浅谈工业微电网稳定运行问题

季文

（新疆天富热电股份有限公司，新疆石河子 832000）

摘要：工业电力系统达到一定规模后，鉴于对供电可靠性和经济性需求，可以考虑自备机组带一部分重要负荷直供电网运行。然而，基于工业电力系统的若干特点，其直供电网运行面临的最突出问题就是直供电网的稳定性问题，本文就此问题加以研究。

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关键词：功角稳定；频率稳定；电压稳定

工业电力系统同大规模电网一样，具有发电机、输电线路、变压器等供配电设备，以及各种用电设施，因此工业电力系统可以看作一个微缩的电网。IEEE/CIGRE根据电力系统失稳的物理特性、受扰动的大小以及研究稳定问题必须考虑的设备、过程和时间为框架，将电力系统稳定分为功角稳定、电压稳定和频率稳定3大类以及众多子类，如图1所示。功角稳定、频率稳定和电压稳定这3类问题同样存在于直供电网运行的系统，而且较之并网运行更加突出[1]。工业电力系统直供电网，其联系紧密，通常不存在小干扰失稳问题，因此只对大干扰稳定即暂态稳定问题进行研究。

1 功角稳定问题

在如图2所示的系统中，X1、X2的值较小，2台发电机联系紧密。直供电网运行情况下，由于发电机间联系紧密，2台机组之间的功角不会有太大幅度的振荡，功角稳定问题并不突出。

2 频率稳定问题

频率稳定是指系统受到严重扰动后，发电和负荷需求出现较大不平衡，系统仍能保持频率稳定的能力，频率稳定可以是一种短期或长期现象。频率稳定主要用于研究系统的旋转备用容量和低频减载配置的有效性与合理性，以及机网协调问题。

工业电力系统中许多用电设备的运行状况和频率有密切关系。工业生产中大量使用电动机，系统频率变化将引起转速改变，从而影响产品质量。系统频率的波动还可能引起运行中的汽轮机叶片共振，缩短叶片寿命，严重时会发生叶片断裂事故。现代大型汽轮机 - 发电机组对系统频率有着相当严格的要求：

频率降低时，异步电动机、变压器的励磁电流将增加，引起系统无功功率的增加，同时并联电容器无功补偿量减少，导致系统电压降低。另外，当频率偏离标称值时，变压器等设备的温升可能会超过其规定值。

直供电网运行的工业电力系统，一方面缺乏旋转备用容量，当系统负荷突增或失去某台发电机后，系统频率将降到额定值以下，甚至导致系统频率崩溃。另一方面，工业电力系统自身旋转惯性较小，而又存在大量有功冲击负荷，这些负荷快速地从系统提取能量，如果工业电力系统内发电机不具备快速地调速能力，将引起系统频率较大范围的波动，影响系统设备的安全和使用寿命。

3 电压稳定问题

电力系统中的电压水平与系统中的无功功率状况密切相关。电压稳定的根本原因在于缺乏无功功率。CIGRE把电压稳定性研究分为静态电压稳定和动态电压稳定，又进一步将动态电压稳定分为小扰动电压稳定、暂态电压稳定和长期电压稳定。小扰动电压稳定性是系统在受到扰动后是否存在平衡点的问题，对于暂态电压稳定性而言，扰动后的系统存在平衡点是其必要条件，但不是充分条件，系统是否能够恢复到平衡点，还依赖于系统中各元件无功功率的变化速度。当电源自动调节的速率愈快时，对暂态电压稳定愈有利。电力系统在给定的稳态运行点遭受一定扰动后，如果故障后平衡点超出系统运行限制范围，系统没有能力保持在一个静态稳定的运行点，即负荷的电压 - 无功特性与电源的电压 - 无功特性没有交点，将导致电压崩溃。存在静态稳定运行点是暂态电压稳定的必要条件，而系统最后能否稳定还依赖于电源和负荷无功变化的速度。

电压稳定性问题的实质是负荷稳定性问题。工业电力系统中存在大量感应电动机，并且采用电容器补偿。系统电压下降时，感应电动机转差增大，功率因数降低，对于严重的电压下降，感应电动机转子失速，从系统吸收的无功功率急剧增加，进而引起其临近的其它感应电动机失速。同时，系统中并联电容器输出的无功功率与端电压的平方成正比，电压下降时，发出的无功也下降。在这些因素的共同作用下，系统电压将迅速崩溃。工业电力系统中存在大量无功冲击负荷，如果不进行动态无功补偿，这些无功冲击将引起系统电压剧烈波动。

不合理的操作和错误动作将直接导致电压崩溃事故发生。例如，工业电力系统中大多数异步电动机采用直接起动方式，当工作电源失压而跳闸后，各感应电动机仍与母线相连，待备用电源投入时将形成电动机群同时自起动，造成母线电压急剧下降，进而引起其他母线下电动机失速，导致系统电压崩溃。

与并网运行相比，直供电网运行的工业电力系统具有以下特点：（1）缺乏或没有备用容量，缺乏转动惯量。工业电力系统并网运行时，其联络线上流过的功率可能并不大，但外电网为其提供了大的备用容量和转动惯性，当系统有功负荷发生较大改变时，由于外电网的存在，系统频率不会有太大波动，而直供电网运行的系统没有足够的能力吞吐能量，导致系统频率波动剧烈，甚至崩溃；（2）系统无功支持不足。工业电力系统的无功源包括发电机、同步电动机、并联电容器、SVC等设备。无功是引起电压波动的主要原因，在无功冲击负荷作用下，直供电网的电压水平较并网运行波动更大。工业电力系统中具有大量电动机负荷，其无功 - 电压特性对系统产生恶劣影响，另一方面，并联电容器仍是其无功补偿的主要手段，其补偿容量与电压成正比，也不利于系统电压稳定。直供电网运行时，电压稳定问题更为严重。

因此，工业电力系统直供电网运行的稳定性，相对于并网运行变差，使直供电网运行面临一定风险。其中，最突出的问题就是频率稳定问题。同时，电压稳定问题也比并网运行时更加严重。因此，只有采取恰当的控制措施和保护策略才能确保直供电网安全稳定运行。

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参考文献