid on Auxiliary Power System for Thermal Power Plants

LU Cencen，WU Kuayu，LU Haiqing，ZHUO Guying，SHEN Yijun
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Faults in UHV AC/DC interconnected power grid have great impact on auxiliary power system for thermal power plants.According to the general characteristics of auxiliary power system with motor load，the parameters of the motor load and its modeling method are studied based on PSD-BPA，and voltage characteristic of auxiliary power with different types of load models is analyzed.This paper takes auxiliary power system of Lanxi Power Plant as an example to build a simulation model of auxiliary power system；it selects typical AC/DC faults in power grid to simulate and analyze the impact of various operation modes and faults on auxiliary voltage,providing reference to modeling and simulation analysis of auxiliary power system.

Zhejiang power grid；auxiliary power system；motor load；modeling；voltage stability

TM621

：B

：1007-1881（2016）03-0028-06

2015-11-30

卢岑岑（1986），女，硕士，工程师，从事发电机励磁及电力系统分析工作。